碳基材料的规模应用十年内或见分晓——专访北京大学化学学院无机化学研究所所长李彦教授

碳基材料的规模应用十年内或见分晓——专访北京大学化学学院无机化学研究所所长李彦教授
本文刊发于《环球财经》2023年01月刊

在人类出现在地球之前,便有了碳。有研究表明,地球上大部分的碳很可能是在太阳系原行星盘形成并变暖后,由弥漫的气体云和微小固体粒子组成的星际介质所积累起来的。另外,在太阳系形成的最初100万年内,小行星的不断撞击,也为地球上水和碳的到来,提供了来源途径。迄今为止,地球上所有的生命,都是碳基生命。

但人类认识到碳,是在发现火之后。或许是闪电燃烧了森林,又或是火山爆发,迄今为止,科学家们探测到的最古老的野火,归功于在威尔士和波兰发现的4.2亿年前志留纪晚期的木炭沉积物。人类与火开始的互动,是地球生命史的壮举,也是人类接触和利用碳元素的开始。北魏郦道元《水经注·卷十》云“石墨可书,又燃之难尽,亦谓之石炭”,东汉班固《汉书·地理志》录“豫章郡出石,可燃为薪”,都是我国古人利用碳元素的历史记载。与此同时,早在3000年前古印度人就发现了钻石,并且在很长时间内,印度都是世界上钻石的惟一产地。直到1772年,被誉为“近代化学之父”的法国化学家拉瓦锡才把木炭和钻石这两种颜色对立、外观迥异的物质统一了起来。他做了一个“败家的”实验,在对密闭玻璃罐中燃烧钻石和木炭进行对比后,他发现二者的结果是一样的。拉瓦锡因此断定木炭和钻石有相同的“基础”,并将之命名为碳,收录在15年后与其他五位化学家共同编著的《化学命名法》中。

在拉瓦锡确定碳元素的七年后,1779年,瑞典化学家舍勒将石墨与硝酸钾共熔后产生二氧化碳气体,才确定欧洲人一直误以为是“含铅物质”的石墨,其实主要是一种矿物木炭。

碳是构成有机生命体的必备基础元素,没有碳,就没有地球生命;同时,各种碳基材料在人类的生存与发展中也发挥了巨大作用。因此,自1901年诺贝尔奖首次颁发以来,碳元素就是诺奖的“宠儿”,被称为“获奖次数最多的元素”。

碳单质具有丰富多彩的同素异形体,无定形碳、石墨、金刚石等早已为人们所熟知;近几十年,从零维的富勒烯C60到一维的碳纳米管再到二维的石墨烯和石墨炔,新型的碳同素异形体不断被化学家们发现,由于其独特的物理化学性质,被人们寄予了厚望。1986年,柯尔、克罗托和斯莫利因发现富勒烯而获得诺贝尔化学奖;2010年,盖姆、诺沃肖诺夫因发现石墨烯而被授予诺贝尔物理奖;碳纳米管的发现者日本科学家饭岛澄男也分别在2002年和2008年获得美国富兰克林学会最高荣誉奖“富兰克林物理奖章”及被誉为“纳米科技界诺贝尔奖”的Kavli纳米科学奖。需要特别指出的是,石墨炔是在2010年首次由我国科学家、中国科学院化学研究所李玉良院士团队合成的。目前,对富勒烯的研究方向主要集中在化学、材料科学、物理和科学技术等方面,碳纳米管与石墨烯的研究范围则已经拓展到工程领域。随着一系列发现的涌现,新材料是第四次工业革命的基础已成为共识,人们不禁开始畅想:人类在经历19世纪“钢铁世纪”和20世纪“硅材料世纪”之后,将迎来属于“碳材料世纪”的21世纪。

1991年,饭岛澄男报道了在透射电镜下观察到的管状碳纳米结构,引发了20世纪90年代碳纳米管研究热潮,但由于接下来的很长一段时间,各国科学家们殚思极虑,却始终没有找到实现碳纳米管的结构可控生长的办法,碳纳米管研究陷入了困境。随着2004年石墨烯的发现,一大批碳纳米管的研究者开始转向石墨烯方向。碳纳米管研究热逐渐退潮。

