心向功能應(yīng)用 快樂堅守科研
——記湖南大學特聘教授、美國加州大學洛杉機分校終身教授段鑲鋒

□ 王 軍

段鑲鋒

2017年8月初，段鑲鋒又登上了熱搜。他和湖南大學段曦東作為共同通訊作者在Science上在線公布了二維材料領(lǐng)域的一個重要突破，在國際上首次報道了一種能控制異質(zhì)結(jié)、多重異質(zhì)結(jié)和超晶格二維原子晶體生長的普適性合成方法。這種外延生長法可以巧妙地制備出多種多樣的二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)，為進一步研究二維材料的特異性能，實現(xiàn)其應(yīng)用潛力提供了一個可靠的合成手段。

在很多相關(guān)媒體報道中，段鑲鋒被稱為“大家熟悉的段鑲鋒教授”。只因他在專業(yè)領(lǐng)域的知名度和他是Science的“常客”。就在這次發(fā)文的前幾個月，段鑲鋒同樣以通訊作者的身份在Science上公布了關(guān)于納米材料和儲能領(lǐng)域的重要研究進展。而論文的共同第一作者梅琳，同樣為湖南大學化學化工學院的1名博士后。湖南大學是論文第2單位。

“希望能夠把這里（湖南）的科研和青年人才培養(yǎng)帶動起來。”4年前的返鄉(xiāng)初衷猶在心間，而這份初衷對段鑲鋒來說是無論身處何地都要踐行的。

從湘西南走出的留美教授——山村娃的蛻變

對很多人來說，段鑲鋒如今在科研上取得的成績已經(jīng)算是讓人羨慕了。跨洋出國后，他先后獲得美國哈佛大學化學碩士和物理化學博士學位；2001—2008年在美國Nanosys高科技公司工作，是該公司的聯(lián)合創(chuàng)始人之一；2008年起到美國加利福尼亞大學洛杉磯分校任教直至成為終身教授。

因為出色的科研表現(xiàn)，他先后獲得“MRS全美杰出研究生獎”“全美發(fā)明家競賽大獎”“世界百位杰出青年發(fā)明家”等眾多獎勵和榮譽。2001年，他與自己的妻子，現(xiàn)同為美國加州大學洛杉磯分校教授的黃昱合作完成的納米電子領(lǐng)域成果被Science評為2001年世界十大科技進展，并名列榜首；2011年2月10日，湯森路透集團發(fā)布了2000—2010年全球頂尖一百化學家名人堂榜單，段鑲鋒排名全球第41位；而在全球頂尖一百材料學家名人堂榜單中，他排名全球第20位。2013年8月，因為在納米科學領(lǐng)域，特別是石墨烯和光催化作用方面的杰出貢獻，他獲得貝爾比獎?wù)拢摢務(wù)聵O少授予華人科學家，段鑲鋒也成為該獎83年歷史上第3位華人得主……

在科學探索的世界里，段鑲鋒一直就像在浪潮前端盡情享受搏擊快感的“沖浪者”，但就是這樣一位科學家，卻也坦言自己對于科學探索的興趣，是慢慢培養(yǎng)起來的。

打開互聯(lián)網(wǎng)搜尋關(guān)于段鑲鋒的話題，除了他居于領(lǐng)域前沿的系列研究突破之外，最為人津津樂道的就是他那些被賦予“傳奇”色彩的經(jīng)歷。

1977年，段鑲鋒出生在湖南省邵陽市武岡市一個小山村。這個小山村是當?shù)爻隽嗣摹盃钤濉薄Ｗ曰謴?fù)高考以來，這個小山村共有100余人考取了大學，50多人考取了北大清華等重點大學，在美國哈佛等著名大學留學的也有好幾人。

雖然從小生活在偏僻的山村，段鑲鋒卻有幸成長于一個崇尚知識、崇尚教育的家庭。在相對貧困的年代和地區(qū)，父母傾盡所有為他們兄弟們提供了一切可能受教育的條件，為他們訂購了許多兒童讀物，如《兒童時代》《少年文藝》等。這些讀物，啟發(fā)了他對神秘科學世界的向往之心，其中《兒童時代》在80年代初連載的科幻故事——《威爾歷險記》中的三腳機器人就給他留下了深刻的印象。

