撐起材料領(lǐng)域“半邊天”——記華東師范大學(xué)物理系副教授袁清紅

本刊記者 張春壯 孫秋霞

36歲的袁清紅，現(xiàn)在是華東師范大學(xué)物理系副教授。在機(jī)房，一襲白大褂，棕色短發(fā)，淡淡的妝容，女性的溫柔美麗與智慧知性集于一身。

在男性主導(dǎo)的科學(xué)世界里，袁清紅一步一個(gè)腳印，憑借女性特有的細(xì)膩與敏銳，在石墨烯和碳納米材料等領(lǐng)域開拓出一片靚麗的天地。不久前，作為三名獲獎(jiǎng)人之一，她在2014年獲得國(guó)際石墨烯大會(huì)優(yōu)秀墻報(bào)獎(jiǎng)。

在采訪中，袁清紅告訴記者，平時(shí)自己也喜歡逛街，追求一些時(shí)尚的東西。女性的審美下，深藏更多的是她對(duì)科研的認(rèn)真和執(zhí)著，“我在科研方面的天分不是很好，但我最大的特點(diǎn)就是認(rèn)真”。

行走在碳材料的前沿

從大學(xué)到博士，11年的求學(xué)歷程終于讓袁清紅實(shí)現(xiàn)了成為一名大學(xué)老師的夙愿。在人生的千回百轉(zhuǎn)中，推著我們不斷前進(jìn)的也許就是童年那不經(jīng)意的夢(mèng)想。袁清紅并未滿足于此刻的成績(jī)，在無數(shù)的疑問中，她不斷追尋著答案。

石墨烯是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和多層石墨烯的統(tǒng)稱。早前，石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直到2004年，英國(guó)曼切斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·撒姆和康斯坦丁·瑪卡李奇成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。從此，國(guó)內(nèi)外迎來了石墨烯研究的浪潮。

受到香港理工大學(xué)丁峰教授的影響，袁清紅從2009年年底便開始了對(duì)石墨烯的研究，當(dāng)時(shí)國(guó)際上關(guān)于石墨烯生長(zhǎng)機(jī)制的理論研究才剛剛起步。袁清紅告訴記者，他們?cè)谑┥献隽朔浅Ｏ到y(tǒng)的工作，“從金屬表面的單個(gè)碳原子到大片石墨烯的生長(zhǎng)，我們揭示了石墨烯在早期成核過程中一維碳鏈的穩(wěn)定性和二維碳團(tuán)簇中拓?fù)淙毕莸拇嬖冢⑻岢隽耸┰谶B續(xù)生長(zhǎng)過程中可能的的模式，解釋了石墨烯的取向和金屬沉底對(duì)稱性的關(guān)系”。此外，他們?cè)谘芯恐羞€發(fā)現(xiàn)隨著金屬催化劑表面硬度的不同，石墨烯生長(zhǎng)呈現(xiàn)臺(tái)階生長(zhǎng)、懸浮生長(zhǎng)以及嵌入生長(zhǎng)等不同模式。這些不同生長(zhǎng)模式將導(dǎo)致石墨烯生長(zhǎng)取向的不同，其中采取臺(tái)階和嵌入生長(zhǎng)模式的石墨烯具有生長(zhǎng)取向的一致性。因此，袁清紅團(tuán)隊(duì)推測(cè)在傾向于臺(tái)階和嵌入生長(zhǎng)模式的金屬催化劑表面有可能長(zhǎng)出大片的單晶石墨烯。這一理論預(yù)測(cè)結(jié)果最近被韓國(guó)著名的石墨烯實(shí)驗(yàn)研究小組所證實(shí)。

袁清紅解釋道，“實(shí)現(xiàn)石墨烯生長(zhǎng)取向的一致性是合成大片單晶石墨烯的重要條件，我們的研究結(jié)果表明石墨烯在某些金屬表面取向一致而在某些金屬表面取向多樣”。該研究結(jié)果不僅成功解釋了目前大部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且為將來實(shí)驗(yàn)上選擇合適的金屬催化劑來合成高質(zhì)量的大片石墨烯提供了理論依據(jù)。