转机在碳纳米管被发现的23年后到来。2014年6月26日,《自然》杂志发表了北京大学化学与分子工程学院李彦教授“纳米材料与纳米结构课题组”在单壁碳纳米管手性可控生长研究上取得重要突破的成果——《单一结构碳纳米管合成》,在国际碳纳米领域引发一场“地震”,有评论称:这一成果或将推动已停滞近20年的纳米管研究重新向前,或将使得国际材料学领域多年来“以碳基替代硅基”的梦想成为现实,是国际材料化学领域的重大突破。

十年磨一剑,今日把示君。对于李彦,这一剑的磨砺远不止十年。宝剑出鞘之后,面对骤然扑面的赞誉、央视《新闻联播》的报道、纷至沓来的媒体,她选择的是尽量远离聚光灯,“该干嘛还干嘛”,继续兢兢业业地开展着她心爱的碳纳米管研究和教书育人的工作。而面对云霓之望数十载的碳基材料应用前景,李彦也非常肯定地对《环球财经》记者表示:“十年之内见分晓。”

也就是说,对于被认为有望“彻底改变21世纪”的碳基材料,接下来的十年,至关重要。同时,随着全球科技竞争日趋白热化,某项关键技术突破所带来的影响,也很可能超越研究领域本身,成为各国博弈的“主战场”。正如前不久出席台积电在美国亚利桑那州晶圆厂的“首部机器移机”典礼的张忠谋,早在三年前就感慨台积电已身不由己地成为“全球地缘策略家的必争之地”。

2001年5月,当李彦结束在美国杜克大学的交流访问,面对可以留在美国的工作机会和更好的研究环境,她毫不犹豫地选择了回国,这不仅仅是她想让她手里的课题属于完完全全的中国本土研究,还因为她认为北京大学是中国做基础研究以及基础教学最好的地方。那是她非常推崇的美国学家罗兰在其于1883年著名演讲《为纯科学呼吁》中所提到的:“教授的职责是促进科学的进步,他应该向学生和世界展示一个完全、真实的献身科学的榜样,告诉他们生命中还有更崇高的价值。”

碳基材料的规模应用十年内或见分晓——专访北京大学化学学院无机化学研究所所长李彦教授

夙兴夜寐,柳暗花明

《环球财经》:在经典的晶形碳同素异形体中,富勒烯具有开创性,而石墨烯炙手可热,惟有碳纳米管因为可控难题而成为理想丰满、现实骨感的“冷学”。能否请您先简单介绍一下关于碳纳米管研究的历程以及您的研究工作?

李彦:我的课题组主要从事碳纳米管的制备、修饰、表征和应用的研究。发展碳纳米管的可控合成、分离、组装等方法及相应的表征技术,并探索基于碳纳米管的材料在纳电子、能源等领域的应用。

碳纳米管的发现是建立在富勒烯的发现之上的。20世纪70年代,英国化学家克罗托通过射电天文学观测发现星际空间中存在大量的长链碳分子,他对这个结构非常感兴趣。1985年,他和美国激光化学家柯尔和斯莫利合作,通过激光照射来检验他关于碳分子形成的理论,发现了原子量为720的质谱峰值信号,这是一种全新的碳分子,大多含有60个碳原子。受建筑师富勒的作品——蒙特利尔世界博览会美国馆的网格状穹顶结构启发,他们将这类碳分子命名为富勒烯。后来通过各种实验数据,证实了他们关于富勒烯C60的结构及特性的猜想。富勒烯是由五边形和六边形组成的笼状结构的全碳分子,类似足球,分子结构非常漂亮,稳定且高度对称,在纳米尺度范围内,拥有极高的稳定性以及奇异的电子特性。富勒烯的发现,掀起了一阵对晶形碳同素异形体的研究热潮。

1991年,时任日本电气股份有限公司(NEC)首席研究员的饭岛澄男在用高分辨透射电子显微镜观测用电弧法制备C60的碳灰中,发现了一种管状结构的碳材料,石墨片卷成同轴的多层“圆筒”,这就是多壁碳纳米管。1993年,饭岛澄男博士又报道了单壁碳纳米管的发现。

在碳纳米管发现之时,关于富勒烯的研究已开始进入瓶颈。碳纳米管的发现又一次激发了人们继续探索的热情。1996年诺贝尔化学奖颁给发现富勒烯的三位化学家后,学界对碳纳米管的研究进入一个高潮。相比硅基材料,碳纳米管具有更为优异的半导体特性,特别是在高迁移率、纳米尺寸、柔性等方面,这也意味着碳基集成电路将具有更高的速率和能效。1998年,IBM研究人员制作出首个可工作的碳纳米管晶体管。2008年美国国家科学基金委员会(NSF)启动了“超过摩尔定律的科学与工程项目”,其中碳基电子学研究被列为重中之重。2009年,国际半导体路线图委员会推荐基于碳纳米管和石墨烯的碳基电子学技术作为未来10~15年可能显现商业价值的新一代电子技术。