雖然感興趣，但段鑲鋒坦言起初對科學也僅僅停留在懵懂認知的程度。真正帶他通向科學之路的，是哥哥從大學里帶回的那些物理、化學書。這些書就像幫他打開了一扇通往廣闊探索天地的大門。當知識結(jié)構(gòu)逐漸完善過后，段鑲鋒的探索視野得以一步一步擴大，探索的欲望也越來越大。

15歲，在很多同齡孩子還來不及思考未來或者分不清夢想方向的時候，段鑲鋒的命運因為一紙中國科技大學少年班的推薦表得以改變。他通過少年班的招生考試進入中國科技大學學習。在這個著名的“科學夢想搖籃”里，段鑲鋒的科學知識得以不斷完善，數(shù)理化各方面都打下了扎實的基礎(chǔ)。從大三起，他在李亞棟老師（現(xiàn)中科院院士）的引導(dǎo)下開始介入科研，而他的納米材料探索之旅，也從那個時候徐徐開啟。“科大給了我扎實的基礎(chǔ)和讓我找到了未來的方向。”時至今日，段鑲鋒依然對帶自己起步的母校和導(dǎo)師感恩在心，并保持有長期的合作。

1997年，結(jié)束5年學習的段鑲鋒從中國科學技術(shù)大學畢業(yè)，遠跨重洋到了美國，此后在世界級科研殿堂哈佛大學學習深造，又到美國硅谷的前沿科技公司創(chuàng)業(yè)，再回到世界頂尖的高校從研、從教……每走一步，他都有自己的思索和考量。20年過去，那個曾經(jīng)蝸居在小山村里的山村娃實現(xiàn)了人生的升華，走出大山在世界級科研殿堂里踐行自己的科研夢想。不變的，是那份奮斗改變命運、人生貴在創(chuàng)造價值的信念。

從性能到功能研究再向產(chǎn)業(yè)——心懷夢想科研人的堅持和“倔強”

2001年，段鑲鋒和妻子黃昱合作完成的納米電子領(lǐng)域相關(guān)成果被Science評價為“本年度重大突破”，為電子器件進一步精巧化邁出了一步。在過去的10年中，提高計算機的運行能力主要依賴于把越來越多的電路組裝到芯片上，這意味著電子器件尺寸越來越小，其組裝程序也越來越困難。在該項成果中，他們成功地利用液體流動的動力將無數(shù)的且小到只有十億分之一米的分子線排列成約毫米級的長度，再通過改變液體流動方向，使其互相交錯地排列形成電路和電子器件，這使納米電路的低成本加工成為可能，在電子計算機和電子元件微型化方面顯示出很大的潛力。

段鑲鋒和他的妻子素有納米界“神雕俠侶”之稱，兩人同為科大學子，又一同到美國哈佛深造。早在攻讀博士期間，師兄妹就大力合作，雙雙在Science和Nature發(fā)表多篇與半導(dǎo)體納米線器件有關(guān)的研究成果；此后在美國加州大學洛杉磯分校化學系和材料系分別成立獨立課題組，同時繼續(xù)合作在納米材料和納米器件領(lǐng)域發(fā)表了多篇Science和Nature論文。“但我與她（黃昱）在具體的研究方向上還是有所不同的，她更著重于納米材料調(diào)控的基礎(chǔ)研究與納米催化，而我個人的研究興趣和目標主要集中在納米電子、能源材料及其功能應(yīng)用。”事實上，段鑲鋒對自己要進取的方向早已經(jīng)有了清晰的規(guī)劃：

“做了納米材料研究以后，我們自然會想，做這些研究到底有什么用？于是就想去深究它的基本物理性能，一般來說納米尺度都有可能帶來一些新的光學、電子學性能，研究了性能以后我們又想怎么把這個性能真正用起來做到功能，最后又思索功能如何用到實用產(chǎn)品上去。”對段鑲鋒來說，他多年走出的科研軌道就像是一條聯(lián)通上下游的“直線鏈條”，其實是自然而然的深究過程。但對很多人來說，這條從初級到終端的路漫長且考驗人的耐力和持久力，段鑲鋒卻執(zhí)意為之，只因為他堅持“研究要體現(xiàn)實用價值”這一信念。而這也是他早年進入企業(yè)的主要原因。

