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张如范:造“天梯”材料,清华引领的下一个国之重器 | 35岁以下科技创新35人榜单人物专栏
欢迎访问清华大学张如范教授课题组! Welcome to Rufan Zhang Group!    2019-02-25 08:32:33    文字:【】【】【

2019年1月21日,《麻省理工科技评论》公布了2018年“35岁以下创新35人”(Innovators Under 35 China)中国区榜单。从榜单中,我们看到更多中国创新科研力量的崛起,也看到跨学科、跨领域、并且对落地应用有更强烈企图心与使命感的科研创新,这其中涵盖人工智能研究与应用、NLP、脑科学、新材料、新能源、生命科学、生物科技、自动驾驶等多个不同领域。我们将陆续发出对35位获奖者的独家专访,介绍他们的科技创新成果与经验,以及他们对科技趋势的理解与判断。

关于Innovators Under 35 China榜单

自 1999 年起,《麻省理工科技评论》每年都会推出“35岁以下创新35人”(Innovators Under 35 China)榜单,旨在于全球范围内评选出被认为最有才华、最具创新精神,以及最有可能改变世界的 35 位年轻技术创新者或企业家,共分为发明家、创业家、远见者、人文关怀者及先锋者五类。2017年,该榜单正式推出中国区评选,遴选中国籍的青年科技创新者。新一届榜单正在征集提名与报名,截止时间2019年5月31日。详情请见文末。

  

世界上强度最强的材料是什么?高纯钢?钛合金?碳纤维?不,人类已知抗拉强度最高的材料,是碳纳米管。

碳纳米管的密度只有钢铁的1/6,但强度却可以达到它的100倍以上。此外,与常规用于制造大规模集成电路的硅相比,碳纳米管还可以携带比硅多得多的载流子,并可以更快地散热,从而也可以用于制造高性能的碳基半导体。

因此,碳纳米管是一种潜力巨大的下一代超级材料,是未来超强材料和碳基半导体的核心,可以用于制造航空天梯等许多我们现在的世界还不存在的产品,在航空航天、超级建筑、高性能防弹衣、透明显示器、高性能芯片等领域,有着广泛的应用前景。

然而,如果想要充分发挥碳纳米管纤维的力学性能,真正成为改变未来的超级纤维材料,就必须让直径只有1-2纳米(约为一根头发粗细的好几万分之一)的碳纳米管,生长到厘米级、分米级甚至米级的长度。如果达不到这样的宏观长度,在拉力的作用下,碳纳米管纤维就很容易产生相互滑移,甚至从缺陷处断裂。而且,作为一种单晶材料,碳纳米管对于缺陷是十分敏感的。有效的碳纳米管纤维,必须保证每一根碳纳米管都在数亿倍于自己直径的长度上,维持完美的结构。

因此,超长碳纳米管的制备,十几年来一直是国际公认的难题。2009年,张如范正式成为清华大学化工系的一名博士生。从此以后,他开始了在碳纳米管领域多年的研究历程,并逐渐在这种超级材料的制备方面取得了多项关键的突破进展。

现在已经成为清华大学化工系教研系列助理教授、博导、特别研究员的张如范,1986年出生于山东聊城的一个普通农村家庭。父母除了一直要求孩子们“堂堂正正做人,踏踏实实做事”以外,并未在他的学业上给予过多的指导。这种成长环境反而让张如范养成了比较好的自我管理和学习的习惯,他从小学升到大学的学习成绩一直保持优异。

然而,他的成长道路并非一帆风顺。这期间,他经历过高考报志愿失误而导致的复读,也经历过对专业的彷徨,但他总能凭借自己的才智与毅力,更重要的是“不服输”的坚韧性格,战胜困难,不断前进。2009年,张如范以专业第一名的身份,从中国石油大学(北京)保送到清华大学化工系攻读博士学位,挑战超长碳纳米管制备这个国际难题。

一开始,张如范的研究工作并不顺利。在读博的前三年,课题的难度给他带来了巨大的压力,也让他一度感到心情非常郁闷。但不论任何事情,不论他感不感兴趣,只要他选择去做,就一定会尽力把它做好。经历过三年的困顿之后,他慢慢找到了科研的门路,发现了突破超长碳纳米管制备的关键。通过对碳纳米管的生长机理进行深入研究,他突破了以往碳纳米管制备技术的限制,在质量、热量和动量的传递都接近极限状态的条件下,实现了上百亿个碳原子的几乎零缺陷自组装,这种概率就好比做到了在全国十四亿人口中,“坏蛋”的数量不超过两三个。

  

(来源:张如范)

于是,他们在世界上首次实现了半米级长度的超长碳纳米管的可控制备,并且证明了其具有完美的无缺陷结构和接近理论值的优异性能。这个长度,是当时世界纪录的近3倍。之后,他们又通过合适的处理,让每一根碳纳米管都保持了较好的结构和排列,制备出了强度高达80GPa的超强纤维,其强度远超过世界上任何一种纤维材料。这项研究成果,被广泛认为是具有里程碑意义的突破性进展,世界知名碳材料专家Rodney S. Ruoff 称赞这项突破“架起了跨越碳管理论极致性能与宏观碳管纤维实际力学性能之间巨大鸿沟的桥梁”。

张如范认为,科学研究不仅是一项职业,更是一种“探究未知领域、发现万物规律、加深人类认识、进行技术创新、造福人类社会”的需要崇高使命感的神圣事业。2018年,在斯坦福大学崔屹课题组完成博士后研究的张如范,回到母校清华大学任教,继续他的科研之路。目前他正从事纳米碳材料和功能纳米材料的研究,致力于更深入地探究超长碳纳米管的生长机理,以期从方法论的层面实现大批量制备技术的创新。这是超长碳纳米管研究的最后一道难关,一旦攻克,这种具有战略层面意义的革命性新材料,就将成为又一个国之重器。

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