来源: 中国科学院大学微信公众号 发布时间:2023/7/13 20:45:38
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研究成功发《科学》!导师说:我们的故事完整了

 

他有“大不了重头再来”的乐观心态,也有“迎接胜利曙光”的硕果回报。一次次锤炼,令他明白实验中的失败是逼近成功的必经路。他所在的课题组,在不断发现问题、解决问题中,开发出了“化学剪刀”编辑层状材料结构新策略,并创制出一类金属原子插层型二维碳化物新材料。本期,一起走近国科大2023届材料物理与化学专业博士毕业生丁浩明(培养单位:中国科学院宁波材料与工程研究所)“五年磨一剪刀”的摸索历程。

国科大和宁波材料所五年,白驹过隙,转眼便过。

怀念满院草坪长、十月桂花香的镇海院区;不舍日落炊烟袅、繁星点点醉的杭州湾院区。我回望四周,目光所及之处,皆为礼物。

我们课题组的研究方向为层状过渡金属碳氮化物(MAX相和MXene)材料结构设计与功能应用研究,在黄庆老师的带领下和师兄师姐们的共同努力下,课题组在该研究方向取得了系列创新成果。

如何在该研究方向上找到创新点,是我读博时面临的最大挑战。

期间,课题进展一直不太顺利。一筹莫展时,在黄老师指导下,实验结果开始逐渐浮现,我也在实验中发现一些有趣的现象,心里按捺不住喜悦。为了证明可靠性,我不断重复实验,最终发现该方法依然有稳定作用。

于是,我将这些现象和想法与黄老师讨论了一番。

我清晰地记得那一天,在会议室里,我激动地一口气讲完了发现。黄老师认真听完后直接告诉我:“这些现象很有趣,我们可以沿着这个思路继续深入研究。”这样的鼓励让我既惊喜,又感觉在意料之中。毕竟,我是有备而来的,但黄老师的鼓励更加鼓舞人心。

黄庆(右一)在指导

在后来的时间里,我围绕MAX相和MXene的结构与化学组分调控继续深入探索。

有一次,我发现实验方法可以适用于多种元素。黄老师一听,指着墙上的元素周期表激动地说:“如果我们能够成功将MAX相的A位原子层引入一些具有功能特性的元素,如Fe、Co、Ni,就能够制备出MAX相磁性材料,这为二维铁磁单原子层的构筑及其在电子和自旋电子领域的应用提供了很好的途径。另外,一些贵金属元素的引入,如Pd、Pt、Rh等,将赋予MAX相材料优异的催化活性,就有望将MAX材料的研究从高温结构领域拓展到功能应用领域。当然这存在着很大的挑战!”

尽管我们实验的大方向已经比较明确,但对于一些实验细节问题仍需要不断提出新的方法和思路来解决。例如,在MAX相中插入贵金属时,由于贵金属具有较高的熔点和化学惰性,导致在适当的实验温度下(700°C),无法为插层反应提供足够的插层原子。因此,在该实验方面进展艰难。

就在几乎放弃之际,经过讨论和分析,我们提出了一种预先合金化的策略,通过该方法有效降低了贵金属的熔点,并最终实现了多种贵金属原子的插层。

困难虽多,但在我们的努力下,这些困难一个个都被攻克了,并且最得到了预期的实验结果。

如何简单灵活地实现MAX相材料的结构及化学成分调控并实现其不同的应用价值,是目前该研究领域的一个焦点问题。我期许着我们的研究能够为该研究领域注入新的思路和方向,进一步扩展MAX相和MXene材料的结构及化学组成的多样性,并且进一步促进其在催化、能源储存、电磁屏蔽等领域的应用和发展,在物理、化学和生物诸多学科取得新的应用突破。

丁浩明

科研路漫漫,创新和时效性是其中非常重要的一环。有时候,我们的想法可能其他团队也会想到。某天,黄老师发来一篇文章,与我们实验思路比较相似,这让我十分担心多年来的研究成果可能会付之一炬。这时候,黄老师鼓励我,“咱们继续深入实验。”

犹记得2022年3月某一天,黄老师与我在办公室讨论示意图画法。他提出了用“莫比乌斯环”来表达实验思路。这一想法,也激发我们继续进行尝试的动力,开发出了“化学剪刀”编辑层状材料结构新策略,实现了MAX相和MXene结构拓扑转变及组分精准调控,并创制出一类金属原子插层型二维碳化物新材料。

经过不断探索,终于在一个晴朗早晨,黄老师说,“我们的故事,完整了。”这一刻,我无比兴奋。后来经过审稿与优化,相关研究成果发表于Science。

“化学剪刀”辅助的层状过渡金属碳化物的“莫比乌斯环”结构编辑策略示意图

元素周期表汇总了组成MAX相和MXene的元素种类。圈出元素为课题组Science文章中已开展实验验证的元素

经历一次次锤炼,我明白了,实验过程不能照本宣科,应该多动脑筋思考实验的前因后果,深刻理解其中的原理和机理,在面临问题时也能找到根本原因,而不是盲目认为出现了错误即为“实验失败”。

更为重要的是,我们决不能自欺欺人,认为自己不需要把实验记录下来。这个时候,实验记录本就成为了最大帮手。面对满满记录,我告诉自己:“实验不顺利很常见,大不了从头再来。”在一次次重复实验的过程中,记录本伴随我有五年了,也见证着我的一步步成长。

丁浩明在记录数据

每当寻找错误原因时,我就想起黄老师挂在嘴边的话:“没有不好的数据,只有不到位的分析。实验中的失败是在向成功逼近的过程中所必经的一步,要靠认真的数据分析和找到失败原因来实现这一步跨越,大多数的失败都源自不愿意花时间钻研。只要坚持不懈地努力,成功离我们就更近一步。而数据分析也是打开成功之门的钥匙,它可以让一切浮云散去,让我们真正迎来成功的曙光。”

科研是一个既枯燥又充满挑战的领域,有价值的研究在产出之前很难预判其实验进展,这或许就是研究带来的风险所在。因此,对于那些真正热爱学术研究的人而言,必须长期保持着对这项研究工作的热情和信念。

每次与黄老师的探讨中,我更加深刻地理解着科研带给我乐趣和神奇。科研是一段与时代进程同步的旅程,它能够让你热情澎湃,一同享受快节奏和激情,并欣赏身边每一个景象。

丁浩明

只要你充满热忱,就不会停滞不前,因为好奇心能让你走向远方。

没有完美的个人,只有无敌的团队。我们的进步得益于团队成员的共同协作。我非常感谢黄老师五年来的倾情相助,他在我的科研路上扮演着启蒙人和领路人的角色。他对科研的真诚、热爱和付出,以及高深的学术造诣和严谨的治学态度对我影响深远。

愿未来的我们,像云、山和海一样自然、自由、自在。

我也将永远怀着感恩的心,回报期许,在未来的工作和生活中,做出更加出色的成绩。一程山水一年华,独愿此去经年,不改初志、不惧嘲弄,一生坦荡、一生纯善,乘风破浪、再启征帆。

 
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