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中国纳米材料研究的先驱

日期: 2018-06-22
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 ——记中国科学院固体物理研究所原所长张立德教授纳米材料研究30年


     纳米材料与纳米技术始于上一世纪80年代,经过30多年的研究,纳米技术已宛如绽放的绚丽花海,正逐渐改变着我们生活的世界。很多人以为,纳米技术的应用范围只限于人们想象中的高精尖领域,然而实际上并非如此,纳米技术照样可以与人们的日常生活息息相关,可以解决现实难题。当今世界,纳米科技已渗透到人们生活的诸多方面,建筑、IT、医药、电器、塑料、陶瓷等领域到处可见纳米科技的身影。纳米技术还将在环保、微电子器械、能源的合理使用等方面起着越来越巨大的作用。

     三十多年来,张立德研究员及其团队始终坚持把国际最前沿的技术作为攻坚目标,系统深入地研究了纳米材料和纳米结构,在纳米科技的基础研究领域取得了在国际上颇有影响的科研成果,同时还积极探索了纳米材料在市场上的推广和转化,为中国纳米材料研究进入国际先进行列做出了突出贡献。


与时俱进,开拓创新,硕果累累


张立德是中国科学院固体物理研究所的资深研究员、博士生导师。1939年2月出生于辽宁营口的一个教师家庭,1958年考入北京大学物理系,1964年考取葛庭燧院士的研究生。在中国科学院金属研究所这一国内外知名的科研殿堂里,他受到了良好的熏陶,增长了许多材料科学的知识。1979年他到德国马普金属所深造,在此期间,他了解到国际材料科学发展的动态和趋势。1980年回国后,他参加了葛庭燧院士领导的中国科学院固体物理研究所的筹建工作,对该所的建立做出了重要贡献。


1985年8月,应日本学术振兴会的邀请,张立德随同葛庭燧院士赴日本进行科学考察。一个偶然的机会,他遇到了德国金属材料学家H.Gleiter教授,交谈中得知H.Gleiter教授领导的实验室正在研究纳米尺度材料,这一崭新的材料概念给张立德留下了深刻的印象,他被这种材料产生的奇异物性所震撼,随即意识到这种材料蕴藏着丰富的科学内涵,属于材料科学的前沿,将把人们对材料的认识推进到一个新的层次。1986年6月,葛庭燧院士邀请H.Gleiter教授来固体所讲学,张立德负责并全程陪同H.Gleiter教授在合肥的访问,他见缝插针地与H.Gleiter教授讨论纳米材料领域的发展动向。1987年,张立德访问德国萨尔大学新材料实验室,考察了纳米尺度材料的制备、研究等内容,深受启发。回国后,在葛庭燧院士的支持下他给中科院领导写了一封关于开展纳米材料研究的建议信,立即得到中科院党组书记、副院长严东生院士的大力支持。同年8月,在中科院基础局物理处处长李满园的支持下,纳米材料座谈会在北京召开。


1987年张立德率先在国内开展纳米材料研究。三十多年来,他带领团队围绕国际上共同关注的纳米科技领域的关键问题,进行了深入系统的研究,取得了在国内外颇有影响的成果。


1990年3月和1991年3月,在科技部和科学院等部委的大力支持下,张立德率先在合肥连续主持召开了两次纳米材料学术会议,来自全国二十几个单位的专家学者一致认为纳米材料和纳米科技为我国科学研究提供了新机遇,并建议有关部门大力支持这一领域的研究。于是从1991年开始在严东生和冯端两位院士的领导下,张立德参与了纳米材料国家立项建议的起草工作。1992年11月,张立德作为子项目的负责人参加了由严东生和冯端两位院士主持的国家攀登项目——纳米材料科学的研究。1995年,张立德依据国际纳米材料发展的趋势和国内纳米粉体材料研究的成果,及时发出了加速纳米材料产业化的呼吁,并在1997年与中国材料研究学会的有关专家共同发起、召开了纳米材料应用会议。中科院固体物理所及时将三项纳米粉体的专利进行技术转移,先后在江苏泰兴、浙江舟山和杭州建立了三条纳米粉体材料生产线。2000年8月,中国工程院化工冶金材料学部师昌绪院士在北京科技会堂举办了纳米科技报告会,张立德和其他六位学者做了主题演讲,指出纳米科技是21世纪最富有活力、对各个领域将产生深远影响的新科技,也将为我国的经济发展提供新机遇。这次报告会对推动我国纳米科技的发展起到了重要的作用。1999年,张立德作为纳米材料首席科学家主持了国家973项目——纳米材料和纳米结构的研究,对我国纳米材料研究进入国际先进行列起到了积极作用。


