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国家自然科学二等奖：做艰深但好玩的科学 |
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定量电子显微学方法与氧化钛纳米结构研究 |
彭练矛带领团队完成的项目获得了今年国家自然科学二等奖（一等奖空缺）。虽然项目听起来非常艰涩，叫做“定量电子显微学方法与氧化钛纳米结构研究”，但其实“好玩”得很。
有人比喻，1纳米等于十亿分之一米，如果把一个1纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一样。
“在纳米尺度，许多事情和平时的感觉会非常不同，某些时候甚至会是相反的。”项目第一完成人、北京大学教授彭练矛举例说，我们都知道玻璃很脆，不能弯曲，但纳米尺度的玻璃就可以弯来弯去，表现出很好的韧性。还比如铅笔芯不是很好的导体，但是从铅笔芯中分离出的由单层碳原子六角排布形成的石墨烯就是很好的电子材料。2010年诺贝尔物理学奖就颁发给了成功地分离出单层石墨烯材料的两名英国物理学家。
在纳米尺度，仅需控制纳米材料的结构即可达到控制其性能的目的。彭练矛说，非常好的一个例子就是由单层石墨烯卷起来形成的碳纳米管。通过控制卷石墨烯的方式，就可以得到导体、半导体。通过控制纳米管的直径，就可以控制半导体纳米管的吸光特性。电子显微镜是观察纳米尺度物质的“利矛”，但当物体尺寸小到纳米甚至纳米以下时，非但人眼根本看不到，就算是通过电子显微镜其实也看不清楚，遭遇了“眼见不一定为实”的信任危机。
“我们在纳米尺度看东西是借助分辨能力更高的‘光’，也就是电子。但在纳米尺度，一种叫做衍射的现象非常严重，多数情况下我们在电子显微镜中所看到的‘像’不能直接反映物体的真正结构。”彭练矛说，利用量子力学的原理，使通过电子看到的物体像和实际的物体联系起来，这就是电子显微学要做的事情。
彭练矛团队此次获奖项目正是将电子显微学理论拓深拓宽，解释许多传统理论无法描述的物质体系，并且将理论成果成功应用到纳米结构的研究领域。
在科学家眼中，食盐不是食盐，而是一种典型的离子晶体。这么一种最最普通的东西，电子显微镜去观察它的结构时，也没有好的理论去描述电子在这种离子晶体表面的衍射现象。彭练矛团队给出了描述诸如离子晶体表面衍射的新理论，并且提供了具体应用这些理论所需的大量材料参数。这些研究结果最终可以应用到观察地心高压、高温环境下物质的形态和生命体中的微管结构等几十个研究领域。
这个获奖项目的“一半荣誉”，归功于彭练矛团队把基础研究理论用到了具体的纳米结构研究中。很多人都用防晒霜，却并不知道氧化钛，这是一种日常生活非常常见的材料，防晒霜里就有，它尤其在太阳能利用领域极为重要，太阳能转化为电能，水分解为氢气和氧气，都离不开它。
“传统氧化钛材料的一个大问题是只能吸收太阳光谱中偏紫外线的一部分，对于可见光区的吸收不是非常有效。大家寄予厚望的一个解决途径是将氧化钛材料纳米化，特别是将氧化钛材料制备成纳米管的形状。”彭练矛说。日本科学家10多年前首先制备出了氧化钛纳米管材料，但遗憾的是他们把这种纳米管材料的结构和生长机理搞错了，影响了这个研究领域后来的发展。
彭练矛团队给出了一个全新的纳米螺旋管结构模型，提出了这种纳米管材料新的生长机理。而这个研究的主要结果被国际上几十个独立研究组的试验证实。人们以后可以在这个纳米管的外表面和管芯部分“放上”一些半导体纳米颗粒就能改善太阳能的吸收。
这个项目做了10年。对项目成果中的英文著作，国际学界称赞“这本书将是相当长时间内可能出现的关于高能电子衍射理论处理的最透彻、统一和最全面的书。”
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