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发布时间：2015-12-11
本刊记者 徐芳芳
上世纪90年代初，纳米科技作为一种新兴科技迅速发展起来。随后的20年间，纳米技术成了世界各国抢占科技领域的战略新高地。“我一直都对物理学挺感兴趣的，后来博士时期就选择了纳米物理与器件作为研究方向。现在纳米能源具有巨大的发展前景，我也希望能通过自己的智慧和力量得到新的成果。”谈起自己的研究领域，东北大学理学院物理系教授薛欣宇表现出极大的信心。
自充电电池——将纳米能源转化和存储合二为一
2005年，为了解决纳米器件的供电问题，中国科学院外籍院士王中林开始研究纳米发电机，一年后实验成功，并在《科学》杂志上发表。这个成果被认为是纳米科技发展中“从单个器件飞跃到阵列器件的里程碑”。2011年，作为访问学者，薛欣宇来到了美国佐治亚理工学院材料系王中林课题组学习研究。
“也是从那时起我接触到了纳米发电机和自供电系统，然后就开始考虑我应该从事什么方向。”薛欣宇说到：“当时我在国内主要是做电池和传感器研究，而自供电系统存在储电方面的问题，正好我可以设计一种新的电池，把纳米发电机获取的能量储存起来，然后再给其他功能器件供电，这样就方便多了。所以我就考虑做这两者的交叉研究。”
能量转化技术和能量储存技术是解决能源问题的两大最核心技术。以往，这两大技术是基于分立的器件单元和不同的途径来实现的，多个能量单元简单连接在一起成为供电系统，能量在“转化—传输—存储”过程中会有一定的损耗，且集成供电系统体积较大、便携性不高。
针对这些因素，利用王中林课题组已有的压电效应、发电机等较为成熟的工艺，薛欣宇在自己选择的方向潜心研究，最终于2012年研发出新型的“自充电电池”：单一器件同时具有能量转化和能量存储的功能，通过新的“压电—电化学过程”把机械能直接转化为化学能存储在电池中，减少了这一过程中的能量损耗。该新型电池不需要外接电源充电，而是利用人类行走、肢体活动或机器振动等方式就可自充电，为个人便携电子系统和自供电系统提供了一种新的能量源。这一成果被英国物理学会的Physics World评为2012年度世界十大物理学突破，得到了中国科学报和CNN 等国内外媒体的报道。
薛欣宇开发的自充电电池第一代原型器件结构分为电极、压电隔膜、外壳和电解质四部分。其工作机制，即压电—电化学过程为：当器件受压力作用时，压电隔膜形变产生压电电场，驱动电解质中的锂离子从正极向负极移动，使得正、负极材料表面处的化学平衡被打破，分别发生脱、嵌锂，从而完成一次充电过程。
回国之后，薛欣宇继续对自充电电池开展研究，2013年，他在第一个部件“电极”方面研发了新型的压电电极，提高了器件性能；2014年，在第二个部件“隔膜”方面研发了新型的介孔压电隔膜，提高了器件性能；2015年，在第三个部件“外壳”方面研发了柔性器件外壳，减少了机械能的损耗，提高了自充电效率。
自供电气敏传感器——新领域下的深入探索
尽管在美国佐治亚理工学院的学习时间不长，但对薛欣宇的影响却非常大。“科研层面的收获自是不必说，更多的是感受到价值观层面的改变。王老师（王中林院士）对待科研的态度让我感觉到我们的工作还是挺有意义的，可以为国家、为人类做贡献，所以现在科研对我而言不仅是兴趣使然，而且看得更加重要了。”薛欣宇表示，对目前的研究方向他也更加有信心和动力了。
在研发出新型自充电电池之后，他还首次将小尺寸压电材料的压电输出与外界环境探测相耦合实现了自供电气敏传感器，压电—气敏传感过程首次提出并证明了表面化学状态可以调控压电效应。这一新器件的压电信号既当作驱动器件的电源，也可看作传感信号，器件可完全脱离外界电源供电或电池，提高了便携性，可更加方便灵活的使用。同时，自供电气敏传感器的灵敏度也高于传统器件，关键实现了室温气氛探测，也具有更高灵活性和快速提取数据的特点，为气敏/生物化学传感开辟了一个新的发展方向，具有一定的应用前景。
“自供电气敏传感器”这一创新成果，同时也被选入2013年英国物理学会论文精选集（IOP SELECT），并得到《Nature Photonics》和《Nanotechnology》的编辑Anna Demming博士的专门撰文介绍，其题目为“纳米尺度的多功能化”。
之后，薛欣宇又继续深入研究了自供电气敏传感器及其压电—气敏传感过程，探索了提高器件性能的几个发展方向：如表面修饰、构建异质结构、催化剂修饰、生物蛋白吸附、紫外光辅助、掺杂、改进器件结构和制备原位器件等。在这一过程中，压电—气敏传感的理论机制逐步得到了完善，并建立了相对准确的物理模型。
结合自充电电池和气敏传感器的工作，他还发现小尺寸下的压电效应和表面效应存在一个交点即“表面”，二者之间的耦合作用可以诞生新的物理化学现象。“通过自充电电池我发现压电效应可以影响材料的表面状态，而通过自供电气敏传感器研究则发现表面状态也可以反过来影响压电效应，即不同的表面状态具有不同的压电效应。”薛欣宇介绍。由此，他提出了新的“压电—表面耦合效应”，并在这一新领域研究新的物理化学现象，并开发新应用系统，揭示其蕴含的物理化学本质，使其成为凝聚态物理、材料学和纳米技术等领域的新学科发展点。
而身兼教学和科研双重任务的薛欣宇，在承担大量课题的同时还积极探索改革教学模式，致力于培养高水平的拔尖创新人才。而他的科研团队也同样受益于此，不仅拥有教授、讲师、博士以及硕士研究生，同时还有本科生。
2013年，在东北大学理学院物理系的全力支持下，薛欣宇依托纳米物理课题组成立了面向本科生的“微电子物理”创新实验班，在课余时间和假期进行集中培养。很多学生在大二、大三时期就有机会到他的实验室做一些创新实验。“在本科时期就培养他们做一些科研工作，现在有很多人都取得了不错的成果。”薛欣宇介绍，“而且他们毕业以后方向都不错，本科生能取得这些成绩我觉得还是挺欣慰的。”近两年，已经有7名本科生以第一作者发表了SCI论文，其中一篇论文影响因子达到了7.3。
“我做的工作几乎都是交叉和融合，现在，尤其是纳米领域，我觉得交叉融合是一个必然趋势，可能在更深层上有新机制出现，而且会有一些新的特性出现，所以我觉得这是一个非常好的科研方向。”薛欣宇说道，“我希望在这个领域能有一些新的发现，探索是否还有新的压电—表面耦合效应引起的、宏观还没有发现的新物理现象，并且探索其应用前景。”薛欣宇表示，这也是目前他的团队重要的研究方向之一。带着这样一支朝气蓬勃的团队走在纳米科技前沿，薛欣宇对未来的发展充满了希望。
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