WILEY 人物访谈——浙江工业大学曹澥宏教授

“处处有科研,时时有生活”

科研,始终是一个探索的过程,永远不知道哪里有挫折,哪里是终点,也许非到山重水复疑无路之困境,不遇柳暗花明又一村之欣慰。把科研看作生活的一个侧面,把科研与生活紧密的结合在一起,也许会拥有更多面临困境的勇气,也许会拥有对科研的更多热爱。本周的Wiley人物访谈,我们访谈一位优秀的青年科学家——曹澥宏教授。这是一位十分热爱生活的青年人才,也是一位“海边捡贝壳的孩子”。下面,我们一起跟随曹教授的科研历程,感受他对科研、更对生活的热爱之情。

人物简介

曹澥宏,浙江工业大学教授,博士生导师,高等学校化学研究客座编辑Chinese Chemical LettersSmartMatRare Metals青年编委。2008年本科毕业于浙江大学高分子专业。2013年博士毕业于新加坡南洋理工大学材料专业(导师:张华教授)。2015年加入浙江工业大学,材料科学与工程学院。主要研究方向是组装结构电极材料及其能源与水处理应用,相关成果发表在Chem. Soc. Rev.Angew. Chem. Int. Ed.Adv. Mater.等学术期刊,被他引12000余次,入选“全球高被引学者”(科睿唯安,2018-2020年)。主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金杰青项目等科研项目。

纳米材料

MVC:能否请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作呢?您对哪些研究方向比较感兴趣呢?

曹澥宏(以下简称CXH:我们课题组的主要研究是低维纳米材料的制备与可控组装结构,并探索其在新能源存储与转换器件中的应用。我对纳米材料的可控组装方法及原理,组装结构电极材料的储能增强机制相关的研究感兴趣。

MVC:纳米材料的维度(纳米颗粒、一维纳米线、二维纳米片、三维结构),对材料性质、应用场景有怎样的影响呢?

CXH:纳米材料是一类至少有一个维度的尺寸小于100 nm或由它们作为基本单元构筑的材料,其神奇之处在于跟原来的块体材料相比,它的性质可能会发生巨大的转变。纳米材料的“维度关联特性”是其不同于块体材料的一大特色,当同一种纳米材料的维度改变时,其特性也会变化。我们一直对石墨烯的组装结构感兴趣,当这种二维的纳米材料被合理地设计并制备成一维石墨烯纤维、三维石墨烯宏观电极时,不仅石墨烯的本征物性被部分保留,还产生了新的功能,拓展了石墨烯的应用,例如可穿戴电池、传感器等。

MVC:石墨烯是一种广为研究的二维材料,在化学储能及转化应用中,可以通过哪些手段让其充分发挥其作用呢?

CXH:二维材料通常具有较高的表面能,纳米片会趋向团聚以降低表面能。石墨烯是研究最广的二维材料,在作为能源器件的电极材料时最大的问题就是易堆叠和团聚,在微观结构中产生“Dead”体积,降低活性位点的利用率,无法充分发挥二维材料高比表面积的优势。就此问题,领域同行已经做了较多的探索,总的来说,我认为石墨烯在能源存储与转化中的作用可分为两大方面:第一、花朵,石墨烯作为活性组分。通过抑制其堆叠和团聚,结合缺陷引入、杂原子掺杂、表面功能化修饰等手段,能提升石墨烯在超级电容器、电催化、金属空气电池、锂基电池等应用中的性能。第二、绿叶,石墨烯充当非活性组分。石墨烯可以作为电极材料的导电剂,在复合电极材料中,石墨烯也可以作为兼具机械韧性和导电性的功能外壳,缓和充放电过程活性储能材料的体积变化,提升其循环寿命。

科研历程

MVC:在您的众多优秀成果中,哪些工作是您最喜欢或者最值得骄傲的呢?

CXH:课题组的每个工作都是我们精心构思,并经过无数遍打磨才凝练的成果,在研究过程中我们不断地遇到各种问题并逐一突破。现有的成果是我们对过去的小结,也是开展后续工作的基础,每一个成果都值得自我勉励,因为都是我们进步的脚印和成长的痕迹。

MVC: 您在科研历程中遇到过的最大困难是什么?您是如何克服这些困难的呢?您认为这些困难对您的成长有怎样的影响?

