從“菜鳥(niǎo)”到特獎(jiǎng)的成長(zhǎng)之路
——記2013年清華大學(xué)研究生特等獎(jiǎng)學(xué)金獲得者張如范
研通社記者 戴 傲
張如范，清華大學(xué)化學(xué)工程系2009級(jí)直博生，師從魏飛教授。攻讀博士期間，其所在團(tuán)隊(duì)成功制備出世界上最長(zhǎng)的碳納米管，實(shí)現(xiàn)了單根碳納米管的光學(xué)可視化及宏觀尺度下的可控操縱，首次發(fā)現(xiàn)了宏觀尺度碳納米管結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑現(xiàn)象。目前以第一作者身份發(fā)表SCI論文6篇，其成果相繼發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology）, 《自然-通訊》（Nature Communications）, 《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）, 《美國(guó)化學(xué)會(huì)納米》（ACS Nano）等國(guó)際頂級(jí)專業(yè)期刊上，申請(qǐng)6項(xiàng)專利，參與撰寫(xiě)專著兩部。曾獲2013年中國(guó)納米科學(xué)與技術(shù)國(guó)際會(huì)議最佳墻報(bào)獎(jiǎng)，2011年能源與環(huán)境新型納米材料國(guó)際會(huì)議最佳墻報(bào)獎(jiǎng)、第13屆納米管科學(xué)與應(yīng)用國(guó)際會(huì)議最佳墻報(bào)獎(jiǎng)、巴斯夫首屆亞太地區(qū)科技論壇最佳墻報(bào)獎(jiǎng)、2012年教育部博士研究生學(xué)術(shù)新人獎(jiǎng)、2012年及2013年研究生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金、2012年金涌獎(jiǎng)學(xué)金、2013年巴斯夫優(yōu)秀博士生特等獎(jiǎng)、2013年清華大學(xué)研究生特等獎(jiǎng)學(xué)金等榮譽(yù)。
4年前，他從石油化工領(lǐng)域，轉(zhuǎn)行到陌生的碳納米材料領(lǐng)域；
4年間，他爭(zhēng)分奪秒、匠心獨(dú)運(yùn)、變廢為寶，連續(xù)攻克世界級(jí)科研難題；
4年后，他見(jiàn)證了世界最長(zhǎng)碳納米管在清華實(shí)驗(yàn)室的誕生。
大家都說(shuō)他是“學(xué)霸”，可他卻說(shuō)：“其實(shí)我以前是個(gè)菜鳥(niǎo)，而現(xiàn)在，也不過(guò)剛剛起飛。”
——題記
追隨夢(mèng)想 學(xué)不成名誓不還
與大多數(shù)人料想的特獎(jiǎng)獲得者的高起點(diǎn)不同，張如范早期的求學(xué)生涯歷經(jīng)坎坷。2004年，他以3分之差和西安交通大學(xué)失之交臂，在家長(zhǎng)和老師的建議下，“心不甘情不愿”地去了第二志愿的院校。
在那里，他很苦悶，很彷徨。一方面，他內(nèi)心有著萬(wàn)丈豪情，渴望做出“一番事業(yè)”，而有限的學(xué)術(shù)空間卻讓他感覺(jué)與周圍格格不入。“來(lái)到一個(gè)新環(huán)境，如果你不能接受它，被它同化，那你最終只會(huì)被它邊緣化”，張如范說(shuō)道。在掙扎了一年之后，張如范雖然門(mén)門(mén)考試在院系本年級(jí)排第一，同時(shí)擔(dān)任院系內(nèi)重要的學(xué)生干部，他還是毅然決然地做出一個(gè)旁人看來(lái)近乎“瘋狂”的決定——退學(xué)。
回憶起當(dāng)時(shí)的決定，張如范說(shuō)自己想得很簡(jiǎn)單，“就是不想讓自己后悔。”重新回到高中的張如范臥薪嘗膽，備考之路雖然艱辛，但他充滿了干勁，只是因?yàn)樾闹幸恢眻?jiān)持的那個(gè)學(xué)術(shù)夢(mèng)想。回到學(xué)校的第二次考試，他的成績(jī)便已攀升至年級(jí)第二名。2005年，張如范通過(guò)高考，順利考入中國(guó)石油大學(xué)（北京）化工學(xué)院。
對(duì)于這段經(jīng)歷，張如范總結(jié)成一句話：“一個(gè)人要敢于直面自己內(nèi)心的恐懼，追隨自己心中的夢(mèng)想。”
靈活機(jī)變 無(wú)心插柳柳成蔭
