——记2017年度国家自然科学奖二等奖获得者张锦

　　本刊记者  吴应清
　　
　　

　　爱迪生经过13个月的艰苦奋斗，试用了6000多种材料，试验了7000多次，以坚持到底的精神最终发明了电灯，使人们不再受黑夜的限制。“锲而舍之，朽木不折；锲而不舍，金石可镂。”对于坚持的力量，荀况给予了最有分量的解释。纵观古今，在成大事者、大学问者身上，始终少不了执着坚持的精神。
　　数十年来，北京大学化学与分子工程学院的教授张锦，一直执守在碳纳米管研究中，就是对坚持的践行。他说，能不能做好科研，一个重要的问题是看你能不能坚持。“低维碳材料的拉曼光谱学研究”项目荣获2017年度国家自然科学奖二等奖便是他与团队以十多年的坚持结出的硕果。
　　

耐心之树孕育黄金之果

　　30多年前，当张锦还是宁夏同心县汪家塬村那个为取水行走30公里的少年时，他便深知“知识改变命运”这句话的真义。努力学习，汲取知识的养分，张锦走出了生养自己的家乡，走出了国门；30年多后的今天，当张锦已是头顶众多头衔的北京大学教授之时，儿时取水的记忆仍挥之不去。在他看来，正是因为那段苦乐并存的岁月锻造了他在往后科研工作中坚韧不屈、不向困难低头的品格；也造就了他不将就、精益求精的工匠精神与敢于“亮剑”、勇于承担责任的担当精神。正是拥有这一笔笔财富，使张锦在中国的碳纳米管（以下简称“碳管”）研究上乘风破浪，开创新篇。
　　1985年，“足球”结构的C60一经发现即吸引了全世界的目光；1991年，一种更加奇特的碳结构——碳管，被日本电子公司的饭岛博士发现。自碳管被发现以来，便被作为纳米材料的代表之一，独特的一维结构使其具备了优异的力学、电学、热学、光学等性质，在能源存储与转化、复合材料、多相催化、环境保护及生物医药等领域具有巨大的应用潜力，因而受到了企业界与科学界的“热力追捧”。
　　“碳管具有良好的力学性能，抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，它的弹性模量可达1TPa，约为钢的5倍。同时，碳管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，并且其熔点是已知材料中最高的。另外，碳管还具有一些特殊的电学性质与良好的传热性能，还有着较高的热导率”张锦说道。1998年，张锦从英国利兹大学回国，2000年进入北京大学后就跟着刘忠范院士一直坚持做碳管研究。而在那个时候，中国的碳管研究才起步。在做了一段时间后，2004年左右石墨烯问世，盖过了碳管的风头，很多人转去做石墨烯的研究，而他却始终坚守在碳管这块阵地上，踏踏实实地埋头攻关。
　　不忘初心，方得始终。当你在一件事情上付出比别人更多努力时，你收获的将是别人所艳羡的成就。“低维碳材料的拉曼光谱学研究”荣获2017年度国家自然科学奖二等奖便是张锦坚守所得。
　　碳管和石墨烯等低维碳材料有望在未来半导体、微纳电子和能源等领域发挥核心作用，是主导未来高科技产业竞争的战略材料。但是，在这之前，对其基本结构与性质的深入研究是能否取得引领性和原创性研究突破的关键环节，也是其落地应用的瓶颈所在。
　　在“低维碳材料的拉曼光谱学研究”项目中，张锦以拉曼光谱技术为解决问题的“钥匙”，对低维碳材料结构与物性的微区拉曼表征、石墨烯增强拉曼散射和低维碳材料能带调控中的电子—声子耦合特征等基本科学问题进行了深入研究。
　　在研究中，针对目前碳管研究中结构的精确控制及其结构与性能的表征等难题，张锦与团队发展了单壁碳管物性的高分辨拉曼光谱表征方法；提出了基于“碳基催化剂”的单壁碳管手性控制的克隆生长方法。其次，张锦团队提出了石墨烯增强拉曼散射的概念，证明了石墨烯增强拉曼散射的化学增强机制；发展了石墨烯的控制制备与转移技术，获得了严格单层的大面积石墨烯；发展了基于石墨烯的柔性拉曼散射增强基底的制备方法，实现了任意形貌表面上痕量物种的拉曼信号直接检测。最后，张锦团队提出了单壁碳管能带结构的应力调控方法；提出了低维碳材料能带结构的光化学调控方法，实现了石墨烯的片层裁剪、逐层减薄、石墨烯到氧化石墨烯的定域转化、以及碳管从金属性到半导体性的转化。这些研究发展了低维碳材料的拉曼光谱学，拓宽了低维碳材料的应用范围。
　　从踏入碳管研究领域开始，张锦就一直相信碳管一定会“发光发热”，所以不管遇到什么困难，他都一如既往的坚持下去。他说，现在中国在碳管领域已经走在了最前面，但在高端的应用上，还需要探索，而他会不辞余力，在碳管研究上燃烧自己更多的“能量”。
　　