新世紀初，美國的硅谷已經(jīng)進入成熟期，作為美國乃至全世界的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)先鋒，那里孕育了一批包括蘋果、谷歌、英特爾、惠普等在內(nèi)的大批知名高科技公司，形成微電子產(chǎn)業(yè)、信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)等產(chǎn)業(yè)集群。

從哈佛畢業(yè)以后，段鑲鋒就作為共同創(chuàng)始人之一加盟美國Nanosys高科技公司，成為硅谷中探索前沿產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)業(yè)者一員，致力于開發(fā)出與納米線、量子點等納米材料相關(guān)的各類產(chǎn)品。

“高校的資源畢竟有限，而且關(guān)注度也不一樣，所以涉及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的問題需要在公司里去做，當初我選擇加入創(chuàng)業(yè)公司的初衷，也是想把自己在研究生階段的研究成果拿出來，看看是否可以將其從概念一步步推到產(chǎn)品。”在Nanosys，段鑲鋒一待就是7年，歷任聯(lián)合技術(shù)顧問、先進技術(shù)科學家、先進技術(shù)高級科學家、先進技術(shù)部經(jīng)理和首席科學家等職。期間，他得以接觸到涉及產(chǎn)品終端的方方面面的問題，拓展應(yīng)用領(lǐng)域知識的同時，也對基礎(chǔ)技術(shù)研究的方向有了更深刻的領(lǐng)悟。

作為技術(shù)創(chuàng)始人之一，段鑲鋒在Nanosys工作期間探索和創(chuàng)造了很多納米材料的應(yīng)用概念，有的概念雖然創(chuàng)新性很好，在商業(yè)化過程中卻遇到極大挑戰(zhàn)，有些最初未必最看好的概念相關(guān)產(chǎn)品卻已成功推向市場。現(xiàn)下新興的量子點電視的核心技術(shù)基本上就起源于這家公司。

“這期間，我深刻地體會到從概念到產(chǎn)品的過程是多么的不易，它與做科研不一樣，做科研有可能我們解決其中一個關(guān)鍵難題就可以說是一個突破，但要做產(chǎn)業(yè)的話，不管是多大多小的問題，你都得把所有的問題解決了，最終才能形成一個可用的產(chǎn)品。而且這些問題還不僅僅是技術(shù)上的問題，還涉及各方產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟利益、競爭、下游客戶的意愿取向等各種問題。”因為艱難，很多人在這條路上轉(zhuǎn)了彎，段鑲鋒卻學會了兩個字——堅守。

“做產(chǎn)業(yè)難，做基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)更難。一個材料要做成產(chǎn)品，一般沒有五到十年的堅持很難成功，有的甚至要更長久。你需要很長時間的不斷積累，不斷發(fā)現(xiàn)問題，不斷改正，不斷創(chuàng)新，最后才能夠做出最好的產(chǎn)品。”時至今日，通過10余年的錘煉和反復(fù)總結(jié)，段鑲鋒算是打通了從材料到性能再到功能產(chǎn)品鏈條上的各個環(huán)節(jié)，形成了自己的優(yōu)勢。

現(xiàn)如今，段鑲鋒還一直堅持跋涉在這條路上，雖然已經(jīng)離開了企業(yè)，但面向?qū)嶋H應(yīng)用的研究成果也還在陸陸續(xù)續(xù)地獲得突破，與企業(yè)的合作轉(zhuǎn)化也還在繼續(xù)。心懷夢想，跋涉就不會停止。

“承朱張之緒，取歐美之長”——引智援湘助湖大發(fā)展

樸素的穿著、沒有任何華而不實的言語，段鑲鋒給記者的感覺一直都是科研人特有的溫吞、謹慎。即使是在說到他已經(jīng)被“傳奇化”了的種種話題的時候，也刻意地規(guī)避掉眾人眼中的“亮點”，盡力將“傳奇”歸于平淡，最后再引向?qū)W術(shù)。言談中最明顯的，是他多年未改的湖南鄉(xiāng)音。

“這邊確實有一些不錯的老師，我們在工作上多有交集，平時挺多溝通與交流。在這過程中我發(fā)現(xiàn)我們確實有一些可以一起推進的事情，而且湖南大學也很想在這方面有所進益，將科研和學生培養(yǎng)向前推進。”保持一慣的平實，段鑲鋒如是闡述自己受聘湖南大學的初衷。