三十多年来,张立德在科研的道路上默默耕耘,克服了各种困难,在纳米制备科学和纳米技术工程化方面收获了具有国际影响的丰硕成果:


突破了纳米通道内生长单晶的瓶颈,发现通过控制纳米通道内离子迁移和化学反应的速率导致无序生长向取向生长转变的现象,发展了系列生长单晶纳米线有序阵列的关键技术,为纳米器件提供了关键材料的制备技术;


实验发现了尺度减小诱导的半金属向半导体转变的现象,确定了转变的临界尺度,制备了锡锑超晶格一维纳米结构、铁镍/铜/镍锰的异质结纳米线阵列和具有肖特基接触的半金属Y型结纳米阵列,为下一代纳米器件的设计提供了科学依据;


发展了十多种纳米粉体材料和纳米结构的制备技术。在制备科学中,发现纳米单元的尺度和分布依赖于成核速率和长大速度,分散的瓶颈是团聚,产生的原因归结为布朗运动和颗粒间相互作用,各向异性生长会导致纳米颗粒形态多样性。在此基础上,他提出了控制纳米材料尺度、形态和分散性的关键要素,通过调控原始反应物的剂量来实现纳米材料尺度的控制,根据材料设计和尺度大小的需求间歇式地供应原料,将每次反应产物及时收集,从而实现纳米单元的粒径窄分布。


以此为依据,张立德首次在国际上制备了纳米同轴电缆、氧化锌纳米线阵列,首次在单晶二氧化钛有序阵列中发现表面存在单电子空位和双电子空位,在可见光范围内有3个荧光峰,其中2个荧光峰分别是由单电子空位和双电子空位所诱导的,证明了氧化钛中钛离子与氧配位为TiO2-x,x大小是由单电子空位和双电子空位所决定的。由于张立德团队对纳米材料科学研究的突出贡献,获得了美国汤普森路透(国际权威科技新信息集团)首次在中国颁发的科学前沿卓越研究奖。


张立德还发展了等离子化学气相沉积、蒸发凝聚、化学共沉淀和溶胶凝胶等系列技术,实现了尺度、形态和分散性的控制,目前,这些技术已获得授权发明专利45项。他还发展了多项工程化制备纳米材料的关键技术,包括工业原料的提纯技术、消除硬团聚和二次团聚技术、纳米掺杂和纳米颗粒表面微孔化处理技术等,江苏泰兴、烟台佳隆、合肥开尔、舟山弘晟等产业均受益于张立德团队研究的科研成果。


著书立说,教书育人,获得荣誉无数


张立德先后培养了博士后11名,博士生121名,硕士生30名。其中3名获得中国科学院院长特别奖,11名获得院长优秀奖。他本人多次被评为中科院优秀博士生导师。张立德培养的纳米材料人才遍及国内外三十多个研究单位和大学,同时也为国内纳米企业输送了许多专业人才。2008年,张立德被中科院研究生院评为有突出贡献的教师。


在学术上每有一个新发现,张立德都会及时编撰成文,公之于众,并虚心接受同行的建议。自1994年以来,张立德已在SCI杂志上发表论文500多篇,已被引用近3万次。


基于以上科研成果,张立德领导的团队获得多项科技奖励。其中纳米材料奇异物性的实验和理论研究获得安徽省自然科学二等奖,纳米氧化铝和纳米钛酸钴的制备和应用研究获得中国科学院发明二等奖和国家技术发明四等奖,无机纳米线和纳米线阵列的研究获得安徽省自然科学一等奖,2006年一维纳米线及其有序阵列的制备研究获得国家自然科学二等奖,2008年10月份他领导的“纳米材料和纳米结构”项目研究群体被科技部授予“973计划优秀研究团队”的称号。