《环球财经》:确实,从饭岛澄男先生发现纳米碳管到现在30多年了,作为纳米碳材料家族的重要一员,碳纳米管以其优异的力学、电学和热学特性被誉为“万能基材”,被认为在结构功能一体化复合材料、电池电极、集成电路、传感器件、电加热器件等领域具有巨大的应用前景,一直被认为是未来最有希望取代硅基材料的理想碳基半导体材料。但目前离当初畅想的应用前景似乎还有不小的距离,其中的难点是什么?具体到您的研究,在几乎所有人都放弃了碳纳米管研究的时候,您用15年时间的坚持,实现了突破,其中经历了什么?

李彦:最大的难题就是没有纯净的材料。碳纳米管材料很有意思,它在某种意义上有点像高分子材料,实际上是个混合物,各种尺寸,各种大小,各种结构。在复合材料、能源等领域的应用中这通常不是太大问题,但要用于芯片,那就不行了,因为不同结构的碳纳米管的带隙是不一样的,更关键的,还有三分之一是金属性的。作为芯片用的材料,要求必须是纯净且结构一致的半导体性碳纳米管才行。获得这样的碳纳米管是很困难的,这个难题迟迟解决不了,严重影响了碳纳米管研究的发展。

此时,一种新的碳材料——石墨烯出现了,迅速吸引了大家的关注,世界范围内很多研究人员转向石墨烯领域,碳纳米管研究陷入低谷,美国也迟滞了在这个方向上的研究。大约在2006年,有一次在科技部项目的总结会上,有专家问我,如何精准控制碳纳米管结构?我说我想不出办法。因为在化学沉积合成过程中,碳纳米管是在催化剂上成核生长的,所以,很自然就会想到通过催化剂作用影响碳纳米管的生长。但金属催化剂在化学气相沉积的高温下会熔融,显然这样的催化剂无法控制碳纳米管的结构,于是做实验和理论研究的科学家都认识到应该改用在高温下结构不变的固态催化剂,但是,各国的科学家做了很多努力,结果都不能令人满意。那有没有可能抛弃高温合成,换成有机合成呢?有机合成也非常困难,碳纳米管在有机溶剂中不溶解就是个大问题,所以,通常只能合成出碳纳米管的一个小片段。所以你看,当时我的状态也已经很悲观了。

那时候,在碳纳米管领域具有引领性影响力的美籍华人科学家戴宏杰教授转向碳纳米管在生物医学中应用的研究,并取得了一系列引人注目的成果。我接受了他的建议,也想尝试转向纳米生物医学领域,还特意招了一位本科学习生物学的研究生进组。然而,经过一段与生物学家的接触和碰撞,没有发现好的切入点,同时也认识到了一些碳纳米管在生物医学应用上的短板。这一次短暂的尝试不成功,反而使我坚定了要把研究重心回归到解决碳纳米管结构可控合成这个根本问题上来的信念。

这里,要特别感谢两位我国在纳米材料研究领域的领军人物——解思深院士和范守善院士,他们在全世界碳纳米管研究低谷期,始终坚定支持碳纳米管研究方向,保证了研究经费的稳定。我也要特别感谢北京大学化学与分子工程学院提供的宽松、包容、鼓励探索和创新的学术环境和氛围,使得我能够专心于具有很大挑战的不热门的研究课题。

同时,还要特别感谢以杨烽为代表的课题组的学生们。他们选择这个处于发展波谷期的研究方向,首先面临的就是发论文相对更难的问题,可是他们始终以一种直面科学难题的纯净的心态投身到这项研究中。为了更为完整地实现我们的研究思想,在已经发表了具有重要国际影响的论文以后,杨烽仍然主动选择了推迟博士毕业,很让我感动。我的组里一直有很多研究生,他们的信任,让我更强烈感受到了自己的责任,也给了我攻克难题的勇气。