2013年，段鑲鋒成為湖南大學特聘教授。2013年年底，他依托湖南大學化學化工學院、“化學生物傳感與計量學國家重點實驗室”和湖南大學物理與微電子科學學院“微納光電器件及應(yīng)用教育部重點實驗室”組建起“微納系統(tǒng)與器件”課題組，旨在納米材料的合成、組裝和表征；先進電子和光子材料與器件；能源利用、轉(zhuǎn)化與存儲；生物醫(yī)學傳感與治療等方向進行一系列具有重大原創(chuàng)性的理論、實驗或工程技術(shù)研究，使研究成果具有國際先進水平。

當有了一個工作平臺，段鑲鋒最想做的事情就是把一批年輕人帶動起來，并以點帶面，打造一支有自己獨特優(yōu)勢的特色團隊。讓他感到意外驚喜的是，雖然湖南大學處于中西部地區(qū)，但這里的學生在對科研的興趣和各方面能力上的表現(xiàn)上在很多地方并不遜色于其他地方的學生。“在我看來，學生都各具潛力，是否能發(fā)揮出來關(guān)鍵要看師長的付出，包括合適的引導(dǎo)和交流。”

雖然并沒有全職回國，但在段鑲鋒看來，只要有心，地域和時空的界限并不能阻斷他和學生之間的聯(lián)系，平時，他盡可能多地利用郵件、遠程傳輸?shù)雀鞣N快捷的方式與學生保持溝通。當然，一旦有需要，他也能很便捷地回來處理各項工作。對科研，段鑲鋒一直持有一種開放的態(tài)度去接受不同的思想，而這也是他當年跨出國門直至在兩地間奔波不斷聯(lián)系的初衷，他也非常感謝湖南大學的師生能以同樣的態(tài)度給予他大力的支持和配合。“承朱張之緒，取歐美之長，華與實兮并茂，蘭與芷兮齊芳”，湖大正以實際行動展現(xiàn)她的兼容并蓄、開放和包容。

在這樣的支持下，湖南大學團隊的工作推進得很順利。借助于他多年在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究各個環(huán)節(jié)都有積累的優(yōu)勢，他所帶領(lǐng)團隊立足前沿和實際功能應(yīng)用所需進行深度探索，一方面有效地把材料的特性體現(xiàn)在功能上，另一方面還能根據(jù)功能需求去設(shè)計材料，然后采用自己發(fā)展的方法去把材料做出來。發(fā)揮特色優(yōu)勢，這幾年，團隊成果顯著。文首發(fā)表在Science上的兩項成果，即是代表性成果。

榮獲2013年貝爾比獎?wù)?/p>

日常生活中許多產(chǎn)品離不開電池，但電池的充電速度和使用時間往往不甚理想。在儲能（主要指鋰電和超容）領(lǐng)域，充放電電流密度和電源的比能量密度一直是一對不可調(diào)和的矛盾，此消彼長，相生相殺。高功率密度和高能量密度的可充放二次電池電極材料一直是科學界致力研究的關(guān)鍵難點。

為解決這個問題，段鑲鋒帶領(lǐng)美國加州大學洛杉磯分校化學系博士后孫洪濤和湖南大學博士后梅琳等人共同在Science上發(fā)表《三維多孔石墨烯/Nb2O5復(fù)合結(jié)構(gòu)電極材料的高倍率儲能應(yīng)用》論文。論文報道他們以三維多孔石墨烯/Nb2O5作為負極材料，實驗發(fā)現(xiàn)三維多孔石墨烯可以作為框架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)納米電極材料的高負載量裝載，同時其優(yōu)良的導(dǎo)電性能和多級孔結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)快速充放電過程中電子和離子的快速傳遞，功率密度接近超級電容器，而該電極材料在特定條件下能量密度能夠接近普通二次電池的能量密度；同時電池在大倍率電流循環(huán)10000次后，容量衰減僅為10%，遠高于普通鋰電池的循環(huán)壽命和倍率性能。除了壽命長、循環(huán)穩(wěn)定、快速充放電等優(yōu)勢，所制備的電極材料負載量實現(xiàn)了與工業(yè)水平相持平。成果為未來研制充電速度快且續(xù)航能力強的電池邁出重要一步。

