404 梦想在表面和材料科学之间架设一座桥梁:对话北京大学化学与分子工程学院吴凯教授 - Materials Views 中国

梦想在表面和材料科学之间架设一座桥梁:对话北京大学化学与分子工程学院吴凯教授

wukaiMaterialsViewsChina: 你最近的研究兴趣点是什么?有什么新的研究成果吗?

我目前正在开展表面与材料科学方面的研究。当然,这两个领域的范围都很广,一个人的研究不可能同时覆盖这两个领域,所以我的研究方向其实是很窄的。

在表面科学领域,我研究单晶表面功能小分子的吸附、扩散、组装、活化以及反应。我主要利用现代表面科学技术,特别扫描探针显微镜(SPM),在原子和分子水平上研究表面现象。我们的目标之一是通过设计人工表面结构或利用规整表面的周期性势阱来控制某些表面过程。我这里所说的“控制”是指我们可以借助化学或物理手段来引发或触动表面的某一过程。

在材料科学方向,我的研究集中在两个方面:固体表面纳米材料的合成以及纳米晶体的表面性质。表面在纳米科学中有着举足轻重的作用。

一方面,大多数的纳米材料都需要基底来支撑。这就决定了制备的纳米材料可能在某种程度上与基底发生相互作用。这可能会改变纳米材料的性质。同时,基底上合成的纳米材料可能受到基底表面的强烈空间限域作用。因此,我想探索出一些在表面上制备纳米材料的新方法。我们一直在利用固体模板的表面来控制纳米材料的生长。一个例子就是阳极氧化铝(AAO)模板。我们可以利用这种多孔模板的内外表面来合成各种类型的纳米结构,例如二维纳米网、一维纳米线或纳米管阵列。

另一方面,我想研究纳米晶体的表面性质。目前来说这还是一件比较困难的事情。众所周知,体材料具有非常明确的物理性质,这些性质与体材料的尺寸无关。但是对于纳米材料来说,只要发生纳米尺寸的变化,就可能导致该纳米材料呈现出很多新的性质。这些纳米材料呈现的新性质主要来自两个方面:表面和量子效应。当材料尺寸变小时,越来越多的原子就会在表面上暴露出来。原先被体材料淹没的表面性质就会占据主导地位。同时,因为电子在空间上被限制在纳米结构的量子阱内,材料的物理性质可能会被量子化。这两方面让大家普遍认为,纳米结构尺寸的变化是调节功能材料的光、电、磁性质的最有效手段之一。为了探究纳米晶体的表面性质,我们必须利用表面科学技术。但是大部分表面科学技术只能方便而有效地适用于大尺寸的导电单晶体,对于纳米晶体材料来说却是比较困难的。例如在一个典型的实验中,我们必须利用离子轰击技术来清洁表面,然后退火使得表面重新规整化,并让样品变为导电。由于通常环境下制备的纳晶大多都太小太脏,很难对这些纳晶进行处理。

我的一个梦想就是希望能够在表面和材料科学之间架设一座桥梁。特别地,我很想将各种表面科学技术直接运用到纳晶研究中来,这样就可以在原子和分子水平上来揭示纳晶的表面物理化学特性。

我对我们过去几年开展的两项工作感到自豪。这要感谢我的同事和优秀的学生们一直以来的辛苦努力。

一项工作是利用在多孔模板上制备出图案化的结构。在AAO模板上,我们利用锌蒸汽、残留的氧或水以及氧化铝之间的界面反应成功地合成了无缝连接的铝酸锌纳米管阵列/纳米网复合结构。这个铝酸锌纳米网可以作为一个缓冲层来外延生长氧化锌纳米网。由泵浦激光器激发的氧化锌纳米网可以发光,发出的光在空间上被约束在表面法线的方向周围。利用这一界面反应生长法,我们还制备出了一系列的多孔膜(纳米网),包括氧化物、复合氧化物和金属纳米网。

另一项工作是我们成功地在金表面实现了间苯三甲酸(TMA)的表面组装结构的逐步控制。我们证实这种组装体系具有一种数学美。TMA分子之间只能形成两种氢键,即二聚体氢键和三聚体氢键。所有的TMA组装结构都是由这两种纯的二聚体氢键和三聚体氢键按照特定的比值混合而成。这一系列的TMA组装结构都是六方多孔网络结构,其孔径和对称性不会发生改变,但是它们的孔间距可以以0.91 nm的步进值来逐步调控。虽然目前世界上很多人都在开展表面组装的研究,但是还没有别人能实现这样的组装可控性,所以我很喜欢这项研究。如果允许我吹一次牛的话,我相信这是一个教科书式的范例。

MVC: 您的研究资金主要从何而来?

