作者:韩扬眉 来源:中国科学报 发布时间:2022/9/28 21:31:12
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郭建刚:新时代“晶体人”

 

当下,在对物质世界的研究中,实验设备手段越发高精尖,诸如电子显微镜、冷冻电镜,成了每个实验室的梦寐以求的利器。

晶体学,这个最初为窥探物质原子结构和排列方式而形成的一门学科——至今有100余年历史,且已获颁23项诺贝尔奖。然而,这门学科的基础研究犹如科学界的一门“古老手艺”,人才渐缺、关注渐少。

郭建刚是个“逆行者”。这个中国科学院物理研究所“80后”研究员执着地相信:百余年来沉淀下的晶体学知识在当今依然具有强大生命力,“认识全新物质体系,要回到最根本、最基础的结构。虽越基础、越困难,但也越重要。”

传统科学与新月的碰撞

正如月球研究,晶体科学就提供了新视角,而后获得了新发现。

2020年,我国嫦娥五号从月球背面带回1731克的月壤样品。经过激烈地竞争答辩,郭建刚所在的先进材料与结构分析实验室获得了1.5克的月壤样品。

拿到珍贵的最新月壤样品,郭建刚抑制不住内心地兴奋,这是他的研究课题第一次触及“太空”。

“月球土壤与我们在地面上看到的土壤类似,是一些矿石经过不断风化,逐渐变成细碎的土壤。”郭建刚介绍。

与大多形态形貌研究不同,他们想借助自身优势,在更深、更细处探索未知,剖析月壤内部结构与原子分布状态,试图“见微知著”,了解太阳风化和月球演变等。

装在白色透明小瓶里,月壤犹如碳粉一般,呈黑色粉末状。郭建刚首先要做的是“挑样”——在数十万个颗粒中挑出微米级大小的晶体,这是项考验耐心的技术活。

晶体的大小约等于一根头发丝直径,郭建刚站在手套箱前、紧盯着显微镜,寻找着在特殊灯光照射下反射亮光的晶体,然后屏住呼吸,利用一根纤细挑样针的静电效应,小心翼翼“粘”出。

他和学生两人一组,反复这一连串动作,每次需要持续3小时。为保证安静环境,他们常常在深夜工作,结束时身体僵直、眼睛酸胀、几近“崩溃”。

实验室窗台上的几盆被拔“秃头”的仙人球见证着他们的付出,他们需要使用仙人球的刺来“粘”住微米级晶体,放置在四圆衍射仪和高分辨透射电镜上测试晶体结构。

郭建刚知道,我国嫦娥五号采集的月壤样品属于最年轻的玄武岩,且取样点的纬度最高,为探究月壤在太空风化作用下的物质和结构演化提供了新机会。挑选样品的质量,在一定程度上或许决定了能否把握住这次机会,因此,必须仔细再仔细。

郭建刚和团队在月壤样品中找到了铁橄榄石、辉石和长石等晶体,经过测试,在铁橄榄石表面发现了非常薄的氧化硅非晶层,这其中包裹着大小为2到12纳米的晶体颗粒,通过系统的电子衍射及指标化、高分辨原子相和化学价态分析,确认它们是氧化亚铁,并非此前在其他月壤样品中发现的金属铁颗粒。

他们还在铁橄榄石中还观察到了分层的边缘结构,这种特殊的微结构首次在月球土壤中看到。

扎实的数据得到了美国行星之父、匹兹堡大学地质与行星科学系教授Bruce Hapke的肯定:“这种橄榄石晶体的边缘结构是独特的。”

“我们确认了铁橄榄石在太空风化作用下出现了分步分解现象。通过表面微结构和微区晶体结构分析,我们首次在铁橄榄石的边缘确认了氧化亚铁的存在,表明矿物在风化过程中,经历了一个中间态,而非一步到金属游离铁,这将有利于进一步理解月球矿物的演变历史。”郭建刚说。

越基础,越重要

2008年,从吉林大学硕士毕业,郭建刚来到物理所跟随陈小龙研究员攻读博士学位。在团队里,他感受到的第一个研究“逻辑”就是,要想得到或利用一个材料,首先要想办法弄清楚材料最基本的晶体结构,理解原子之间的排布与结合方式。

“是什么、为什么、能做些什么,这是我们要探索全新体系时要回答的三个基本问题。”他至今记得,博士期间,按照这条“底层逻辑”,做出了第一个让他惊奇的超导新材料。从此,他便更加热爱晶体科学。