揭示碳納米管的CVD生長(zhǎng)機(jī)制

近日，SCI影響因子達(dá)11.336的國(guó)際著名化學(xué)期刊《Angewandte Chemie International Edition》（《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》）第54期發(fā)表了袁清紅的論文“How a Zigzag Carbon Nanotube Grow s”，并將該文選為封底文章。論文首次從理論上揭示了被稱之為Zigzag碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)制，解釋了實(shí)驗(yàn)上一直難以獲得Zigzag碳納米管的根本原因，提出通過催化劑選擇和改善實(shí)驗(yàn)條件獲得Zigzag碳納米管的實(shí)驗(yàn)手段。

袁清紅向記者介紹，碳納米管生長(zhǎng)機(jī)制的理論研究比較復(fù)雜。因?yàn)樘技{米管的類型較多，每一類碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)制都不一樣，“做理論模擬的話，我們需要一個(gè)理論模型，但我們?cè)缙趯?duì)碳納米管的生長(zhǎng)模型不是很清楚，存在許多爭(zhēng)議，再加上早期的CPU計(jì)算也很慢，如果要做碳納米CVD生長(zhǎng)機(jī)制的第一性原理計(jì)算需要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間”。

最早開始研究碳納米管生長(zhǎng)機(jī)制的是袁清紅的博士后導(dǎo)師——香港理工大學(xué)丁峰教授，他從2003年開始一直做這方面的研究，并于2009年在美國(guó)雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于碳納米管的生長(zhǎng)速度與螺旋角度關(guān)系的文章，提出碳納米管的螺旋角度越大，其生長(zhǎng)速度越快。這一理論模型能解釋大部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但同時(shí)也有一定的局限性。

后來，袁清紅和丁峰教授合作，對(duì)不同類型的碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行了深入研究。提出碳納米管生長(zhǎng)的臺(tái)階模型，并發(fā)現(xiàn)碳納米管生長(zhǎng)的決速步是碳原子從金屬催化劑表面加入到碳納米管并成為碳管一部分的過程。“我們的研究發(fā)現(xiàn)，鐵是大部分碳納米管高速生長(zhǎng)的優(yōu)良催化劑，在1300K的溫度下，這些碳納米管在鐵催化劑表面的生長(zhǎng)速度可達(dá)到106 nm/s，這與目前絕大部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。”該研究成果發(fā)表在物理類頂尖雜志Phys. Rev. Lett.上。

相比之下，一種被稱之為zigzag型的碳納米管在實(shí)驗(yàn)上則極少能被觀測(cè)到。于是，袁清紅與丁峰教授在先前研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討Zigzag碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)制及速度。發(fā)現(xiàn)Zigzag碳納米管的結(jié)構(gòu)與其它手性碳納米管的根本不同之處在于，其生長(zhǎng)的開口端是由完全封閉的圓形碳鏈組成的，這導(dǎo)致Zigzag碳納米管的生長(zhǎng)必須經(jīng)歷一維成核過程。由于成核非常困難，所以導(dǎo)致Zigzag碳納米管的生長(zhǎng)速度很慢。“我們首次從原子的尺度上解釋了Zigzag碳納米管的一維成核過程，證實(shí)了Zigzag碳納米管的生長(zhǎng)是有可能的。并且，可通過選擇活性高的金屬催化劑（如鐵）以及較高的實(shí)驗(yàn)溫度來獲得更高產(chǎn)量的Zigzag碳納米管，而且Zigzag碳納米管的生長(zhǎng)速率正比于其直徑。”

盡管這些理論預(yù)言還有待實(shí)驗(yàn)科學(xué)家的進(jìn)一步驗(yàn)證，但據(jù)袁清紅介紹，該項(xiàng)研究成果的現(xiàn)實(shí)意義還是非常顯著，可以用來調(diào)控碳納米管生長(zhǎng)的一些實(shí)驗(yàn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)碳納米管的手性可控合成，從而使其在電子器件領(lǐng)域得到真正的應(yīng)用。