突破难题的关键还是要回归到催化剂设计上。我们知道酶催化反应具有很高的选择性,源于酶和底物专一的分子识别作用。这给了我很大的启发,让我意识到用普通固态催化剂显然是不够的,我们需要的是结构非常独特的固体催化剂,这样催化剂与碳纳米管也存在一一对应的结构匹配上的选择,就有可能以催化剂为结构模板,合成出具有单一手性结构的碳纳米管。初步的想法在2007年开始形成,我选择了钴钨催化剂体系,并选择多酸团簇作为合成催化剂的前驱体,后来的研究证明,这两个选择都是非常正确的。但起初三年的探索并不是很顺利,一直看不到成功的希望,这也让我很着急。

转机始于2011年年初杨烽同学加入课题组,他做实验特别细心,又善于钻研,很快就取得了进展。到2012年,第一阶段的研究工作就基本完成了。我们利用刚刚提到的钨钴在其中均匀混合的分子团簇作为前驱体,制备出高熔点、结构独特的钨基金属间化合物催化剂,以其作为结构模板,生长出结构一致的单壁碳纳米管,为困扰学界多年的“制备结构(手性)完全一致的碳纳米管材料”的难题提供了一种可能的解决方案。

我们的研究得到了许多合作者的支持,在第一阶段的研究中,全部合作者都来自国内,这是我有意识的选择。当时仔细思考过,与国外的学术“大腕”合作可能给文章的发表带来更多的方便之处,但考虑到我们研究的问题在领域内的重要性,我还是希望这项工作从头到尾完完全全由中国科学家独立完成,让成果的知识产权完整地归属于咱们的国家。即使因此而导致文章没能发表在更有影响力的期刊上,我也认了,因为觉得工作的重要性和水平是第一位的,发在哪个期刊不会影响它的最终价值。

2013年,在单壁碳纳米管发现20周年之际,我们投稿给《自然》杂志,过程当然也非常曲折,其中有许多很艰难的时候。单壁碳纳米管的结构可控合成无疑是领域内最重要的基础性问题,我们工作的意义是毋庸置疑的,因为它的重要性和挑战性,审稿人格外审慎,格外挑剔。每个结论都提供了多重证据,每个实验数据都力求准确,每个实验细节都做到极致,还被审稿人挑各种毛病,这对年轻的学生们来说是很大的打击,让他们有无法坚持下去的崩溃感。我就安慰他们说,你看我们挺幸运的,最初投稿的时候,我就说过我们其实很需要1100oC的原位电镜表征结果,但当时国内没有条件做。结果文章投出去后就有美国厂商到北大来展示这个仪器,我们就趁机免费做了,审稿意见回来,果然有审稿人建议补充这个数据,你们看,我们的运气是不是很好?学生们一听,有道理,对,我们回去继续努力。就这么一轮轮过来了。再困难的时候,我都希望他们能够坚信,只要继续努力,就一定能够成功。记得有一轮审稿后的修改中,我们提供了100多页的材料,那天,从周五下午我坐在办公桌前做投稿前的最后修改,忙到周一中午完成投稿,一直呆在办公室,学生们也轮流陪着我。师生众志成城,一起努力的感觉真的很好。

后来文章终于发表了,引起了国际国内的广泛关注,给相对沉寂的国际碳纳米管研究重新注入了活力。在第一阶段工作的基础上,我们继续开展了单壁碳纳米管原位生长的研究,力图用原子尺度的证据清晰地阐释单壁碳纳米管选择性生长的机制,夯实我们的研究基础证据。我们用翔实的数据阐明了选择性来源于热力学因素(催化剂的模板作用)与动力学因素(反应条件)协同作用的结果。文章在投稿过程中也发生了很有趣的故事。有一位审稿人说:“近期有理论研究也有实验研究的文章都证明选择性生长源于动力学因素,我不同意催化剂模板作用的说法。只要改掉这种说法,我就同意发表。”在回复审稿人时我提到:“条条大路通罗马!靠动力学控制可以实现部分选择性,不等于我们利用热力学和动力学协同控制就走不通。”我们补充了更多证据来支撑我们的观点,但在第三轮审稿意见中审稿人更简洁明确地表示:“我只要求删掉模板作用的说法就同意发表。”我当然不能同意这样做,因为这是我们的核心论点,删去了是不忠于我们的实验结果和学术思想,宁愿不在这个期刊发表我们也要坚持自己的观点。我又反复地推敲,忽然想明白了,实际上我们提出的热力学和动力学协同作用才是更普适的机理,他们的那些实验结果是因为用了不具备模板作用的普通催化剂,才只表现出动力学因素的影响,换句话说,他们的情况是我们提出的普适机理的一些特例。我这样回复以后,文章很快也就被接收了。

