王中林：一位開掛的科學家和他的納米帝國

圓的方塊

如果你在網上搜關于王中林的資料，除了高得嚇人的影響因子和眼花繚亂的學術成果，似乎很難找到他個人生活的痕跡。沒有博客，沒有微博，不知道有沒有微信。偶爾上網也只是處理郵件和修改論文，辦公室里都是老婆和女兒的照片，據說平時最大的消遣是晨跑和整理花園。

生活中如此低調的科學家，他的成長故事卻如同 “開掛”一般，非比尋常的精彩。

誤打誤撞進入納米研究領域

王中林，生于1961年，陜西高陽鎮人。全國至少有五個高陽鎮，這里是最窮的那個。家里兄妹四人，他是老幺。作為家中最小的孩子，王中林得到了更多照顧。雖然家境不好，但全家人一起努力，給他提供了所能得到的最好教育。他也沒讓家里人失望，小學、初中、高中一直都是第一名。1978年，他考取了西北電訊工程學院（西安電子科技大學的前身），學習物理。

1981年，學校得到了送學生去美國進修的名額，20歲的王中林報了名，但因為英語太差，沒通過。隨后一年，在大姐買的錄音機的幫助下，他惡補起了英語。轉年的第二次選拔，他順利通過，并成為西北五省唯一被錄取的學生。隨后，他選擇了亞利桑那州立大學（Arizona State University）作為目標，因為A開頭的學校排在了列表最前面。可能也是同樣的原因，他投身到了一位名叫考利（Cowley）的教授門下。當時他應該不知道，這位全名叫作約翰·麥斯威爾·考利（John Maxwell Cowley）的教授，是高分辨電子顯微學的祖師級人物。

就這樣，一次撞大運般的選擇，開啟了王中林的科研之路。

起步維艱但依舊開掛

在陽光充沛的鳳凰城，王中林僅用4年時間就拿到了物理學博士學位，而其他人要6年或8年。就這樣，他創造了系里的一個紀錄。讀博期間，王中林順利完成了多個研究課題，從電子顯微學到納米材料表征。這個勤勉的中國人得到了考利的高度贊賞——“不管做什么，王都是最好的”。

隨后的故事卻沒有那么順利。畢業后，王中林首先找到了石溪大學的一份博士后工作。然而，這里的實驗條件太差。他習得了一身屠龍之術，這里卻沒有龍。后來幾經波折，他終于來到了英國劍橋大學，開始了新的研究生活。

可惜，天時地利人和，總是難以湊全。在劍橋，他缺的是人和。

據說，王中林提出的一種理論，與當時的導師觀點上有沖突，但他還是硬著頭皮把文章發表了。“懟”導師這種作死行為自然引起了一系列負面后果。那個導師是本領域的權威，門生眾多。于是，這一派眾人群起而攻之。作為一個剛嶄露頭角的新人，王中林的起步階段無疑是艱難的。

然而，正是在這段灰暗的歲月，王中林硬是實現了他的一個學術小高峰。那個年代，電子顯微學還不成熟，很多研究者都是自成體系，甚至連使用的符號都不統一。實驗受挫的王中林不想虛度光陰。他找來了本領域的所有文獻，用了兩年的時間，將所有這些知識提煉成了一本書。這本名為《電子成像和衍射中的彈性和非彈性散射》的書是他的第一本著作，一經出版就廣受好評，被媒體稱為 “具有卓越成就的經典之作”。

1995年，王中林應聘到了佐治亞理工學院當副教授，從事納米科學研究。

初來乍到，沒有專用的實驗室，只能白天看文獻，晚上蹭別人的實驗室。有些教授歧視他，想用他的啟動經費去買設備，這個倔強的西北漢子當然不能認慫。王中林硬是扛下了這些壓力，用三年時間發表了80多篇論文，并一舉獲得了終身教授席位。隨后，又用了五年，成了佐治亞理工的董事教授 （Regents Professor）。全校數千名教職員工，這個榮譽每年只有兩個名額。以至于后來，系里的其他教授面對王中林時都會感慨：“沒有對比就沒有傷害啊（You make us look bad）。”

然而，故事才剛剛開始。

探究一種不走尋常路的發電方式

隨著時間進入21世紀，筆記本電腦和手機開始占領人們的生活。笨重的電池似乎愈發難以滿足這些精致的電子產品。與此同時，隨著物聯網的發展，微型傳感器得到了大規模應用。這些數以萬計的傳感器比指甲蓋還要小。如何給它們供電，成了一個大問題。

于是，王中林適時地提出了 “自驅動（self-power）” 的這一概念。所謂的自驅動，是指不依靠電池等儲能器件，讓電子產品直接從環境中收集能量。這個概念一經提出立刻引起了學界的廣泛關注。