2009年，張如范以優(yōu)異的成績(jī)從本科院校保送到清華大學(xué)化工系。那年春季，他提前來(lái)到清華做本科畢業(yè)設(shè)計(jì)，跟隨魏飛老師做超長(zhǎng)碳納米管制備與性質(zhì)方面的研究。當(dāng)時(shí)，魏飛教授最初給張如范制定的“練手”課題是利用碳納米管掛載某種催化劑，研究其反應(yīng)機(jī)理。然而，這個(gè)課題對(duì)于之前從未接觸碳納米管相關(guān)知識(shí)的張如范而言簡(jiǎn)直難于登天。盡管張如范“折騰”得十分辛苦，但催化劑就是無(wú)法掛載到碳納米管上，更別提研究反應(yīng)機(jī)理。看到別人在實(shí)驗(yàn)方面突飛猛進(jìn)，他一度產(chǎn)生了很強(qiáng)的挫敗感。眼見(jiàn)3個(gè)月的畢設(shè)時(shí)間已過(guò)去大半，他心急如焚。但天生樂(lè)觀的他并沒(méi)有因此放棄，而是繼續(xù)在這個(gè)課題上努力。
他決定先嘗試在碳納米管上掛載別的顆粒，摸清其中的原理，再來(lái)做魏飛老師安排的課題。據(jù)張如范自己回憶，他大概累計(jì)試驗(yàn)了幾十種材料，每一種從設(shè)計(jì)到準(zhǔn)備再到操作，都要花費(fèi)幾天的時(shí)間。就在不斷反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中，他發(fā)現(xiàn)掛載Ti02顆粒的碳納米管，由于顆粒對(duì)可見(jiàn)光有很強(qiáng)的散射能力，從而實(shí)現(xiàn)了光學(xué)顯微鏡下單根碳納米管的可視化觀察。他敏感地意識(shí)到這一偶然發(fā)現(xiàn)背后的意義，很快便利用這種現(xiàn)象設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單但有效的測(cè)量單根碳納米管力學(xué)性質(zhì)的方法。他的這一發(fā)現(xiàn)被魏飛老師評(píng)價(jià)為足以在《科學(xué)》（Science）上發(fā)表，并最終發(fā)表在材料領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)專業(yè)期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。
堅(jiān)持積累 長(zhǎng)風(fēng)破浪會(huì)有時(shí)
善于和熱愛(ài)總結(jié)積累，是張如范科研工作的一個(gè)法寶。張如范說(shuō)，他平均每十天半個(gè)月，便要總結(jié)反思自己這段時(shí)間的科研成果，對(duì)于自己的錯(cuò)誤、懶惰、懈怠，認(rèn)真地進(jìn)行自我批判。4年的科研路上，他寫(xiě)下的科研筆記和科研記錄已達(dá)十余本。對(duì)他而言，這厚厚的每一本，都是他值得挖掘的寶藏，這些總結(jié)和積累更是他日后很多重大成果的基石。
圖為張如范部分科研筆記和科研記錄。記者 范 麗 攝
張如范的一個(gè)主要研究方向是提高碳納米管的長(zhǎng)度，使其達(dá)到米級(jí)甚至更長(zhǎng)，從而為超強(qiáng)纖維等材料的制備提供可供選擇的材料。然而，這卻是一個(gè)世界性的難題。在從事超長(zhǎng)碳納米管制備的過(guò)程中，他經(jīng)常會(huì)遇到碳納米管停止生長(zhǎng)的情況。多次失敗后，他常常習(xí)慣于把以往所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，努力從中尋找蛛絲馬跡。
終于，他從那些看似雜亂無(wú)章的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了相互間的聯(lián)系，并由此建立一種能成功描述超長(zhǎng)碳納米管生長(zhǎng)的模型。在此理論模型下，以前所有的數(shù)據(jù)，哪怕是曾經(jīng)認(rèn)為的“垃圾數(shù)據(jù)”都能得到合理的解釋。依據(jù)這種機(jī)理模型的指導(dǎo)，張如范歷經(jīng)3年鉆研，終于成功制備出單根長(zhǎng)度達(dá)到半米的碳納米管，這是目前世界上最長(zhǎng)的碳納米管，超過(guò)現(xiàn)有記錄的兩倍以上。這項(xiàng)工作發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)納米》（ACS Nano）上后，引起了廣泛關(guān)注。美國(guó)納米科學(xué)與技術(shù)網(wǎng)（Nanowerk）、中央電視臺(tái)、人民日?qǐng)?bào)等多家主流媒體都做了報(bào)道。