《环球财经》:您可是真“刚”啊!关键问题绝不妥协,也不愿意投机取巧。

李彦:是的,我这个人个性就是这样,学术上的事无比较真。

碳基材料的规模应用十年内或见分晓——专访北京大学化学学院无机化学研究所所长李彦教授
1994年,李彦在红外光谱仪上工作

斗转参横,履机乘变

《环球财经》:听着都是一个惊心动魄的过程。即便是柳暗花明,在您的突破性研究后,碳纳米管研究“起死回生”,虽然目前碳基半导体材料在材料制备技术和性能方面都取得较大的进展,但其产业化应用方向却十分模糊。对碳基材料取代硅基材料的前景,您有何判断?尤其是,这两年,美国又开始重拾对碳纳米管的研究,并在众多科技领域尤其是芯片领域上对我们“卡脖子”,对此您怎么看?我们在碳基材料研究领域与美国存在差距吗?

李彦:到目前为止,材料问题仍是制约碳纳米管应用的主要瓶颈,没有完全解决。在实验室是可以部分实现了高纯度碳纳米管的可控制备,但从实验室到规模生产,还有不少技术难题要解决。在解决了材料的问题之后还有芯片应用中的一系列问题。

碳纳米管刚出现的时候,它最引人瞩目、最被人们看好的应用就是在电子学领域。信息技术与人们的生活密切相关,一个手机芯片上就集成了百亿的晶体管。计算机越来越强大的原因是晶体管越来越小型化、集成度越来越高。但是总有一天,基于硅基CMOS集成电路的微电子技术将趋近于发展的极限,势必需要开发新的材料和技术,而碳纳米管就是最有潜在发展前景的新型半导体材料之一。

从2000年至今,北京大学电子学院彭练矛院士一直坚守在国产碳基芯片研究一线,并取得了许多重大成果。我和彭练矛院士团队也一直保持着合作。2020年,彭练矛院士、张志勇教授团队首次制备出在真实电子学表现上超过硅基产品的碳纳米管基器件和电路,也意味着碳基集成电路初步具备工业化的前景。

目前在碳纳米管研究领域,我国研究水平与世界先进水平相比至少是没有落后,而且在很多方面处于领先。现在碳纳米管领域全世界发表文章的三分之二来自于中国,高被引文章超过三分之二来自于中国。被“卡脖子”的问题,大概率不会出现在碳基芯片上,中国非常有机会占得先机。

但同时也要看到,信息产业是一个非常庞大的产业体系,分工非常复杂。碳基芯片成功的首要前提,是确保这项技术成熟。但是,即便技术成熟,推广起来也是一个极其艰巨的工程。看看硅基技术的发展历程可以有所启示。从1854年法国化学家德维尔制得晶态硅,到20世纪30年代开发出单晶硅的工业化制造工艺,再到50年代才做出第一个硅基器件,70年代有了第一个集成电路,这中间经历了一个多世纪。碳纳米管从被发现到现在才刚刚30年,当然,不可能再给100年的时间去发展碳基技术,成与不成,未来10年内就能见分晓。但碳基芯片大规模使用还需要更长些的时间。当前迫切需要全社会更多的人、财、物的投入,以推动碳基材料和芯片技术的研究。

从另一个角度来说,全世界在硅基芯片上面花了天文数字的投资,而且迄今为止发展得非常好,碳基芯片想重开一套大规模集成路线,关山难越。这不是几万亿投资就能解决的事情,而是在全球范围内的产业链生态问题。在半导体领域,未来更现实的目标是“硅结合”而不是“硅替代”。

碳基技术发展的关键是发挥碳基材料的优势,填补硅基材料做不了的空白。碳基材料起码在四个方面具有绝对优势,一是它的柔性,有非常好的机械性能,硅无论怎么做也无法拥有超过碳基材料的柔性,因此在可穿戴设备、柔性屏等的开发应用上,碳基纳米材料的优势无可比拟;第二个优势是对极端条件的耐受性,硅材料无法适应超高温、超低温、高辐射等环境,而碳纳米管可以,因此在宇宙航天方面,碳基材料可以成为助力人类“飞天”的天梯;第三个优势是低功耗,信息技术在不远的将来就会成为人类社会的第一耗能产业,碳纳米管基器件的低功耗将带来巨大的优势;第四个优势是光电互联,硅材料不是直接带隙半导体,而碳纳米管是直接带隙半导体,便于进行光电集成。