中國科學院金屬研究所的成會明院士和李峰研究員評價了這一發(fā)現(xiàn)，“這種高容量和高電流密度的良好結(jié)合前所未見，標志著高性能電極材料在向商用儲能器件方向的發(fā)展道路上邁出了關(guān)鍵的一步。”

快樂堅守科研

還有相關(guān)學者評價認為：“盡管成果離商用推廣還有頗多差距，但段鑲鋒教授課題組立足三維石墨烯復(fù)合電極這個‘老idea’，從商業(yè)電極面臨的困難出發(fā)，材料設(shè)計、原理解釋都做得非常漂亮，稱得上是儲能領(lǐng)域研究論文的典范。”

“任何研究你追根溯源總有蛛絲馬跡可循，對我來說創(chuàng)新不是盲從跟風，但絕對需要清楚你最終要解決的問題和要實現(xiàn)的目標是什么，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵挑戰(zhàn)所在，結(jié)合自己的優(yōu)勢，把別人不能做到或者還沒做好的事情推到一個新的高度，推到極致，重要的是你所做的事情最終能夠體現(xiàn)出其價值。”段鑲鋒的總結(jié)也展現(xiàn)了他在研究上的獨特領(lǐng)悟。而他在二維材料研究上的突破同樣證明了這一點。

二維材料如石墨烯、單層和少層硫化鉬(MoS2)、硫化鎢(WS2)等是近年來新開發(fā)出來的材料，具有優(yōu)異電學、光學和力學等性能，在新一代電子和光電子器件方面（如低能耗、低成本柔性顯示器件、新型光電子和量子器件和傳感器件等）有著重要的應(yīng)用潛力。要挖掘它們更多的應(yīng)用潛力則需要發(fā)展能精確控制其化學成分和電子結(jié)構(gòu)的可靠的合成方法。

在湖南大學“985”高層次引進人才建設(shè)經(jīng)費和化學化工學院的大力支持下，段鑲鋒及其研究團隊通過改進傳統(tǒng)的化學氣相沉積(CVD)裝置，發(fā)展了原位改變氣相反應(yīng)物技術(shù)，這是獲得橫向異質(zhì)結(jié)的關(guān)鍵。這種原位改變氣相反應(yīng)物的技術(shù)對制備橫向異質(zhì)結(jié)具有通用性，如研究團隊利用該技術(shù)成功制備出了WS2/WSe2、MoS2/MoSe2等單原子層橫向異質(zhì)結(jié)。在此基礎(chǔ)上，研究團隊利用這些橫向異質(zhì)結(jié)制備了一系列的功能器件，包括P-N結(jié)二極管、光檢測器和反相器等。在相關(guān)領(lǐng)域，國際上還有兩個研究團隊幾乎同時開展了類似的研究。在這場激烈的科研競爭中，湖南大學科研團隊的數(shù)據(jù)最充分，而且詳細示范了其電子和光電子器件應(yīng)用。論文在網(wǎng)上在線登出后，成為《自然·納米技術(shù)》雜志的點擊量最高的文章之一。《自然·材料》和nanotechweb.org網(wǎng)站等多家專業(yè)期刊和媒體也進行了專門報道。文首提到的最新發(fā)表在Science上工作則把這個方向推向了一個全新的高度，在國際上首次實現(xiàn)原子層厚度的多重異質(zhì)結(jié)和超晶格的合成；為二維材料領(lǐng)域的進一步基礎(chǔ)研究及功能應(yīng)用提供了一個堅實的材料平臺。

將納米材料在燃料電池轉(zhuǎn)化與存儲上的成果應(yīng)用于新能源電動汽車；將信息產(chǎn)業(yè)幾十年發(fā)展的技術(shù)應(yīng)用到生物檢測、疾病診斷等領(lǐng)域，服務(wù)于健康產(chǎn)業(yè)，譬如研究一種可穿戴的電子材料薄膜產(chǎn)品，它可以顯示脈搏的波形、血糖的數(shù)值等，從而幫助疾病患者實時監(jiān)控健康狀況……在段鑲鋒的心里，一直有很多研究應(yīng)用的美好愿景。他最樂意看到的是這些納米技術(shù)能在實際應(yīng)用中讓幾乎每個人都能受益，能使普通人享受新技術(shù)帶來的快樂。而這也是他保持源源不斷研究動力的快樂源泉。