CXH:我认为在科研工作中主要会遇到两方面的问题。一个是技术层面上的,也就是如何解决当下遇到的一些技术瓶颈,选择什么实验方法和手段来突破研究困境。另一个是思想层面上的,如爱因斯坦所言“I want to know how God created this world. I am not interested in this or that phenomenon, in the spectrum of this or that element. I want to know His thoughts; the rest are details”。我认为在长期的科研过程中,思想层面上的困难比前者更加重要。科研创新就像小马过河一样,我们会经常迷茫、犹豫,这时候窥视内心,回想当初为什么要开始做这个研究或许就非常有必要了。

MVC:在科研之路坚持下去,非有持久的热爱之情不可,可以请您谈一谈你对科研的热爱是如何一点一滴建立起来的吗?

CXH:我对科研的热爱,或许来自于天生的爱折腾。小的时候我就喜欢拆东西,正好我父亲又是一名电器工程师,即使我把家里的电器拆得七零八落无法拼回去,我父亲总会买一个一样的电器作为样本,让我重新拼回去,给予了我较多探索的机会。我的导师是个idea很多的人,每次见他虽然时间不长,但是总能体验一回充实而兴奋的头脑风暴,这种灵感如泉涌的感觉胜过端杯尝美酒。总之,兴趣是最好的老师,对科研的热爱可以是原本发自内心的喜欢,也可以是在实验中逐步培养的爱好,做自己乐意的事情总是轻松愉快的,这样便能拥有持续的热情,体会到研究过程中解决问题的乐趣。

MVC:您对于有志从事物理学研究的年轻学子们有什么建议吗?

CXH:物理研究物质最基本的运动形式,探索小到基本的粒子、大到自然现象和宇宙奥秘背后的规律。我非常敬佩物理学者们,虽然各个学科的主旨各不相同,但在实际应用中离不开多学科的紧密合作,互相学习,才能从广阔的世界中获得启发。正如古希腊的亚里士多德以及意大利的达·芬奇,他们不仅是哲学家、逻辑学家、美学家,同时也是数学家、力学家和工程师。

MVC: 您认为有一个充实而又快乐的科研生活,其关键在于哪些因素呢?

CXH:我认为做快乐科研的关键因素因人而异。科研过程很漫长,顺境中可以品尝成果的喜悦,逆境中也可以回味每个阶段的小进步。科研的本质是探索,是满足好奇心,淡忘实质化的成果或许更能体会到科研的乐趣。举个例子,从小我就比较喜欢观察家门前建筑工地盖房子,看着吊机把不同建材堆叠起来逐渐形成高楼大厦。从事科研工作后,一直在构思能否将形状各异的纳米材料也搭建成具有不同功能的器件。我们发展了石墨烯宏观组装体电极材料的系列构筑方法、MOF基复合材料多级组装的系列手段,探索了这些材料在储能器件中的增效机制。近期我们还研究开发在不显著改变材料总结构的前提下,通过局域原位转化实现纳米材料组装的策略。总之,我认为做科研和做任何事情一样,热爱并保持成果背后的初心更为重要。

天马行空

MVC物理学中有大统一理论,尝试一理释万象;那么在材料领域,是否存在一种精妙设计的纳米材料能够同时应用于众多领域呢?

CXH:像石墨烯、MOF这些材料理论上可以用在众多领域,如储能、催化、传感、药物运载等等。但在实际应用上,各个领域对所需材料提出的要求一定是不一样的,即每个应用领域所需材料的属性都是独特的。寻找或开发最适合的而不是应用最广的材料或许更有意义。

MVC:科幻小说中总会提到太空电梯,科幻小说《三体》中利用飞刃(极端锋利、坚韧的纳米线)成功制造太空电梯,您认为在现实研究中应当如何着手此种纳米材料的研究?

CXH:大刘是我非常佩服的当代科幻小说家之一,他的作品中不仅充满了硬科幻,也富含了对生命、对哲学的一些探讨,令人深思和回味。“太空电梯”中需要解决的问题非常多,不仅与材料密切相关,也涉及到天梯与月球的同步轨道、压力梯度、用户舒适性等多学科的知识。单从缆索的材料来看,其需要有超高的强度、抗剪切、抗疲劳、耐腐蚀、质轻等性能。从当前研究现状来看,碳纳米管是最优候选材料,无缺陷和可规模化制备的碳纳米管至关重要。但未来难预期,或许太空“优步”才是最佳方案。