我的研究资金主要来自政府机构,例如国家自然科学基金委员会、科技部、教育部以及北京大学。幸运的是,我的研究经费状况还不算坏。

从国家自然科学基金委员会,我得到了面上、重点和国家杰出青年基金项目,以及创新群体和国际(地区)交流合作等项目的资助。从科技部,我的研究主要得到了国家重大基础研究计划的资助,即“973”项目。在这些项目中,我是子课题的项目组长(PI)或主要参与者。因为我又属于北京国家分子科学实验室(我国首批六个国家实验室之一),我也能从科技部得到一部分国家实验室运行经费的支持。从教育部,我得到了“985”、“211”和“111”计划的部分资助。实际上,在我们学院,基本上每个课题组长都可以得到这些计划的部分经费支持。在受聘为北京大学教员后,我从北京大学得到了一笔启动经费来建设我的实验室。有时我也可以从北京大学得到一些小的经费支持。

MVC: 在您的研究中,您面临的主要困难是什么?

主要的困难是如何吸引优秀的学生、博士后和合作者。因为大部分优秀的学生和博士学位获得者毕业后都选择出国,所以我们很难招到优秀的青年科学工作者。另一方面,我所从事的表面科学研究在国内是很窄的,因此没有多少机会能够找到可以合作的同事在同一领域工作。

MVC: 您的短期研究计划和长期研究计划是什么?

我的研究计划很简单。短期来说,我希望能完成我的在研项目。表面科学就像是一个吃钱的机器,我必须找到更多的经费来添购我们研究所需的设备。长远来说,我希望能够集中精力从事我认为好的科学研究。我将努力尝试在表面科学和纳米材料之间架设一座桥梁。在传统的表面科学中,元素周期表中所有的单晶都已经被人研究过了。人们必须寻找新的研究方向。我相信纳米晶体能够为表面科学工作者打开一扇新的窗户,因为人们现在可以制备出数不胜数的新型纳晶材料。

MVC: 您如何看待中国的科学和技术评估政策?

现行的评估政策让人有些无所适从。各级管理部门喜欢将一名科学工作者的学术成就进行量化,这在我看来怪异而荒谬。我们缺乏足够的高标准的同行评议者参与评估,同行评议在国内还比较困难。原则上,让国际同行评议者来参与评估应该是较容易的,但是因为一些未知的原因,国内还未能成功地建立起这样的制度。人们存在互不信任的倾向(我觉得这是文化大革命的直接恶果),管理部门就转而采用一些奇怪的指标体系。其中最有名的要数由美国科学信息研究所创建的科学引文索引(简称SCI)体系。在学术圈,它又被戏称为“愚蠢的中国指数”。这一索引体系给每一份学术期刊计算出一个影响因子(IF),认为影响因子越高,期刊的质量就越好。于是我们的一些管理部门就简单地采用SCI数值来评判一个科学工作者的优秀程度。如果运用恰当,这一索引体系也不是那么糟糕,问题是在国内有时它被当作一个绝对的评估指标。几乎国内所有的研究机构都将这一指标与科学工作者的晋升、研究经费、奖励、甚至薪水挂钩。它的影响力是如此强大,以至于人人都想在高影响因子的期刊上发表论文。结果是,从国内投出去的稿件充斥了世界上的每一份期刊,有些研究者和学生就玩这种逐刊投稿的游戏。结果这样的行为殃及池鱼。就我所知,现在很多国际性期刊建立了预审制度来筛选稿件,特别是针对来自中国的稿件。有时候,中国科学家被要求担任地区编辑来进行稿件预审,但是一些人拒绝这么做,因为这相当于要这些学者在他们的中国同事背后捅上一刀。所以这项工作执行起来还很困难。

具有讽刺意味的是,现在SCI在国际上也热闹起来。例如去年访问澳大利亚时,我在一家著名的大学里看到了一份年报,里面的每一篇论文都标上了影响因子,精确到小数点后三到四位,这让我很震惊。最近来访的一位澳大利亚同事告诉我,澳大利亚的一些资助机构现在倚重于影响因子来评估每一位申请人的基金申请。据我所知,SCI热已经刮遍了亚洲、北欧、甚至美国。国际学术界正变得日益疯狂,没有人知道以后会发生什么。我能说的就是,好坏你都必须和它相伴而行。

当然,中国有些研究机构现在也开始引进国际上的评估体系对他们的雇员进行评估,这还是很鼓舞人心的。但愿中国的评估政策将来会更加完善。同时,我也希望科学能够回到正确的轨道上来。

MVC: 您能大致的介绍一下中国在材料科学领域内的研究吗?

a) 最热门的研究领域是什么?

