石墨烯上天籟“聲”

冉開梅 馮驛馭

對“重慶英才·青年拔尖人才”、重慶大學(xué)博士生導(dǎo)師陶璐琪來說，他的日常就是穿梭于兩個世界。

一個世界是學(xué)術(shù)的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模脤?shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)和理性構(gòu)筑，在這個世界里，他不動聲色地積蓄著能量，朝著他心中的“珠穆朗瑪峰”不斷攀登向上。

另一個世界是生活的、平和的，用真心、耐心和感性構(gòu)筑，在這個世界里，他會自掏腰包督促學(xué)生健身，也會為了指導(dǎo)學(xué)生完成學(xué)術(shù)項(xiàng)目而不眠不休。

科研與教學(xué)，兩個世界交叉重疊，互相支撐。在陶璐琪看來，科研就是探索未知的世界，注定一路艱難，如果不保持良好的心態(tài)則難以取得成功，而教學(xué)則是一群志同道合的人走到一起，互相學(xué)習(xí)，一起在前進(jìn)的道路上不斷鉆研探索。

新星

“二下五去三、三下五去二、四下五去一……”在陶璐琪的印象中，童年生活給他留下的最深印象便是父親敲擊算盤時的口訣和算珠碰撞的清脆響聲。

那時，陶璐琪的父親是一名會計，業(yè)余時間喜歡把陶璐琪和鄰居家的孩子召集在一起，坐在院子里的大樹下，給他們講解數(shù)學(xué)運(yùn)算。

起初，一有空閑孩子們就搬著小板凳在院中等著聽課，可隨著新鮮感的消失，小朋友們一個個對加減乘除失去了耐心，轉(zhuǎn)而跑去追逐打鬧。只有性格安靜的陶璐琪留了下來，認(rèn)真聽著父親講數(shù)學(xué)知識。

嬉戲聲不斷在耳畔回響，身處這樣的喧鬧中，陶璐琪仍能靜心學(xué)習(xí)。這份心無旁騖的認(rèn)真勁兒讓陶璐琪在成長的道路上受益良多，以至于從小學(xué)一直到本科畢業(yè)，他的成績始終名列前茅。

2011年，因?qū)W習(xí)成績出色，陶璐琪成為清華大學(xué)微納電子系的直博生。從大四下學(xué)期在清華校園里做畢業(yè)設(shè)計開始，陶璐琪就踏上了他的科研之路。

“其實(shí)那時對于科研的概念并不清晰。”陶璐琪覺得，最初接觸科研時，他感覺到更多的是前進(jìn)道路上的未知和迷茫。

盡管有些不知所措，但陶璐琪依舊樂觀。他想著，不如先打好基礎(chǔ)，積累經(jīng)驗(yàn)，專注做好手頭的工作。

他的師兄兼室友田禾跟他在同一個實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。“師兄做事非常較真，連打游戲都要用科研的態(tài)度對待。”陶璐琪說，在師兄的影響下，他慢慢適應(yīng)了各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

科研的未知漸漸露出可愛的一面，陶璐琪開始“上道”了。

讀博第一年，陶璐琪將全部時間花在了做監(jiān)測水質(zhì)中氮磷鉀元素的研究上，并成功申請了專利，還順利成為課題組中水質(zhì)檢測研究方向的開創(chuàng)者。讀博第二年，在水質(zhì)檢測領(lǐng)域有了一定成就的陶璐琪又更換了研究方向，走向了石墨烯聲學(xué)研究。

變更研究方向，這意味著之前的努力將前功盡棄。

“你就放心大膽地做吧，課題組在這方面已經(jīng)有20多年的研究經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)出了很多聲學(xué)器件，而且近年來導(dǎo)師又研發(fā)了基于納米材料的新型聲學(xué)器件。樹都給你栽好了，你澆水就行了，肯定能開花結(jié)果。”田禾的一番話，讓陶璐琪決心沉下心來，專心從事石墨烯聲學(xué)研究。

攀登

石墨烯聲學(xué)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整的參數(shù)非常多，且相關(guān)的支撐理論不完善。為了豐富理論儲備，陶璐琪在一年內(nèi)學(xué)習(xí)了1200余篇文獻(xiàn)，但是做實(shí)驗(yàn)的過程仍然十分艱難。

“最大的干擾要數(shù)樓下的微納加工平臺發(fā)出的排風(fēng)噪音。”陶璐琪回憶。為了躲避噪音，他拉著30公斤重的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，跑到校外一家公司的消音室做實(shí)驗(yàn)，這樣堅持了大半年，卻收效甚微。

“感覺進(jìn)入了瓶頸期，單靠個人能力無法再繼續(xù)推動石墨烯聲學(xué)研究了。”陶璐琪找到導(dǎo)師求助，希望換換思路。

“大膽去做吧！我相信你，一定能出大成果的。”導(dǎo)師給予了陶璐琪充分的信任和支持。

但接下來的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)中，測試結(jié)果同樣不理想。“數(shù)值在某個頻段會出現(xiàn)異常跳變。”陶璐琪說，他和團(tuán)隊(duì)對實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的設(shè)備逐一進(jìn)行了細(xì)致排查，也未能發(fā)現(xiàn)任何可能導(dǎo)致故障的蛛絲馬跡。