為了實現自驅動的構想，王中林將目光投向了氧化鋅（ZnO）。氧化鋅這種半導體材料具有很多神奇的特性，而最讓王中林著迷的，就是它的壓電效應。

氧化鋅的晶體結構具有非中心對稱性，在受到外力作用時，材料本身的正負電荷中心會發生分離，產生電場，可以驅動電子移動，從而為外電路供電。

氧化鋅的這種壓電效應早已被人發現，但一直也沒有得到足夠的重視。王中林卻覺得這是塊寶。

2009年，王中林通過一個納米針尖，撥動氧化鋅納米棒，成功輸出了5毫伏的電信號。這種納米級氧化鋅具有很好的柔韌性，即使發生30%的形變都不會破裂，這可以讓壓電效應得到最大程度的發揮。然而，電信號仍然太微弱了。于是，王中林結合他數十年納米領域的經驗，不斷改進設計，最終制備了一種氧化鋅納米棒的陣列結構，再結合精密的電路設計，最終實現了1V的電信號輸出。這個輸出強度已經可以點亮一個小燈泡了。

這似乎還不夠。

2011年，學生在測試一款納米發電機時觀察到了5V的電壓信號。起初大家以為這是一個誤差，因為數值比預想的要高出一個數量級。但王中林覺得這其中應該另有玄機。經過仔細研究，發現是器件中使用到的材料表面比較粗糙，在實驗中封裝不穩，發生了滑動，造成了摩擦起電。問題找到了解答，按理說，故事到這就應該完結了。但是，王中林心中想的卻是：為什么不把這個效應利用起來呢？

經過整整一年的探索，2012年初，王中林團隊終于構建了一個全新的納米器件：摩擦納米發電機。這個裝置可以通過摩擦起電效應和靜電感應效應把微小的機械能轉換為電能。更重要的是，摩擦發電具有史無前例的輸出性能，可以實現高達數千伏的電壓輸出。它既用不著磁鐵也不用線圈，使用的都是便宜的高分子材料。通過小巧的摩擦納米發電機，王中林可以把走路、呼吸、心跳、肌肉收縮等等日常中的零碎能量收集起來，轉換成電能，給手機或者其他設備供電。當初的一個“實驗誤差”，如今已經發展出了一個全新研究領域。正如總是掛在他嘴邊的一句話：“絆倒你的不一定是石頭，可能是個金磚。”

雖然給手機充個電沒問題，但王中林覺得摩擦發電的潛力應該不止于此。他的下一個目標是駕馭海洋——將海浪的能量收集起來，實現人類夢寐以求的“藍色能源（Blue Energy）”。為此，王中林設計了一款基于摩擦發電原理的球狀發電機。這種發電機由一個空心殼層和一個內部球體組成，可以漂浮在海洋上。隨著海浪的沖擊，殼層與內部球體發生相對位移與摩擦，從而產生電流。如果將成千上萬個球體發電機串聯成網絡，將產生數量極其可觀的電能。

就這樣，納米發電機走出了一條從基礎科學到工程設計再到工業技術的“一條龍”路線，這種研究實踐在世界范圍都相當罕見。

不斷升級的科學家人生

在王中林看來，科學家的人生分為三個階段，第一個階段是向世界證明自己的才華;第二個階段是盡力幫助朋友和周圍的人;第三個階段要用自己的知識來為國家和社會作貢獻。他覺得自己已經進入了第三個階段。

2004年，他接受邀請擔任國家納米科學中心海外主任，正式在中國開始了研究工作。2009年，當選最年輕的中國科學院外籍院士。1978到2010年的三十余年間，有近200萬出國留學人員，王中林是他們其中唯一當選的外籍院士。

更大的契機發生在2010年。那年元旦，王中林本打算動身回美國，卻在辦公室桌上發現了一封“院士春節聯歡晚會”的邀請信，也沒多想，他就去了。當晚碰到了中科院白春禮院長。白院長把他拉到一邊，跟他聊了聊中組部想要成立一個納米研究所的計劃。王中林回憶說“如果我改票走了，就沒有之后的事了”。所謂“之后的事”，就是成立了中科院納米能源與系統研究所，以王中林為首席科學家，主要工作圍繞納米發電機和自驅動系統展開。也就是說，整個研究所都是王中林的科研團隊。

王中林的故事，滿足了世人對卓越科學家的所有幻想：天才，勤奮，反抗權威再成為權威。從關中小鎮到名牌學府，從科學理論到產業應用，從個人奮斗到開宗立派，他每時每刻都在展現著巨大的才華和與之相配的野心。

（劉誼人摘自“我是科學家”微信公眾號）