“晶体,尤其是超导这类单晶,非常重要,在电力运输、磁悬浮等有着广泛应用,若原子微观结构不清楚,很难理解和优化其物性,离应用就更远了。”郭建刚说。

的确,对物质晶体结构的了解,有助于在物质内部微观结构、原子水平的基础上,阐明物质各种性能,并为改善材料的性能、探索新型材料和促进材料科学的发展提供重要科学依据。

10余年来,郭建刚一直牢记着这个“逻辑”。他以探索电磁功能材料和生长晶体为主要方向,以理解晶体结构为出发点,研究材料的物性和晶体结构之间的关系,取得了诸多重要成果。

2010年,还在读博期间,郭建刚在国际上最早制备出了碱金属钾插层铁硒超导体系,其最高超导转变温度为30 K,创造了当时常压下FeSe基化合物超导转变温度的最高纪录。

该成果开辟了国际铁基超导研究的新领域,所开创的研究方向‘Alkali-doped iron selenide superconductors’被汤森路透《2013研究前沿》和《2014研究前沿》列为物理学10个最活跃前沿领域之首和第7名,将其发展成了与铁砷基并列的第二类铁基高温超导体。

他成功地解决了较小尺寸碱金属钾插层铁硒的难点,制备出了纯相的钠插层铁硒超导体,进一步将超导转变温度提高至37 K。

弄清晶体结构,会大大缩短新型材料探索时间、加速解决实际问题。

郭建刚介绍,用传统方法合成一个新材料,需要不断地试,因为不知道哪些组分、温度等合适,试的足够多,可能会碰到一个新的,但试错法效率低、成本高。而弄清楚了晶体结构,就能了解某一类材料中物性的决定性单元(也称功能基元),再以此为基础,发展新的材料体系,“比如要制备一个新材料,有3个组分,通过晶体结构分析,我们能发现决定材料物性的功能基元,就能够以相应的物性为导向,高效地探索新材料和新效应。”

即以不同功能基元为基础,调控基元的排列方式,或通过调控功能基元里配位的原子种类和数目来改变其电子结构,制备新高温超导晶体体和诱导新效应。

基于这一思路,由陈小龙牵头,郭建刚作为第2完成人所承担的挑战性课题“基于结构基元的新电磁材料和新效应的发现”,荣获2020年度国家自然科学二等奖,这项成果解决了由功能基元出发、高效探索新材料和新效应的若干关键科学问题,推动了无机功能材料科学的研究与发展。

肩负重任的新生力量

在先进材料与结构分析实验室,作为青年科学家的郭建刚,肩负延续学科发展与服务国家需求新的重任。

“老一辈科学家的事迹和精神始终鼓舞着我。”郭建刚说。“陆学善院士和梁敬魁院士分别是中国著名的晶体物理学家和晶体物化学家,导师陈小龙除了在晶体结构分析和单晶生长具有深厚的学术功底,也是推动碳化硅晶体从基础研究到产业化的先行者之一。

让郭建刚感触最深的是,老师们总是以一丝不苟的态度,对待基础研究,即使看似很小的工作也做得非常扎实、严谨。

他一直记得陆学善先生和梁敬魁先生的一个科研故事,上世纪60年代,梁敬魁回国来到物理所,与陆学善合作开展了铜-金二元体系超结构研究,为了达到合金的平衡态,需要诸多工艺,单是退火处理这一个工艺过程,就需要六个月或者一年时间。他们耐住寂寞,几年之后,获得了一系列长周期的超结构相,其中有的是国外研究者已经研究多年,却始终没有观察到的现象。

“在很多人看来,这样的研究方法可能比较‘原始’,但恰是这种方法,为科研打下了扎实的基础,产出了诸多原创性成果。”郭建刚说,耐心、潜心是他从老先生那里学到的科学精神。

在郭建刚看来,今天,研究组在晶体生长领域产生了多项引领性的工作,尤其在碳化硅宽禁带半导体生长与新功能晶体材料探索方面,都是在多年的基础研究积累上取得的。

碳化硅是一种重要的宽禁带半导体,具有高热导率、高击穿场强等特性和优势,是制作高温、高频、大功率、高压以及抗辐射电子器件的理想材料,在军工、航天、电力电子和固态照明等领域具有重要的应用,是当前全球半导体材料产业的前沿之一和国内“十四五”规划重点攻关的半导体材料之一。

然而,一直以来,用于应用研究的大尺寸单晶存在较多难以突破的关键科学和技术问题,严重影响器件性能,诸多关键技术和设备面临着国外封锁。

近年来,针对相关难题,在陈小龙的带领下,郭建刚在扎根基础研究的同时,与团队共同推动研究成果产业转化,获得了2020年度中国科学院科技促进发展奖。

“最大的挑战是基础研究领域的突破,在晶体研究领域,我们还需要更细致、更系统和更‘原始’的研究。”郭建刚深知,基础科学问题的突破将会极大地提高晶体的质量和应用范围,给学术和产业界带来巨大变革,但攀登科学高峰这条路必定不轻松,还好,有热爱,可抵漫长岁月。

 
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