詭異的現(xiàn)象讓實(shí)驗(yàn)進(jìn)度停滯不前。但在一個毫無征兆的深夜，忙碌了一天的陶璐琪正準(zhǔn)備下班休息，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室設(shè)備前，他突然想再測試一次。就在這時，聲學(xué)設(shè)備的“嗡嗡”聲又響了起來，四下寂靜的環(huán)境里，這響聲格外清晰。顯示屏上，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線規(guī)律地呈現(xiàn)在了陶璐琪眼前，他觀測到了一個近乎完美的測試數(shù)值，和理論預(yù)想一模一樣。

測試結(jié)果不理想的根源終于找到了，源自白天其他儀器設(shè)備發(fā)出的超聲噪音！無數(shù)個深夜的苦思冥想，在這一刻豁然開朗。

“那時幾乎每天都在凌晨1點(diǎn)左右回宿舍，然后寫文章到4點(diǎn)左右。”陶璐琪笑著說，自己每天都能保證4個小時的“充足”睡眠。

科研的艱辛也讓陶璐琪發(fā)現(xiàn)了一個規(guī)律——有的科研成果源于無數(shù)精心構(gòu)思的設(shè)計，有的則源于偶然乍現(xiàn)的靈感，而科研工作者必須具備的，就是把這種靈感轉(zhuǎn)化為學(xué)術(shù)成果的能力。

突破

乍現(xiàn)的靈感加上深厚的沉淀，讓陶璐琪在科研道路上走得越來越得心應(yīng)手。

在一次研究團(tuán)隊(duì)的會上，陶璐琪為新同學(xué)介紹師兄田禾研發(fā)的石墨烯狗用耳機(jī)。這種耳機(jī)以石墨烯為材料，可以發(fā)出犬類能聽到的超聲，從而實(shí)現(xiàn)人與犬類通信。

“這樣一來，豈不是我們也能聽懂狗說的話了？”交流過程中，一位新同學(xué)發(fā)問。

這個問題讓會議氣氛變得輕松起來，大家當(dāng)成玩笑一笑了之。但陶璐琪卻反復(fù)思考這個問題——既然能向狗發(fā)送它們聽得懂的信號，那么是不是也可以嘗試?yán)斫夤方o出的信息？同理，能不能做一個基于石墨烯材料的翻譯器，去翻譯一些對人來說聽不懂的語言，比如聽力和語言障礙的患者發(fā)出的“咿咿呀呀”的嗓音。

“科研結(jié)果能應(yīng)用到社會，切切實(shí)實(shí)地為人們的生活帶來便利才是最接地氣的。”陶璐琪說，以這一思考為基礎(chǔ)，2017年，他把研究目標(biāo)鎖定在了“智能石墨烯人工喉”上。

當(dāng)時，陶璐琪所在的課題組發(fā)現(xiàn)了一種名為“多孔石墨烯”的材料，該材料具備適配人體、能發(fā)出聲音的特性。由此，課題組成員們想到利用多孔石墨烯材料的優(yōu)勢，制造一種收發(fā)同體、適合穿戴的集成聲學(xué)器件。

這種集成聲學(xué)器件，利用石墨烯的熱聲效應(yīng)來發(fā)射聲音，其多孔結(jié)構(gòu)對壓力也極為敏感，能夠感知發(fā)聲時喉嚨處的微弱振動，可以通過石墨烯的壓阻效應(yīng)接收聲音信號。因此，這種器件能夠準(zhǔn)確感知聾啞人低吟、尖叫等特殊聲音，同時將這些“無含義聲音”轉(zhuǎn)換為頻率、強(qiáng)度可控的聲音，并有望在將來轉(zhuǎn)換為預(yù)先錄制的語言。

“研究需要基于聾啞人自己的發(fā)聲特點(diǎn)，將不同強(qiáng)度和不同頻率的低吟、尖叫音進(jìn)行排列組合，形成聾啞人的‘語言編碼。”陶璐琪表示，每個聾啞人編碼后的發(fā)音，就像鍵盤上的字母，通過不同排列組合，可以表達(dá)出連續(xù)、完整的語義。

此后，這項(xiàng)成果榮獲2017年“中國十大重大技術(shù)進(jìn)展”以及首屆中國國際智能產(chǎn)業(yè)博覽會十大“黑科技”創(chuàng)新產(chǎn)品。

初心

“來重大，繼續(xù)做科研吧！”2018年夏天，陶璐琪隔三岔五就會收到博士時期的師兄、重慶大學(xué)光電學(xué)院教授陳顯平發(fā)來的訊息。

彼時，重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院成立了協(xié)同創(chuàng)新中心，急需招聘科研人才。擔(dān)任協(xié)同創(chuàng)新中心主任的陳顯平第一時間便想到了陶璐琪。