为尽快适配碳基芯片用材料的需求,近期我的团队主要在做这几件事:一是结构可控的单壁碳纳米管宏量合成,就是探索未来可能工业化的合成方法;二是单壁碳纳米管的分离提纯,因为直接合成出的碳纳米管是无法达到芯片技术要求的纯度的,我们需要通过进一步的提纯,使得半导体性管的纯度达到99.9999%;三是单壁碳纳米管的排列组装,就是将提纯了的碳纳米管排列起来,形成高密度的顺排阵列,每5~10纳米一根管子,管子之间也尽量不交叠或者形成管束,以确保制备出的器件的高性能。

碳基材料的规模应用十年内或见分晓——专访北京大学化学学院无机化学研究所所长李彦教授
李彦教授在实验中

如切如磋,教研相长

《环球财经》:科技成果转化难一直是大家讨论得比较多的话题,有观点认为,长期以来,中国科研和技术创新的主体,以及国家科技计划承担的主体都是科研院所和大学,而承载产业化的企业无论是技术研发投入还是自主创新能力非常薄弱,且科技人才严重缺乏,这种高校与企业科研能力的巨大差异,是影响中国科技成果转化率远低于发达国家的主要原因之一。对此,您的看法是?

李彦:确实存在这样的问题,比如在碳纳米管这个领域,最早的发现者饭岛澄男当时就是在企业工作的。美国大公司在研发方面的投入也非常多,而中国在这方面做得比较突出的只有华为等少数企业。信息产业发展中的几次关键技术节点都在高校产生后迅速进入企业及大规模商用。这方面,我希望国家能够给予企业在前沿研究上更多的政策支持,比如税收减免等鼓励措施。现在也有好的趋势,大型企业与高校设立联合基金、联合研究院的越来越多。同时,在科研方面,各机构角色最好有所区分,高校就应该做基础研究,一方面基础研究具有更多的不可预见性,另一方面基础研究是一个培养人才很好的载体;科学院则可以更多面对国家需求、在关键技术攻关和创新经济主战场发挥更多作用。

《环球财经》:我国提出了“至2035年前沿新材料领域拥有一批具有全球影响力的跨学科研究团队,形成一批具有国际领先水平的原创性研究成果”的目标,您认为要实现这个目标,我们还有哪些工作需要做?

李彦:近些年我国的基础研究迅速进步,学术影响力日益提升,已经晋身为科研大国,正向科研强国的方向迈进。但与美国相比,我们很多方面还属于跟跑,原创性研究不足。很多事情是别人一开始做我们马上跟上去,还能比别人做得更好,但是完全属于自己的源头创新比较少。一些看上去天马行空的基础研究,正是源头创新的摇篮。我的看法是,国家需要建立一种机制去养一批“闲人”,甘心坐冷板凳,做别人不做、看上去不可能实现的研究。做100件事情只要一件成功,那在“这一件”的领域里,我们就是绝对原创和领先。

碳基材料的规模应用十年内或见分晓——专访北京大学化学学院无机化学研究所所长李彦教授
2022年4月1日,在北京大学学工部举办第104期教授茶座上,李彦教授就“选择与初心”这一话题与同学们展开深入交流

《环球财经》:那在个人成长方面呢?

李彦:我的研究经历其实还有点曲折,进入碳纳米管研究领域也是阴差阳错。我本科到硕士生和博士生阶段的研究方向是萃取化学和溶液结构,博士后阶段主要做复杂溶液体系的红外光谱研究,工作之初做II-VI族半导体纳米材料的合成,1999年到美国杜克大学访问时才开始进行碳纳米管研究。当时正是碳纳米管研究炙手可热的时候,只不过没过几年碳纳米管研究就逐渐进入发展的低潮,被动进入了碳纳米管研究领域。但是,在低谷期选择继续留在这个领域却是我自己主动的选择,有机会去攻克领域中的一个关键性难题,这也是难得的机遇。

我还有好几次的选择都是当时不太被人理解的,比如2001年回国工作,周围几乎所有的人都劝我留在美国,而我当时是义无反顾地回来了。因为对我来说,回国,在北大教书和做研究,就是最幸福的事情。

