——记华东师范大学物理系副教授袁清红
本刊记者  张春壮  孙秋霞

 
 
　　 36岁的袁清红，现在是华东师范大学物理系副教授。在机房，一袭白大褂，棕色短发，淡淡的妆容，女性的温柔美丽与智慧知性集于一身。
　　 在男性主导的科学世界里，袁清红一步一个脚印，凭借女性特有的细腻与敏锐，在石墨烯和碳纳米材料等领域开拓出一片靓丽的天地。不久前，作为三名获奖人之一，她在2014年获得国际石墨烯大会优秀墙报奖。
　　 在采访中，袁清红告诉记者，平时自己也喜欢逛街，追求一些时尚的东西。女性的审美下，深藏更多的是她对科研的认真和执着，“我在科研方面的天分不是很好，但我最大的特点就是认真”。

行走在碳材料的前沿

　　 从大学到博士，11年的求学历程终于让袁清红实现了成为一名大学老师的夙愿。在人生的千回百转中，推着我们不断前进的也许就是童年那不经意的梦想。袁清红并未满足于此刻的成绩，在无数的疑问中，她不断追寻着答案。
　　 石墨烯是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的统称。早前，石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直到2004年，英国曼切斯特大学物理学家安德烈·撒姆和康斯坦丁·玛卡李奇成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因“二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。从此，国内外迎来了石墨烯研究的浪潮。
　　 受到香港理工大学丁峰教授的影响，袁清红从2009年年底便开始了对石墨烯的研究，当时国际上关于石墨烯生长机制的理论研究才刚刚起步。袁清红告诉记者，他们在石墨烯上做了非常系统的工作，“从金属表面的单个碳原子到大片石墨烯的生长，我们揭示了石墨烯在早期成核过程中一维碳链的稳定性和二维碳团簇中拓扑缺陷的存在，并提出了石墨烯在连续生长过程中可能的的模式，解释了石墨烯的取向和金属沉底对称性的关系”。此外，他们在研究中还发现随着金属催化剂表面硬度的不同，石墨烯生长呈现台阶生长、悬浮生长以及嵌入生长等不同模式。这些不同生长模式将导致石墨烯生长取向的不同，其中采取台阶和嵌入生长模式的石墨烯具有生长取向的一致性。因此，袁清红团队推测在倾向于台阶和嵌入生长模式的金属催化剂表面有可能长出大片的单晶石墨烯。这一理论预测结果最近被韩国著名的石墨烯实验研究小组所证实。
　　 袁清红解释道，“实现石墨烯生长取向的一致性是合成大片单晶石墨烯的重要条件，我们的研究结果表明石墨烯在某些金属表面取向一致而在某些金属表面取向多样”。该研究结果不仅成功解释了目前大部分的实验结果，并且为将来实验上选择合适的金属催化剂来合成高质量的大片石墨烯提供了理论依据。