“我們一直強(qiáng)調(diào)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，但一些新技術(shù)的轉(zhuǎn)化周期會比較久，落地比較困難。”2017年底，陶璐琪暫停科研工作去企業(yè)發(fā)展，但師兄的訊息，又把他的思緒從企業(yè)工程師“拉”回到了當(dāng)初那個實(shí)驗(yàn)室的少年身上。

“比起到企業(yè)工作，我還是更癡迷于做研究。”陶璐琪覺得，科研工作者通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，去窮盡每一種可能，獲取一些微小的進(jìn)步與全新的發(fā)現(xiàn)，是非常有意義和價值的。

終究，時光的積淀捂不住陶璐琪投身科研的心。2018年10月，陶璐琪來到重慶大學(xué)，任能源互聯(lián)網(wǎng)及智能裝備重慶市協(xié)同創(chuàng)新中心副主任，又一次開始了全新的研究。

工作的環(huán)境和崗位變了，做研究的初心沒有變，陶璐琪始終聚焦解決“人的問題”。

細(xì)心的陶璐琪發(fā)現(xiàn)，諸如心血管疾病、睡眠呼吸暫停綜合征等疾病死亡率居高不下，這類疾病死亡率較高的主要原因是病情發(fā)生后缺乏及時的預(yù)警措施，致使病人無法采取預(yù)防手段，進(jìn)而錯過最佳治療時機(jī)。

能否開發(fā)一款集集成檢測和報警功能于一體的電子器件來解決這一問題？

于是，經(jīng)過反復(fù)研究，2019年底，陳顯平與陶璐琪團(tuán)隊(duì)便提出了這種監(jiān)控預(yù)警于一體的呼吸預(yù)警類新型電子器件構(gòu)想。

“倘若患有睡眠呼吸暫停綜合征的患者睡著睡著突然呼吸中斷了，這個器件便會通過呼吸氣流對沖到傳感器件上，以此發(fā)出警報預(yù)警。”陶璐琪表示。

該方法將檢測和報警功能集成在一個器件中，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，為傳感器的多功能集成開辟了一條新的途徑。也正是基于此，相關(guān)論文一經(jīng)發(fā)表便引發(fā)強(qiáng)烈反響。

引領(lǐng)

1月8日，重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室，陽光透過玻璃照射進(jìn)來，堆滿器材的屋子里一片明亮。

此時，陶璐琪正帶著學(xué)生檢測其制作的器件，四五個人湊在一起聆聽著小紙條般大小的器件上發(fā)出的“吱吱”聲。

在學(xué)生心里，陶璐琪是個“年輕帥氣大哥哥”，和他在一起時絲毫沒有隔閡。

李穩(wěn)是陶璐琪指導(dǎo)的博士研究生，她到現(xiàn)在還記得報考博士時的情景。由于在深圳工作加之報考信息提交很晚，李穩(wěn)抱著試一試的心態(tài)在凌晨向陶璐琪投遞了郵件。

“沒想到幾分鐘后就收到了回信。”李穩(wěn)頓時覺得，秒回信息的導(dǎo)師一定很靠譜。

不久后，這種靠譜便得到進(jìn)一步驗(yàn)證。在一次項(xiàng)目申報材料的制作過程中，幾十頁的PPT里，有一頁上的一段文字字體格式不一樣，這個不起眼的細(xì)節(jié)被陶璐琪發(fā)現(xiàn)了。整個材料制作過程中，陶璐琪親力親為幫學(xué)生查閱資料、改訂格式，正是這種嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的態(tài)度，帶動學(xué)生們養(yǎng)成了一絲不茍的工作習(xí)慣。

在陶璐琪看來，做科研不僅需要一絲不茍的工作態(tài)度，同時還需要強(qiáng)健的體魄。他不僅每天要跑步數(shù)公里，還對學(xué)生們提出了特別的鍛煉要求。

“清華大學(xué)的口號不是為祖國健康工作50年嘛。”陶璐琪要求學(xué)生們要經(jīng)常鍛煉身體。

“陶老師要求我們每周去健身房拍照打卡不得少于兩次，如果堅持半年，就給我們報銷一半的辦卡費(fèi)用，如果堅持了一年，就報銷全部費(fèi)用。”學(xué)生孫豪不好意思地說，陶老師的確是天天都去跑步，但自己還是沒能堅持周周去健身房。

從找尋聾啞人“開口說話”的方法到探索解決呼吸預(yù)警的健康問題，從學(xué)生日常生活的好朋友到學(xué)生科研道路的引導(dǎo)者，陶璐琪始終引領(lǐng)著他的團(tuán)隊(duì)不斷向前。

“我們要把那些對社會有影響力的事放在第一位，不要去做浮躁的事情。”陶璐琪覺得，做出真正有影響力的科研成果才是最實(shí)在的事。