張如范認(rèn)為：“科研的進(jìn)步，大多來(lái)自堅(jiān)持和積累。如果自己沒(méi)有一直堅(jiān)持做超長(zhǎng)碳納米管的制備，如果自己沒(méi)有長(zhǎng)期積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有這種對(duì)于科研事業(yè)百分百的付出，不會(huì)有現(xiàn)在的研究成果。”
敢于創(chuàng)新 創(chuàng)造條件也要上
談及創(chuàng)新對(duì)于科研的重要性，張如范有一個(gè)很生動(dòng)的比喻，“科研和做農(nóng)活不同，不是一味地埋頭苦干就可以出成果的，堅(jiān)持的同時(shí)，更要注重方法。”碳納米管是一個(gè)跨專業(yè)的前沿領(lǐng)域，涉及力學(xué)、化學(xué)、化工、材料等多門(mén)科學(xué)，需要綜合運(yùn)用多種儀器設(shè)備對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)量和表征。然而張如范所在的實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)純化工實(shí)驗(yàn)室，很多條件都不具備。面對(duì)這些困難，他雖然也會(huì)到外單位尋求合作，但更多的是充分發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，利用現(xiàn)有條件，巧妙改造，自制設(shè)備進(jìn)行研究。
以研究碳納米管的力學(xué)特性為例，常規(guī)的做法是單根碳納米管固定在專門(mén)的力學(xué)儀器上進(jìn)行測(cè)量。這種測(cè)量一般需要精度達(dá)到納米級(jí)的專業(yè)設(shè)備。可是張如范所在的實(shí)驗(yàn)室并沒(méi)有這類設(shè)備，怎么辦？
張如范創(chuàng)新性地提出，利用一根毛細(xì)管從懸空碳納米管側(cè)面“吹氣”，使其發(fā)生彎曲，根據(jù)氣速大小、顆粒數(shù)量和粒徑以及碳納米管的彎曲程度來(lái)計(jì)算其受力大小，從而測(cè)量出它們的力學(xué)性質(zhì)。但為了能夠順利實(shí)現(xiàn)“吹氣”法，首先需要使碳納米管生長(zhǎng)在具有一定溝槽的硅片基底上。而在硅片上刻槽的傳統(tǒng)方法是微加工工藝，成本很高，制作一個(gè)符合實(shí)驗(yàn)要求的溝槽，成本接近萬(wàn)元。為了能夠降低成本，張如范再次思考：既然微加工方法如此之貴，何不將三塊硅片上下拼接在一起，形成一個(gè)溝槽？然而，這種粘接硅片的方法卻面臨一個(gè)關(guān)鍵的難題：沒(méi)有能夠耐受1000攝氏度實(shí)驗(yàn)高溫且不揮發(fā)不影響碳納米管生長(zhǎng)的粘合劑。張如范嘗試了大料有機(jī)和無(wú)機(jī)材料，都沒(méi)有成功。突然有一天，在和師姐聊天中，他靈光一現(xiàn)，心想：何不用金屬箔片作為粘合劑呢？他將小片鋁箔放在硅片之間，然后在高溫下將鋁箔熔化。冷卻之后，鋁箔從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，就可以將所粘附的硅片牢牢固定住，從而完美地做出實(shí)驗(yàn)所需的溝槽，而且加工成本幾乎為零。
這一連串巧妙的創(chuàng)意在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上發(fā)表后相繼被自然出版集團(tuán)-亞洲材料（NPG Asia Materials）以及美國(guó)納米科學(xué)與技術(shù)網(wǎng)站Nanowerk兩個(gè)著名網(wǎng)站評(píng)為亮點(diǎn)文章。張如范說(shuō)，“這是一個(gè)看似很‘山寨’的方式，但是背后卻蘊(yùn)含著很多巧妙的構(gòu)思。有句話叫做‘有條件要上，沒(méi)有條件創(chuàng)造條件也要上’，做研究就需要有這種闖勁。”
后記：王安石在《游褒禪山記》中提到：“而世之奇?zhèn)ァ⒐骞郑浅Ｖ^，常在于險(xiǎn)遠(yuǎn)，而人之所罕至焉，故非有志者不能至也。”張如范從自己口中的研究生“菜鳥(niǎo)”，一步步走來(lái)，成為同學(xué)們交口稱贊的研究生特等獎(jiǎng)學(xué)金獲得者，完美地印證了此中深意。
編輯：范 麗
