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【中国科学报】甘坐“冷板凳” 敢啃“硬骨头”
发布时间: 2018-02-27                    访问次数: 258

熊仁根在指导他的团队成员做实验。 东南大学供图


本报通讯员 翟梦杰 李娅琳 记者 王之康

十多年来,东南大学教授熊仁根带领下的“有序物质科学研究中心”团队把“冷板凳”越坐越热,在分子铁电基础研究领域创造了中国奇迹,也使东南大学成为国际分子铁电研究的重镇。今年1月荣获2017年度国家自然科学奖二等奖,可以说是该团队所取得的成绩的最好例证。

其实在此之前,熊仁根团队早已取得了令人瞩目的成绩:在国际相关顶级期刊发表论文30余篇,多名成员还担任国际顶级期刊分子铁电研究领域的审稿人;2013年和2017年分别在《科学》杂志上发表论文,奠定其分子铁电研究的学术领先地位……

那么,这些成就的背后又有哪些故事呢?

从无到有共克艰

说到分子铁电,不得不提铁电体,它是指在一定的温度范围内具有可控的自发极化的一类特殊功能性材料,被广泛应用于储存、探测以及光电等领域。熊仁根团队的研究对象则是由小分子有序排列构成的分子基铁电体,因其独特的性能和优势,有望在薄膜、柔性、环保等方面成为传统无机铁电体的有益补充。

“我们的技术可以把铁电材料从传统的无机材料转变为有机材料,使得材料的可能性和变化形态更多、可塑性更强。”团队成员叶琼说。

创新驱动发展,而基础研究则是创新的原动力。

在熊仁根看来,在基础研究过程中,必须要有“板凳需坐十年冷”的精神,因为“科研上并没有‘弯道超越’,需要的是认准一个方向,不忘初心,耐得住寂寞,踏实勤奋,才能将研究与学问做好、做精”。

上世纪90年代,熊仁根就开始从事分子铁电领域的研究,方向从非中心对称配合物一直到分子铁电体。而在2006年底,他来到东南大学之前,该校并没有研究分子铁电的相关机构,正是在他的带领下,才成立了“有序物质科学研究中心”。从此,东南大学在分子铁电领域的研究开始了从无到有、从有到优的跨越。

人才是基础研究和原始创新的关键,但在成立初期,由于学科本身在国内基础薄弱,研究难度大,使研究团队的组建异常困难,实验室还一度招不到足够数量的研究生。不过,在东南大学的帮助和团队成员的坚持下,“有序物质科学研究中心”排除万难,一步一个脚印地开垦出了分子铁电研究这片处女地。

十多年来,该团队的成员不断充实,目前有长江学者特聘教授1名、国家杰出青年基金获得者2名、国家“973”计划首席科学家1名、国家优秀青年基金获得者2名、新世纪人才2名、江苏省特聘教授1名,并逐渐形成了以中青年教师为骨干,立足于物理、化学、材料交叉领域,分工明确、优势互补、具有国际影响的学术队伍。

十年一剑始到金

科研之路从没“容易”二字。十多年来,熊仁根团队尝遍个中艰辛,最终实现了在分子铁电研究领域从跟跑到并跑,再从并跑到领跑的角色转变。

该团队一方面对原有的传统工艺加以改进,另一方面则是自己动手,从头寻找。

目前,人们广泛使用的主要是传统的无机陶瓷铁电体,这类材料虽然性质优异,但使用、生产过程中仍存在一些制约。为了使分子铁电材料充分发挥其优点,成为传统无机陶瓷的有益补充,熊仁根团队率先利用变温二阶倍频效应判断铁电相变的发生,并总结出了一套较为有效的寻找分子铁电体的“半经验”方法。利用这些新方法和新手段,他们发现了一系列有别于传统无机陶瓷铁电体的新型分子铁电体。

更让人振奋的是,该团队发现的二异丙胺氯盐和溴盐的自发极化和相变温度能与钛酸钡相媲美,这一重要进展是分子铁电体迈向实际应用的关键一步,克服了现在通用的含铅陶瓷类铁电体在生产过程中的耗能和环境污染问题。

综合来说,性能良好的分子铁电体具有更为优越的特质,这些性质使其能够有效地替代有机电子设备中的聚合物铁电体,可望作为现有的无机铁电材料的替代或补充。除此之外,分子铁电体还具有一些无机陶瓷铁电体无法具有的独特性质。这也是自第一个铁电体发现近百年来,分子铁电体的相变温度与饱和极化值第一次达到了陶瓷铁电体的水平。

2017年,经过十年“磨砺”,该团队在多极轴分子铁电体的寻找、铁电薄膜的应用研究和具有高压电常数的材料研究方面又取得了重要的进展与突破,克服了目前大多分子铁电体为单轴铁电体对该类铁电体在器件工艺上应用的限制,并将其部分研究成果发表在《科学》杂志上。

不过,这一系列的探索过程中遇到的困难也是不容小觑的。基础研究的难点在于材料的性能难以预测控制,团队成员张闻为此打了一个比方:“这就像是药物的筛选,在用到人身上前,很难预测药效。”

因此,上万个合成后的原始材料中只能筛选出几十个优良的具有铁电性质的材料,这一过程可谓是“吹尽狂沙始到金”,然而在这些具有铁电性质的材料中还要再筛查一遍,进行性能的改进与优化,最终要使各项指标都符合要求。

但值得欣慰的是,十多年来积累的经验和数据资料,为后续研究缩小了目标范围,不仅可以提高成功率,也可以节约时间,可以说是该团队的又一“战绩”。

勇攀高峰无止境

经过十多年的砥砺发展,熊仁根团队换来了国际的认可和赞叹,多篇权威期刊论文的发表、多次获奖都证明了新型分子铁电材料的强劲发展前途,也为其日后能更广泛应用于社会生活开启了一扇门。

但成就的取得并非一时运气,而是“一以贯之”的水到渠成。东南大学“有序物质科学研究中心”有这样两句座右铭:志存高远以兴趣始探索学问,思索进取持毅力坚攀登巅峰。而这也正是团队所有成员从事科研工作的准则。

现阶段,虽然新型分子铁电材料还基本应用在基础研究领域,但是“让研究走向应用”一直是该团队努力的方向。

根据熊仁根的说法,未来,该团队“将瞄准存储、探测、能量转换等应用出口,以双稳态特性、压电特性等功能特性为导向”,同时结合小组研究成员大规模多学科交叉的背景和优势,“从分子设计和可控合成入手,利用化学、物理、材料、电子等多重手段对新型分子铁电体的应用进行探索,努力拓宽其应用前景,提高应用潜力,降低应用成本与难度,将分子铁电材料真正推向实际应用”。

“我坚信,我们正在做的事情,可能会在将来的十年、二十年甚至三十年后,为我们的生活带来极大变革。”张闻说,随着团队的努力、科技的进步,新型分子基铁电材料将会逐渐走进日常生活的角角落落,每一个普通人都能感受到这一高新技术带来的便利,体会到“科技让生活更美好”的现实内涵。



2018-2-27  【中国科学报】第8版