陸春華，光譜世界的“膜”法師

文/金鳳

和往年一樣，2021年暑假，南京工業(yè)大學(xué)教授、材料學(xué)院院長(zhǎng)陸春華沒(méi)有休息，而是選擇留在實(shí)驗(yàn)室。前不久，他購(gòu)置了四塊太陽(yáng)能電池板，將團(tuán)隊(duì)研發(fā)的輻射降溫膜貼在上面，查看這種新材料能否給電池板降溫、發(fā)電量是否會(huì)增加，為下一步的中試做準(zhǔn)備。讓他興奮的是，“貼膜后，太陽(yáng)能電池板每天的發(fā)電量比以前提高了3%到5%”。前不久，陸春華榮獲第二屆“江蘇建材行業(yè)十大科技人物”稱號(hào)。自1998年到2021年，他穿梭于光譜世界，研制防激光玻璃材料、利用光轉(zhuǎn)換促進(jìn)植物生長(zhǎng)、用光催化降解污染物或制氫，將光譜材料的性能發(fā)揮到極致。

燒制出能吸收激光的玻璃

說(shuō)起陸春華的科研故事，就不得不提一塊他心心念念了多年的特殊玻璃。這塊玻璃對(duì)于陸春華來(lái)說(shuō)意義非凡，那是他讀研時(shí)成功燒制的第一塊玻璃。它和其他玻璃一樣晶瑩剔透，不同的是，它被摻入了特殊的離子材料，經(jīng)過(guò)1450攝氏度的高溫?zé)疲罱K冷卻后可以吸收激光。也是從這塊玻璃開(kāi)始，陸春華和光譜材料結(jié)下了不解之緣。

陸春華與玻璃的緣分要追溯到1998年上半年的一天。那時(shí)，在讀研究生二年級(jí)的他，突然接到導(dǎo)師許仲梓的任務(wù)：研制一種國(guó)內(nèi)前所未有的防激光玻璃材料。這是國(guó)內(nèi)急需的一種材料，陸春華毫不猶豫地接下這個(gè)任務(wù)。

可是該從何處入手呢？“當(dāng)時(shí)，對(duì)于這種玻璃材料，我一點(diǎn)概念都沒(méi)有，它的原理是什么、該如何設(shè)計(jì)，沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)。”陸春華說(shuō)。

“一無(wú)所有”的陸春華，選擇從研究文獻(xiàn)做起。他翻遍了當(dāng)時(shí)學(xué)校乃至整個(gè)南京的圖書(shū)館，卻一無(wú)所獲。于是，他又前往北京國(guó)家圖書(shū)館，開(kāi)始了“日出而作、日落而息”的翻閱文獻(xiàn)生活。

當(dāng)時(shí)，陸春華住在大學(xué)同學(xué)單位的會(huì)議室，每天坐著水泥攪拌車，雷打不動(dòng)地第一個(gè)踏進(jìn)圖書(shū)館，最后關(guān)門時(shí)才出來(lái)。十五天過(guò)去了，陸春華翻遍了圖書(shū)館里激光防護(hù)材料方面的文獻(xiàn)，不過(guò)可供借鑒的文獻(xiàn)幾乎沒(méi)有。

即便如此，陸春華仍未放棄，他回到學(xué)校后，決定從最基礎(chǔ)的顏色玻璃開(kāi)始學(xué)習(xí)。“需要吸收的激光波長(zhǎng)是確定的，我就開(kāi)始以此著手，不斷地嘗試哪種離子可以吸收該波段的激光。”陸春華說(shuō)。

此后一年半時(shí)間，吃、住都在實(shí)驗(yàn)室的陸春華，大約試了幾乎所有能吸收光的金屬離子材料，包括二十余種具有多種價(jià)態(tài)的過(guò)渡金屬與稀土離子。

直到1999年年底的一天，實(shí)驗(yàn)室的顯示屏上保持了一年多的直線“急轉(zhuǎn)直下”，材料顯示出良好的激光特征吸收屬性，陸春華終于燒出一塊可吸收激光的玻璃。突破性的進(jìn)展讓陸春華喜出望外，他一鼓作氣，通過(guò)調(diào)整材料的配方和制備工藝，滿足了項(xiàng)目要求萬(wàn)分之一透過(guò)率的嚴(yán)苛要求。

發(fā)明可輻射制冷的納米功能膜

“你想做什么課題？”讀研究生時(shí)，導(dǎo)師許仲梓曾拋給陸春華這個(gè)問(wèn)題，他毫不猶豫地回答：“想做有挑戰(zhàn)性的課題。”實(shí)際上，在陸春華的科研生涯中，“挑戰(zhàn)性”從未缺席。成為碩士生、博士生導(dǎo)師后，陸春華有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生迎接挑戰(zhàn)的能力。

陸春華所在的課題組最初的研究對(duì)象是玻璃質(zhì)材料。2012年，他突然有個(gè)特別的想法：是否可以將玻璃體系設(shè)計(jì)思路拓展到陶瓷基體上去？