揭示碳纳米管的CVD生长机制

　　 近日，SCI影响因子达11.336的国际著名化学期刊《Angewandte Chemie International Edition》（《德国应用化学》）第54期发表了袁清红的论文“How a Zigzag Carbon Nanotube Grows”，并将该文选为封底文章。论文首次从理论上揭示了被称之为Zigzag碳纳米管的生长机制，解释了实验上一直难以获得Zigzag碳纳米管的根本原因，提出通过催化剂选择和改善实验条件获得Zigzag碳纳米管的实验手段。
　　 袁清红向记者介绍，碳纳米管生长机制的理论研究比较复杂。因为碳纳米管的类型较多，每一类碳纳米管的生长机制都不一样，“做理论模拟的话，我们需要一个理论模型，但我们早期对碳纳米管的生长模型不是很清楚，存在许多争议，再加上早期的CPU计算也很慢，如果要做碳纳米CVD生长机制的第一性原理计算需要耗费很长的时间”。
　　 最早开始研究碳纳米管生长机制的是袁清红的博士后导师——香港理工大学丁峰教授，他从2003年开始一直做这方面的研究，并于2009年在美国杂志上发表了一篇关于碳纳米管的生长速度与螺旋角度关系的文章，提出碳纳米管的螺旋角度越大，其生长速度越快。这一理论模型能解释大部分的实验结果，但同时也有一定的局限性。
　　 后来，袁清红和丁峰教授合作，对不同类型的碳纳米管的生长机制进行了深入研究。提出碳纳米管生长的台阶模型，并发现碳纳米管生长的决速步是碳原子从金属催化剂表面加入到碳纳米管并成为碳管一部分的过程。“我们的研究发现，铁是大部分碳纳米管高速生长的优良催化剂，在1300K的温度下，这些碳纳米管在铁催化剂表面的生长速度可达到106 nm/s，这与目前绝大部分的实验结果一致。”该研究成果发表在物理类顶尖杂志Phys. Rev. Lett.上。
　　 相比之下，一种被称之为zigzag型的碳纳米管在实验上则极少能被观测到。于是，袁清红与丁峰教授在先前研究的基础上，进一步探讨Zigzag碳纳米管的生长机制及速度。发现Zigzag碳纳米管的结构与其它手性碳纳米管的根本不同之处在于，其生长的开口端是由完全封闭的圆形碳链组成的，这导致Zigzag碳纳米管的生长必须经历一维成核过程。由于成核非常困难，所以导致Zigzag碳纳米管的生长速度很慢。“我们首次从原子的尺度上解释了Zigzag碳纳米管的一维成核过程，证实了Zigzag碳纳米管的生长是有可能的。并且，可通过选择活性高的金属催化剂（如铁）以及较高的实验温度来获得更高产量的Zigzag碳纳米管，而且Zigzag碳纳米管的生长速率正比于其直径。”
　　 尽管这些理论预言还有待实验科学家的进一步验证，但据袁清红介绍，该项研究成果的现实意义还是非常显著，可以用来调控碳纳米管生长的一些实验参数，实现碳纳米管的手性可控合成，从而使其在电子器件领域得到真正的应用。
　　 袁清红介绍说，碳纳米管的电子性质与其手性有很大关系，生长过程中保持特定的手性对实现碳纳米管在电子器件领域的应用具有非常重要的意义。然而，碳纳米管在生长过程中的各种拓扑缺陷会导致其手性发生改变，因此有效地消除这些拓扑缺陷是确保碳管在生长过程中保持其特定手性的关键问题。基于理论分析和计算，袁清红和丁峰教授提出，在碳纳米管生长过程中最有可能的拓扑缺陷是五元环和七元环成对的缺陷（五/七缺陷对），一定温度下，碳纳米管中的五/七缺陷对浓度可低至10-11，即cm长度的碳管内没有任何缺陷。该研究结果被实验科学家证实并发表在物理类顶尖杂志Phys. Rev. Lett.上。目前已被Science, PNAS等多个著名杂志引用，引起了包括美国自然科学基金网等众多国外媒体网站的关注和报道。
　　 袁清红告诉记者，理论研究有其局限性，要想获得最新最前沿的实验进展，必须与实验科学家保持密切合作。“除了密切关注最新的实验进展，我们还与国内外一流的实验小组保持了密切的合作关系。一方面利用他们的最新实验结果来指引我们的理论研究方向，另一方面，我们的理论研究结果能帮助实验科学家理解实验结果并作一些有目标性的尝试实验。”袁清红团队通过与实验合作，取得了很多丰硕的成果，相关的研究工作发表在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、 ACS NANO、Nat. Commun.等著名杂志上。

“时间都去哪了”

　　 “门前老树长新芽，院里枯木又开花……”2014年春晚的一曲《时间都去哪儿了》引起了许多人的共鸣。教学、科研、照看小孩、家务事??袁清红总觉得时间不够用：时间都去哪了？
　　 现代社会，科研领域已不乏女性身影。她们在投身科学研究的同时，也努力做着工作、家庭和生活之间的平衡，袁清红也不例外。她不仅要在工作中花费大量时间，还需要照看小孩，料理家务。“工作有的时候会占据很多时间，每一天的进展都非常多，哪一天不看文献，就会错过很多。”
　　 每逢周末，袁清红也不会落下工作，为了节省时间，她常常用网购代替逛街。如今，袁清红的女儿已经5岁，这正是孩子启蒙的好时期，她给孩子报了一个画画班和音乐班。“虽然花了一些心思在孩子身上，但觉得远远不够。”
　　 令袁清红倍感欣慰的是，她在科研上的付出有了回报。“付出不一定有收获，但不付出肯定没有收获，我觉得自己还是比较幸运的。”每当谈到自己在科研上的成功，袁清红总是会提到自己的博士后导师，对导师心怀感激，“他给了我很大的帮助，他的科研直觉非常好，对问题的思考有着独到的见解，在他身上我学到了很多东西”。
　　 采访中，袁清红始终用浅显的语言给记者解释这些难懂的专业问题。每每讲完一个问题，她总是习惯性地总结一遍，冷静的言语后折射出她清晰的思维逻辑。正如她所做的工作，从来不是一蹴而就，而是在常年的日积月累的付出。这些付出与收获，成就了女科学家的美丽与价值。