我在独立科研之初,处于没有经费、也没有实验室的一穷二白的状况,从零开始的阶段,特别难。我的第一份青年基金申请了四次才得到,这在北大化院是绝无仅有的。但即便条件这么艰苦,也有学生愿意跟着我做研究,我成立了自己的课题组,并且能生存下来,发展壮大,靠的是课题组同学们对研究的热爱和坚持。

《环球财经》:记得《北京大学校报》曾有一个采访,您的弟子、现为南京大学化学化工学院教授的金钟老师回忆:“从前在南区,李老师连办公室都没有,她就在我们边上写写文章、改改稿子。当时的实验室非常简陋,惟一的炉子还得轮着用。”

李彦:早年间,我们的科研条件落后,虽然当时的北大已经能够提供比其他院校更好的设备和资源,但是即使是“要不要把新发现的晶体送去做单晶衍射”这种现在看来稀松平常的操作,都得反复比对和斟酌,得精打细算。那时,我们做电镜都不敢轻易拍照片,一张底片五块钱,是好大的一笔钱。现在的学生们是遇到好时候了,在国家对基础学科的支持下,我们拥有了一流的研究条件和先进的仪器设备,使我们的科研工作不再轻易受研究条件的制约。

《环球财经》:我发现和您交流,有一个很突出的特点,就是再艰难的时候,您都是非常乐观的。这是不是也是在一穷二白的时候,在当初看不见希望的时候,学生们也愿意跟着您做研究的原因?而且,我们知道,您特别受到学生的欢迎,曾获得“北京大学十佳教师”和“北京市高等学校教学名师”等荣誉。

李彦:回国后不久,我接了主讲化院大一本科生 “普通化学”课的任务,转眼20多年了。很多人说,你又做科研又做教学怎么忙得过来,可是教学和科研就是我最喜欢的两件事,教学和科研并不相斥,反而是“教研相长”。“普通化学”是化学学院本科生最先接触的专业核心课程,是帮助学生为后续进阶课程学习打下基础的关键,我有机会主讲一门如此重要的基础课程,求之不得,怎么能够错过?因为要去教学,自己就要先把基础知识夯实,从而在研究时容易从最基础、最本质的概念出发去考虑问题,非常有利于理解问题的本质。而且学生的问题会让我对基本概念进行更深入的思考,这样对基本概念理解得就更透彻,也让我对各类实验现象和数据的感知更加敏感、思路更加开阔。另外,教学对科研的另一个间接益处是,经常与朝气蓬勃的学生接触,也能够汲取活力与能量。对学生而言,老师将最新的研究成果引入课堂,将其中的科学原理深入浅出地解释给大家,可以启发他们对科研的兴趣,培养他们的创新能力。

我人生中最本质的快乐,都是学生给我的。我一直在做自己最喜欢的事情,这种快乐是无与伦比的。

《环球财经》:您能简单谈一下女性从事科学研究的优势和劣势吗?

李彦:作为一名女性,我认为在“不功利”地对待研究方面,女性可能比男性更有优势。因为母亲的角色和天性,使女性更具韧性,更能耐受挫折和磨难,放在科研工作上,就是有不怕失败的精神。我的一位好朋友还提供了另外一个看待女性科研人员优势的视角,她说,这个社会给男性更多功利上的要求——从小男孩子就被教育要顶天立地,要成家立业,而对女孩子就没有这么多要求。因为没有那么大的压力,所以相对而言女性的功利心就弱一些,非常适合从事基础科研工作。我想,可能就是这两个“女性优势”因素使得我在做研究的时候,更有耐心,不那么着急,也不那么怕失败,不会特别在意结果,也就更单纯一些。在科研的道路上,当你不求回报的时候,回报也许就来了。即便没有回报,也没什么可怕的,因为你收获了快乐。

李彦教授(简介):北京大学化学与分子工程学院教授,国家杰出青年基金获得者,曾获聘教育部长江学者特聘教授。20多年来坚持在碳纳米管研究领域耕耘,作为第一完成人带领团队获得2020年度国家自然科学二等奖和2017年度教育部自然科学奖一等奖;获全国优秀科技工作者、全国三八红旗手、中国化学会赢创化学创新奖杰出科学家、北京市高等学校教学名师、北京大学十佳教师和十佳导师等荣誉。长期兼任ACS Nano副主编及Chemical Society Reviews、Materials Horizons、Carbon、Nano Research等期刊的顾问编委或编委,担任MRS奖励提名委员会等多个国际学术组织的委员;获聘东京大学杰出访问教授。

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