坚守初心，一战到底

　　都说科研无坦途，如果你要问张锦科研攻关中遇到了哪些困难，张锦的回答是：“困难么，有是有，不过都忘了。”因为在他看来，科研有着别样的魅力，记忆中剩下的都是美好的情景。
　　他难于忘怀的有，以特洛伊木马为灵感源头提出碳管生长催化剂时的兴奋。“碳管要长出来就要用催化剂，催化剂还要放得特别近，这就导致催化剂特别容易聚集，催化剂一旦聚集后就长不出碳管。所以我们根据特洛伊木马的故事想能不能先把催化剂藏起来，然后在碳管生长的过程中一个一个放出来，这样催化剂就不会聚集了。这一方法成功解决了催化剂易聚集的问题。”
　　他难以忘怀的还有，研发出控制碳管结构的固体催化剂时的喜悦。他说，催化剂表面容易融化，无法控制碳管的结构。在无意中，他与学生发现以固体催化剂的对称性匹配能够实现特定结构碳管的控制生长。
　　
　　在科研生涯中，保存在张锦记忆中的全是这些和团队在讨论问题与解决问题中的快乐的回忆。在张锦看来，他们所研究的东西，可能只发表了几篇文章，但是后面的故事却不是几篇文章能够写尽的。18年过去了，对科研的热情，张锦仍不减当年。而对科研的深情，他用了一段话来阐释：“我们国家在碳管研究领域已经做得很好了，但是能不能做得更好，这是一个问题。因为我们做研究跟国外有差异，我们缺少工匠精神，向钱看，只想把东西做出来赶紧去赚钱走人，而很少有人真正把它从头到尾做好，把它的用处落到实处。此外，我们还缺少担当精神，不敢担负起科研人顶天立地做科研的责任。”
　　要把一件事情做好，用功是必须的。对科研怀有巨大的深情与热情，在工作中，张锦一直践行着工匠精神。同样，张锦也认同，独行虽快，众行致远。在前进的过程中，他提倡的一个理念是和团队在学习中前进，和团队一起讨论问题，解决问题，这样问题也更容易解决。“换句话说，我一个脑袋有限，我一个人指挥10个脑袋更有限，我应该把这一个脑袋跟10个脑袋加起来，变成11个脑袋做研究，这个才能够进行的快，提高更快。”而谈起未来的研究计划，张锦说，制备决定未来。要迎接碳时代的到来，制备这一关首当其冲需要攻克，他要以团队作战的形式，力战碳管制备，为碳时代的到来扫除障碍。
　　
　　
专家简介：
　　
　　张锦，北京大学化学与分子工程学院教授，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，中组部万人计划科技创新领军人才，英国皇家学会会士。长期从事低维碳材料的物理化学研究，在低维碳材料的拉曼光谱学研究方面做出了突出贡献。曾获2017年度国家自然科学奖二等奖（第一完成人）、2008年度国家自然科学奖二等奖（第二完成人）、2005年度教育部“新世纪优秀人才资助计划”等。作为首席科学家承担了科技部国家重点研发计划纳米科技重点专项项目，推动了纳米碳材料基础与应用研究发展。