“玻璃燒到1400攝氏度已經(jīng)是液體了，但是陶瓷在1700攝氏度還是固體，其顯示出更強(qiáng)的耐高溫、抗激光性能。”基于這一現(xiàn)象，他發(fā)明了一種新型防激光透明陶瓷，隨即申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利，學(xué)院傳統(tǒng)的研究領(lǐng)域也得以進(jìn)一步拓展。

在課題組研究人員倪亞茹眼中，陸春華永遠(yuǎn)有冒不完的想法和使不完的勁。激光吸收材料研制成功后，好奇心又驅(qū)動(dòng)著陸春華去做更多的拓展：材料吸收光后積累了大量的熱，影響性能怎么辦？材料吸收的光能否被直接轉(zhuǎn)換成光而不是熱？

“想到之后，更重要的是做到。”陸春華說(shuō)。

2009年，在做光的選擇性吸收研究時(shí)，陸春華開(kāi)始嘗試做光譜的選擇性反射與吸收輻射一體化功能材料。

“夏季很多建筑物環(huán)境溫度高，需要空調(diào)制冷，消耗了大量能源，我們就想研發(fā)一種降溫材料，讓它既能反射太陽(yáng)光，又能通過(guò)大氣窗口輻射紅外線，但最大的難點(diǎn)在于一種材料表面，難以同時(shí)具備這兩種優(yōu)質(zhì)的光譜特性。”陸春華說(shuō)。

帶著一屆又一屆的碩士生和博士生，通過(guò)近十年的艱苦研究，他成功將材料的內(nèi)部熱能通過(guò)紅外選擇性熱輻射方式向外傳輸，發(fā)明了太陽(yáng)光下可以“輻射制冷”的納米功能膜。由于利用了材料特殊分子組成和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了熱能的輻射轉(zhuǎn)移，其能耗為零。該成果申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利五項(xiàng)，在新型建筑用內(nèi)置百葉門窗系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)方面取得了階段性重要突破。

近些年，陸春華研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的輻射降溫功能膜已走出實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)了人們的日常生活。百葉窗、食品包裝袋、化學(xué)儲(chǔ)物罐都被施了“膜法”。

具有“治愈力”的導(dǎo)師

陸春華課題組的研究生陳明學(xué)，前不久在寫(xiě)關(guān)于輻射降溫材料的畢業(yè)論文。在讀研究生一年級(jí)時(shí)，陳明學(xué)就開(kāi)始跟著陸春華研制輻射降溫材料，降溫材料效果雖然已經(jīng)很明顯，但是卻“卡”在了最后一個(gè)環(huán)節(jié)上：如何將幾個(gè)微米厚的降溫涂層牢牢地結(jié)合到作為基底的PET鍍鋁膜上。

由于這張膜非常柔軟，極難貼合，陳明學(xué)多次想放棄，但關(guān)鍵時(shí)刻陸春華鼓勵(lì)他“不要放棄，一定可以成功”。最終，陳明學(xué)在經(jīng)歷“絕望五十天”后，迎來(lái)了勝利的曙光。

公派留學(xué)的博士生代寶瑩也有過(guò)類似的經(jīng)歷。2015年，陸春華帶著她研究如何通過(guò)太陽(yáng)光光催化材料的氧化還原反應(yīng)，降解有機(jī)物污染物，從而保護(hù)環(huán)境。

起初，代寶瑩對(duì)該課題毫無(wú)頭緒，此項(xiàng)研究一度令她極其痛苦。“走投無(wú)路”時(shí)，她會(huì)找陸春華聊一聊。

陸春華曾啟發(fā)她：“太陽(yáng)光中含有紫外光、可見(jiàn)光和近紅外等不同波長(zhǎng)的光子，它們能量大小不同，但人們現(xiàn)在利用較多的是紫外光、近紫外光，很多可見(jiàn)和近紅外光無(wú)法利用。我們能否吸收利用所有的太陽(yáng)光，并利用風(fēng)能、水流動(dòng)形成的機(jī)械能，提升材料的光催化性能，進(jìn)而更好地降解有機(jī)污染物呢？”

“陸老師總是有很多奇思妙想，開(kāi)導(dǎo)我、激勵(lì)我，很有治愈力。”代寶瑩說(shuō)。

在陸春華的啟發(fā)下，代寶瑩從藤蔓植物中找到了靈感，她將壓電復(fù)合材料設(shè)計(jì)為螺旋結(jié)構(gòu)，使其在風(fēng)、水流等自然流體介質(zhì)作用下發(fā)生變形產(chǎn)生壓電勢(shì)，從而提供能量驅(qū)動(dòng)自修復(fù)內(nèi)建電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了光催化效率的持續(xù)提升，相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》《先進(jìn)功能材料》等學(xué)術(shù)期刊上。

不久前，陸春華自制了一塊紅色透明玻璃，在他看來(lái)，每一塊玻璃都有著同樣的使命：不斷鞭策激勵(lì)自己。他滿懷憧憬地說(shuō)：“永遠(yuǎn)有更好的材料等著科研人員去開(kāi)發(fā)。”

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