袁清紅介紹說，碳納米管的電子性質(zhì)與其手性有很大關(guān)系，生長(zhǎng)過程中保持特定的手性對(duì)實(shí)現(xiàn)碳納米管在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用具有非常重要的意義。然而，碳納米管在生長(zhǎng)過程中的各種拓?fù)淙毕輹?huì)導(dǎo)致其手性發(fā)生改變，因此有效地消除這些拓?fù)淙毕菔谴_保碳管在生長(zhǎng)過程中保持其特定手性的關(guān)鍵問題。基于理論分析和計(jì)算，袁清紅和丁峰教授提出，在碳納米管生長(zhǎng)過程中最有可能的拓?fù)淙毕菔俏逶h(huán)和七元環(huán)成對(duì)的缺陷（五/七缺陷對(duì)），一定溫度下，碳納米管中的五/七缺陷對(duì)濃度可低至10-11，即c m長(zhǎng)度的碳管內(nèi)沒有任何缺陷。該研究結(jié)果被實(shí)驗(yàn)科學(xué)家證實(shí)并發(fā)表在物理類頂尖雜志Phys.Rev. Lett.上。目前已被Science, PNAS等多個(gè)著名雜志引用，引起了包括美國(guó)自然科學(xué)基金網(wǎng)等眾多國(guó)外媒體網(wǎng)站的關(guān)注和報(bào)道。

袁清紅告訴記者，理論研究有其局限性，要想獲得最新最前沿的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，必須與實(shí)驗(yàn)科學(xué)家保持密切合作。“除了密切關(guān)注最新的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，我們還與國(guó)內(nèi)外一流的實(shí)驗(yàn)小組保持了密切的合作關(guān)系。一方面利用他們的最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果來指引我們的理論研究方向，另一方面，我們的理論研究結(jié)果能幫助實(shí)驗(yàn)科學(xué)家理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果并作一些有目標(biāo)性的嘗試實(shí)驗(yàn)。”袁清紅團(tuán)隊(duì)通過與實(shí)驗(yàn)合作，取得了很多豐碩的成果，相關(guān)的研究工作發(fā)表在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、 ACS NANO、Nat. Commun.等著名雜志上。

袁清紅研究團(tuán)隊(duì)

“時(shí)間都去哪了”

“門前老樹長(zhǎng)新芽，院里枯木又開花……”2014年春晚的一曲《時(shí)間都去哪兒了》引起了許多人的共鳴。教學(xué)、科研、照看小孩、家務(wù)事……袁清紅總覺得時(shí)間不夠用：時(shí)間都去哪了？

現(xiàn)代社會(huì)，科研領(lǐng)域已不乏女性身影。她們?cè)谕渡砜茖W(xué)研究的同時(shí)，也努力做著工作、家庭和生活之間的平衡，袁清紅也不例外。她不僅要在工作中花費(fèi)大量時(shí)間，還需要照看小孩，料理家務(wù)。“工作有的時(shí)候會(huì)占據(jù)很多時(shí)間，每一天的進(jìn)展都非常多，哪一天不看文獻(xiàn)，就會(huì)錯(cuò)過很多。”

每逢周末，袁清紅也不會(huì)落下工作，為了節(jié)省時(shí)間，她常常用網(wǎng)購代替逛街。如今，袁清紅的女兒已經(jīng)5歲，這正是孩子啟蒙的好時(shí)期，她給孩子報(bào)了一個(gè)畫畫班和音樂班。“雖然花了一些心思在孩子身上，但覺得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。”

令袁清紅倍感欣慰的是，她在科研上的付出有了回報(bào)。“付出不一定有收獲，但不付出肯定沒有收獲，我覺得自己還是比較幸運(yùn)的。”每當(dāng)談到自己在科研上的成功，袁清紅總是會(huì)提到自己的博士后導(dǎo)師，對(duì)導(dǎo)師心懷感激，“他給了我很大的幫助，他的科研直覺非常好，對(duì)問題的思考有著獨(dú)到的見解，在他身上我學(xué)到了很多東西”。

采訪中，袁清紅始終用淺顯的語言給記者解釋這些難懂的專業(yè)問題。每每講完一個(gè)問題，她總是習(xí)慣性地總結(jié)一遍，冷靜的言語后折射出她清晰的思維邏輯。正如她所做的工作，從來不是一蹴而就，而是在常年的日積月累的付出。這些付出與收獲，成就了女科學(xué)家的美麗與價(jià)值。