于伟教授近照。(本人供图)
石墨层层剥离到只有一个碳原子厚的单层石墨时,就是石墨烯。(资料图片)
■本报首席记者 樊丽萍
在新材料研发领域,各国科学家围绕石墨烯展开的竞争异常激烈———在2010年诺奖颁给石墨烯后,学界公认,它极有可能掀起新一轮产业革命。在同一条学术跑道上的人多了,竞争势必激烈,本土学者的胜算在哪里?
记者见到上海第二工业大学工学部教授于伟时,他正在离学校只有几百米的一个研究院里,和企业界的工程师围在一起讨论。柔性面板、LED灯罩、冰箱散热片……由于伟参与研发的多款石墨烯产品已经在企业的助力下走上了市场。
二工大是国内较早开展石墨烯研究与规模化生产的高校之一,目前已建成国内首条吨级规模的石墨烯技术生产线,年产量达12吨。专注石墨烯研究的于伟是学校最年轻的教授,他说:“和企业的人在一起时间越长,越了解市场的真实需求和产品使用反馈,我们做科学研究的,就越能聚焦到真正值得研究的问题。”
没有985、211名校光环傍身,仅凭着对于石墨烯的强烈兴趣,于伟的研究成果已经好几度让学术界侧目。
做石墨烯研究的动机?“因为好玩”
搞石墨烯研究,眼下真是不差钱。因为石墨烯作为目前发现的硬度最高、韧性最强的纳米材料,具有极佳的导电、导热和耐高温的特性,在电子学、光学、生物医学以及传感器等领域都有广泛的应用前景。二工大工学部“节能与新能源材料”国际联合研究中心即将挂牌,石墨烯的应用研究正是这个研究中心要重点拓展的方向。而于伟,就是这个中心的“中心人物”之一。
2007年从北京理工大学获得博士学位后,于伟在二工大获得了教职。那年他28岁,此前研究的都是纳米相关的材料,和石墨烯结缘则要追溯到一次学术研讨会。“一位学者在报告中提到了石墨烯,他拿出很多实验数据,并提到石墨烯未来可能有巨大的潜力。”研究散热理论的于伟,一下子被吸引了。
电子元件的散热问题,一直是材料科学界的一个重要科学问题。以计算机芯片为例,随着芯片高度集成,功率越来越大,芯片的散热就需要不断的优化。有没有可能在芯片上涂上新材料帮助其散热? 沿着这个思路,很多科学家都把宝押在石墨烯身上。
但这已是后话。当初于伟听到石墨烯时,这个新名词很大程度上还停留于国外科学家们的论文,有些学者虽然领先一步,在实验室合成了石墨烯材料制品,但并不对外“出售”。想弄一块现成的石墨烯制品都弄不到,于伟灵机一动,自己设计了实验和制备方案,打算合成一块石墨烯制品。“纯粹就是因为好奇,想做这个实验搞着玩。”于伟记得,当初这个实验“成本”大约3万元,关键的实验设备制备方案都由他设计,然后交给一家企业工艺化生产。
一块外观像陶瓷片一般的石墨烯制品,真的出现在于伟手里。他做了多个实验,测定石墨烯的导热和导电性能,数据告诉他,石墨烯真的很神奇。
寻找企业共同研发,解决“最后一公里”难题
2010年,在石墨烯材料方面做出卓越研究成果的科学家、英国曼彻斯特大学安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫被授予诺贝尔物理学奖,石墨烯很快成为工业界争相追逐的热点。而当时,国内专注于石墨烯研究的科研团队和人员数量相对有限,很多研究还刚刚起步。凭借在国外期刊的发文以及手握石墨烯样品,于伟脱颖而出。他先后承担多项国家、省部级课题。其中,于2014年结题的国家自然科学基金项目《高导热石墨烯基热界面材料的设计及传热机理研究》,在国家基金委的结题评议中获得最高等级的“优+”评价。
投身石墨烯研究的于伟,仍然被很多问题牵引着。比如,在照明行业,目前大行其道的LED灯普遍都是低瓦数,高瓦数的、大面积串联的LED灯到目前为止没有走向市场。“这就是因为LED灯的高效散热没有解决。”在于伟看来,由于石墨烯新材料的应用途径极广,类似的案例比比皆是,而要知道石墨烯在走向市场过程中的难点,比起学者自己埋头苦思冥想,不如找企业共同合作研发更为有效。
大约3年前,二工大和江苏的一家企业联合成立了上海悦达新材料研究院,聚焦石墨烯的导热和导电两大应用领域开展重点研究和技术突破。
“石墨烯的应用领域非常之广,而身处高校的学者,很多研究议题和自己的背景以及偏好有关。所以就算一所大学有多名学者研究石墨烯方向,但谁都不知道自己的研究可以走多远,和市场的真正需求总会有‘最后一公里’的问题存在。”但在和企业研发人员以及工程师一起合作的过程中,来自市场的信息反馈会不时地像筛子一样,把学者研究的各种问题进行“过滤”和“分层”:哪些研究可以朝着校企合作的方向推一把,哪些研究还属于实验室产品、要继续孵化,哪些研究离市场化还很遥远?在于伟看来,校企合作成立的研究院和传统高校研究所最大的区别是,前者不仅是一个研发平台,还直接勾连着工程化平台和产业化基地。相对成熟的科研成果可以借助这个平台实现转化和市场化生产,而来自市场的产品需求也会直接通过这个平台反馈给研发人员,形成新的研究课题。
“记得研究院刚成立时,最初定了八个石墨烯的研究方向,后来结合市场反馈逐步压缩到三四个领域集中攻关。”于伟说。
目前,由上海悦达新材料研究院研制的石墨烯导电膏、石墨烯纳米片等产品已经成功走向市场,诸如小米电视的遥控器、海尔冰箱的散热器上,都已经用到了相关制品。
永远不要低估学生的能力,带学生和做科研不矛盾
虽然要专注于科研,但于伟“抓学生抓得可紧了”。据说,每年有学生慕名来报考研究生,于伟总要板着脸甩出几句狠话:“我就像周扒皮一样,跟我读研是很苦的,不想被‘扒皮’的不要来。”而每年暑假,于伟的研究生就已经被召唤到实验室提前开启学业了。他的实验室还向本科生开放,“只要有兴趣的,不管什么专业,都可以来做研究”。
于伟对学生的看重,是有原因的。事实上,2009年因做出石墨烯产品而发表在国际期刊上的论文,就有学生参与了整个研究和实验过程,其中一位本科生给他留下了深刻印象———这位学生大一刚入学,就提出想到于伟的实验室学习。“当时我想,一个本科一年级学生啥专业知识都不懂,能做啥? 就把他赶回去了。”一年后,这位学生又找到于伟,于伟心一软就同意了。此后,于伟着手石墨烯研究,这位本科生也进入了他的课题组,认认真真完成了不少实验。
“永远不要低估学生的能力,当老师的要给学生各种机会和平台,引导他们发挥潜能。”于伟颇为感慨地说,除了做科研,教师的主要精力应该投入人才培养,且两者之间并不矛盾。
为组建石墨烯复合材料研究团队,二工大拟聘请英国曼彻斯特大学Aravind博士担任兼职研究员,并和于伟一同组建联合实验室。曼彻斯特大学在石墨烯研究方面处于领先地位,联合实验室的一项重要内容,是促成联合研究生的培养,另外一项重要内容则是对接国际学术资源,尽快实现某些科研成果的市场化。