大家很容易跟风研究,这很像追逐时尚。在材料科学领域,分子器件、石墨烯、纳米催化剂(结构敏感催化剂)、电子自旋学和分子电子自旋学、分子磁体、拓扑绝缘体、超导体、信息存储、能量转换材料、自清洁材料和仿生材料等都是热门的研究领域。

b) 什么将会是最热门的研究领域?

坦白地说,我无法预测什么会是最热门的研究领域。以我的观察来看,那些能在高影响因子期刊上发表的研究肯定会是热门的。

c) 哪个研究机构/学校将成为领导者?

你这是让我恭维一些领跑者而得罪其他人。但是我想我如果说北京大学、清华大学和中国科学院是国内材料领域内的三家顶尖研究机构应该比较靠谱点。

d) 中国的最强项是什么?

纳米制备应该是中国的强项。原因在于我们有很多优秀的人才,而且一般纳米制备不需要很昂贵的仪器。

e) 哪些是会发展迅速的弱项?

将纳米材料加工成纳米器件,发明新的工具和仪器来测量纳米材料的性质在中国目前还比较弱,但它们未来应该会发展得很快。

f) 您对中国的材料科学还有什么看法?

我坚信那些默默地、系统地从事科学研究的科学工作者最后终会成就卓著。而那些在材料科学领域内追求时尚的人最后会竹篮打水一场空,因为他们只知道随波逐流,现在流行什么就研究什么,不知道如何评判研究的好坏。但是,对那些默默无闻勤奋工作的科学工作者来说,他们的生活不会轻松,因为大部分的研究经费流向了那些追求时尚的人。在眼下的中国,这帮人在游戏中占据了有利地位。

MVC: 您有国际合作项目吗?您如何评价您的国内合伙人和国际合作者?

是的,我有国际合作项目。我因为刚刚开始一项国际合作项目,我还无法对我的国际合作者做出评价。但是我在国内有很多合作者,他们都很棒,给了我很大的帮助。例如在分子自组装研究中,我们需要很多不同结构的分子,可是我不会合成这些分子,而我的一些从事有机化学研究的同事帮了我们的大忙。这样的合作真是神奇而美妙。

MVC: 您能预测一下未来10年您研究领域的世界发展趋势吗?

人们也许可以在原子和分子水平上来控制表面反应。人们可以将分子切成碎片,然后将这些碎片重新拼凑起来或者重组为新的分子。许多在溶液中不能进行的反应现在有可能在表面进行。催化中的活性中心概念可能会被颠覆。我相信新的“活性区域”将会取代“活性中心”一说,“体相”催化这一新概念也可能会出现。目前,大家都认为催化反应只在表面上发生。在我看来,这种想法值得怀疑,也可能是错误的。从物理学上来说,一个体系的电子性质和能量决定了分子能否被该体系所活化。如果我们能设计出不同的结构具有相同的电子性质和能量分布,目标分子就可能被活化,进而打开某一特定的反应通道。从这个意义上来说,电子性质和能量是来自表面还是体相没有什么区别。因此,体相催化是有可能实现的。问题是如何设计出这样的目标结构。如果能够控制表面反应,那么人们就可以很容易设计出无数性质各异的材料用于新的电子学、光子学、等离子基元学、电子自旋学、催化、捕光、信息存储、能量转换、生物合成等等。到那时,我们现在看到的世界将会改变。

吴凯简介

吴凯于1987年获得浙江大学化学学士学位,并于1991年获得中国科学研究院大连化学物理研究所物理化学博士学位,师从已经去世的郭燮贤院士。其后,他在大连化学物理研究所的催化基础国家重点实验室工作,任助理和副研究员。他分别于1995年跟随Gerhard Ertl教授在德国马普学会Fritz-Haber研究所和1998年跟随James P. Cowin博士在美国能源部太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)从事博士后研究。2000年底他受聘于北京大学,现为该校的一名化学教授。2003年至2006年期间,他曾担任北京大学物理化学研究所的所长。他现在是北京大学化学与分子工程学院的副院长。他是四份中国化学期刊和《Advanced Functional Materials》期刊的编委或顾问编委。他一直从事表面科学的研究,致力于研究表面催化、表面电化学、分子的表面组装与反应、有机玻璃体中的离子溶剂化、水油界面的离子迁移、与电子自旋相关的现象、以及表面功能材料与结构。

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