作者:陈欢欢 来源:中国科学报 发布时间:2020/9/26 8:41:45
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要么有用要么突破 他只追求“最好”的科研
——记中科院工程热物理研究所优秀引进人才张挺

 

1987年出生的张挺从小就是一个爱较真的人,喜欢刨根问底。考试时如果遇到难题,他则一定要解决后才看下一题。

在连续攻克一道道人生难题之后,2019年,张挺进入中国科学院工程热物理研究所工作,任研究员,组建了自己的团队。他目前的主要任务是建立一个国际领先的柔性纤维传感与储能器件实验室,以继续自己高性能热电能量转换材料与器件、微纳热传导技术和可穿戴柔性传感与能源材料等方面的研究工作。

“我一直坚信,最好的科研是能用得上的,给社会做出贡献;其次是做出突破性技术或者理论,将来有用。这两类是我追求的目标,要么满足国家重大需求,要么有突破性发现。”张挺说。

启蒙遇良师

张挺的科研之路起始于西安理工大学,在这里,他结识了人生第一位导师,也是将他带进科学大门的领路人。

2005年,西安理工大学材料学院院长蒋百灵教授主动请缨,担任刚入学的材051本科班班主任。这正是张挺所在的班级。当时,蒋百灵已经凭借合金微弧氧化技术获得国家科技进步二等奖,并且实现产业化应用。班会上,他经常用自己的求学经历鼓励学生们。

大三时,张挺决定考研,但对未来职业并没有什么规划。迷茫中他找到蒋百灵咨询意见,不料导师早已看中他对科研的好奇心和执着劲,鼓励他继续深造,并建议他读研时加强理论知识,往深度钻,以弥补本科阶段专业偏向工程应用的不足。在导师的建议下,张挺报考了北京师范大学凝聚态物理专业。

“能遇到好老师是人生中很幸运的事。”张挺说。

这之后,张挺开始了煎熬的考研过程,每天早上5点起床,学习到晚上11点回宿舍。“可能是这辈子最辛苦最勤劳的一年,比准备高考还勤奋。”张挺回忆。

2009年,张挺入学北京师范大学,硕博连读攻读凝聚态物理学博士。在此期间,他充实了自己的理论基础,并接触到了前沿的纳米热电功能材料。

在导师程国安教授的细心指导与支持下,博士毕业时,张挺完成了3篇高分论文,并研发出一种新型的多孔硅纳米线热电材料。为了完成这项工作,张挺从文献调研到理论计算再到动手实验都是自己完成的,独立的科研经验令他信心大增,最终决定把科研作为终身职业。

“科研工作的初心是树立一流的学术目标,敢于面向国家战略性需求、全球颠覆性科技和人类前沿性思想潜心治学。”张挺说。

如今,已经成为博士生导师的张挺对青年学生的建议是:保持对科研持之以恒的热情和好奇心;对新的热点方向保持敏锐;细节决定成败,要对实验中出现的异常或者预期之外的现象多加分析;实验失败会是常态,要沉得住气。

“对年轻学生来说,无论是实验中分析解决问题能力的培养,还是逻辑思维分析能力的锻炼都是极其珍贵的。”张挺说。

手握“金刚钻”

2015年,为了进一步在热电材料发方面有所突破,开发新型柔性热电器件,张挺选择赴新加坡南洋理工大学从事柔性可穿戴功能纤维的研究。

在那里,他加入了光纤技术中心魏磊教授团队,学习到了功能纤维热拉制技术。

2010年,美国麻省理工学院在《自然材料》发文,报道了利用光纤拉丝法制造出了可作为麦克风和扬声器使用的塑料光纤。这种纤维之所以能够用来制造声波传感器等,是因为纤维中安装了由压电材料制成的麦克风与扬声器元件以及反射特定波长光线的元件形成的构造,以此取代了以往传递光线的构造。也就是说.多材料多功能纤维热拉制法,使得原先只能传输光线的光纤,如今可以嵌入各种功能构造。

在这一方法中,需要首先将功能材料构造嵌入较大的“母材”预制棒中,然后在加热至一定温度时纵向拉长(即“拉丝”)。但是,要在拉丝时保证内部的元件不会变形,且构造均匀,对熔点、粘度都有较高要求。如果技术过关,可将直径或厚度为数厘米的预制棒拉丝制成直径或厚度范围从亚微米至毫米、长度超过百米的,而且截面构造与母材预制棒相同的柔性功能纤维。

“这是一项技术活,不熟悉构造性能情况的话很容易拉断,失败概率很高。”张挺说。

利用该方法,可以制造出具备水流传感器、血管中的血流传感器、大面积的声波图像传感器、可穿戴工程纤维等,成本低、产量高、性能好,且不受材料和结构限制,半导体、金属、绝缘体都可以嵌入。

张挺介绍,传统的可穿戴设备采用贴片式或薄膜式,都有容易脱落、不易洗涤的缺点。而通过纤维热拉法制出的功能材料及结构被包裹在外层基体中,经过多次洗涤测试,性能不会大幅衰减。

利用这一技术,张挺还在探索新型柔性储能纤维。他表示储能时能源改革的关键,随着柔性可穿戴电子器件的快速发展,高性能柔性能源动力的供给和集成还需重点突破。而柔性纤维则是最佳的柔性储能载体之一。利用纤维热拉法技术,未来可以大规模低成本的生产用于二维和三维衣物编织的储热、储电和储氢等纤维,具有巨大的应用前景。

2019年,张挺遇上了自己人生的又一位伯乐——陈海生研究员,并加入工程热物理所储能研发中心。他表示,这里拥有国内领先的储能及材料热分析实验平台,可以满足从低温到高温各种材料的热物性的全面表征。并于2006年成功建成国内首套可以全面实现微/纳米薄膜、单根纳米管、微纳米功能流体及粉体的3ω法热物性测量系统,对微纳材料导热系数及吸热系数等相关热物性参数的测量精度达到了世界领先水平。此外,团队中其他研究人员在理论计算和数值模拟等方面拥有丰富经验,确保了他的后续工作能够顺利开展。

修身治学

热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料。近年来,微纳技术的快速发展使科学家们发现,相比于块体材料,微纳热电材料表现出更加优良的性能。然而,微纳米热电材料及器件通常存在制备工艺复杂、产率低和成本高等缺点,从而难以产业化量产。

张挺瞄准这一难题,首次利用工业热拉光纤的方法,把各种热电半导体放进柔性纤维中,从而实现了热电微纳米线的大规模制备,搭建起纳米材料和实际应用之间的桥梁。

实验结果表明,大规模制备的柔性热电纤维不但具有和相应块体一样良好的热电性能,还能够编织成大面积的二维柔软织物,实现热电可穿戴织物器件,从而利用人体和外界的温度差来发电或者调节人体温度,为新型可穿戴器件提供了新的途径。相关结果今年发表于《自然通讯》和《先进材料》杂志。

张挺目前主要研究多功能纤维,利用以热拉制为核心的工业生产方法把具有不同电子、光电子、机械、流变学和声学特性的功能材料与光纤相结合,可将光纤的应用扩展至各个领域。例如,实现基于纤维的光电子器件、复合材料纤维、生物光纤交互、能量的产生和收集、调节温度、监测健康和认知大脑等功能。

张挺表示,团队已基本实现了基于纤维的“五感”:视觉(光电纤维)、听觉(声感纤维)、触觉(压感和摩擦电纤维)、嗅觉(电子鼻)和味觉(人工舌纤维)。

“这些成果有可能从根本上改变我们对纤维的观念,同时随着电子设备从刚性向柔性可拉伸结构演变,纤维形状的智能织物将能够无缝地融入到我们的日常生活中。”张挺说。

多年来,张挺在Nature Communications, Advanced Materials, Matter, Nano Energy, ACS Nano, Nano Letters等高水平学术期刊发表论文40余篇,已授权3项发明专利,参与编写1部英文专著。

对于未来,他满怀信心,并向年轻学生们推荐《曾国藩全书》。在这本书中,关于治学,曾国藩力求有志向、有见识、有恒心;关于做人,他力求谦虚谨慎、谨言慎行;关于为官,他力求清清白白、廉洁自守;关于胸怀,他力求心态平和、不悲不喜;关于精神,他力求坚持不懈、昂扬上进;关于家风,他力求克勤克俭、杜绝浪费;关于言谈,他力求老成执重、不信口开河;关于交往,他力求择善而交、净化朋友圈;等等。

张挺表示,这本书中包含处世、治学、修身、治心、齐家等方面的人生哲理,仔细阅读使人受益匪浅。

 
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