2008年,在获得美国汤普森路透奖项后,英国皇家化学学会和英文化学世界等多家刊物和网站介绍了张立德的获奖论文和他对纳米制备科学所做的贡献,在国际上产生了影响。国际著名刊物纷纷来函邀请张立德撰写综述论文。


近三十多年来,张立德共撰写专著3部,编著6部,主编2部,约350多万字,其中包括一本《纳米材料可控生长》的英文专著。该书2007年11月由世界科学出版社在世界范围内出版发行。全书比较系统地总结了一维纳米材料可控合成的方法、生长模式和纳米材料形貌多样性的起因,对纳米材料奇异物性和性能优化所取得的最新成果进行了介绍,还对纳米材料应用的典型示例进行了评述。


早在1994年,张立德就撰写了我国第一本纳米材料学专著,当时在国际上也是为数不多的纳米材料专著之一。2000年张立德撰写的《纳米材料和纳米结构》一书被科学出版社再版了十次,发行了几万册,成为我国纳米材料领域的经典著作,是纳米材料教学和科研的重要参考书。由化学工业出版社出版的张立德的四部著作中《纳米材料》一书是在2001年国内纳米材料研究形成热潮的形势下及时编写的,出版后在国内外引起了强烈反响,成为当年全国科技类图书排行榜第一名,被评为优秀畅销书,近年来多次再版发行,2003年被台湾五联书店以繁体字在国际华人圈发行,同年该书获得石油化工系统图书一等奖,2005年再获化工系统科技进步一等奖,该书对引导众多青年学生和企业家进入纳米领域起到了积极的引路作用。


2004年,张立德在《奇妙的纳米世界》一书中以生动的语言和科学故事,介绍了纳米概念和纳米技术的应用前景,受到包括中学生在内的广大读者的欢迎,科技日报特为该书撰写了书评。他和合作者编著的《纳米复合材料》一书系统地介绍了有机无机复合技术和表面修饰技术,对指导企业界研发纳米改性新产品起到了积极的作用。他与人合编的《纳米材料和纳米结构——国家重大基础研究项目新进展》一书,则详细综述了我国纳米材料取得的最新成绩,对纳米材料的研究起到了积极的推动作用。


张立德多次获得优秀图书一、二等奖,2004年被中国科学院评为优秀科普工作者。在普及纳米科技知识和积极宣传发展纳米科技的重要性等方面,做出了不可磨灭的贡献。


数十年辛勤耕耘,张立德为我国的纳米科技事业作出了突出贡献。他先后荣获首届科学前沿中国卓越研究奖,2002年全国五一劳动奖章,2008年“科学中国人年度人物”,2011年安徽省最高科技成就奖。2001-2005年他先后担任国家纳米科技协调指导委员会委员、国家863计划、S-863规划总体组专家、中国材料研究学会理事和中国科技学会副理事长,中国颗粒学会超微粒专业委员会主任,多次参与撰写国家纳米材料发展规划蓝皮书,2次为国家发改委撰写纳米材料应用和产业发展报告,为国家纳米材料和纳米技术的发展提供了符合我国国情的建议。


理论联系实际,注重成果转化


纳米材料科学原理和规律的基础研究,把人们对自然的认识从宏观、微观尺度拓展到介观领域。在纳米尺度空间认识自然,进而进行知识、技术和产品的创新是一种崭新的生产方式和工作方式,它与传统的工作方式截然不同,必然对社会进步、经济发展、国家安全和人民生活水平的提高产生深远的影响。纳米材料在基础研究取得的成果与其他自然科学研究成果一样,应该服务于社会、服务于经济、服务于民生。纳米材料只有在实际应用中才能充分体现其价值,早在1995年,张立德就认识到既要重视纳米材料科学的基础研究,也要将纳米材料制备技术由实验室转移到企业。他分析了技术转移工程中的3个瓶颈问题:一是降低纳米材料成本;二是发展规模化生产纳米材料的分散技术;三是发展纳米材料应用技术,促进产品的性能升级。同年,他先后在经济参考报和工商日报上撰文呼吁“加速纳米材料产业化进程”、“纳米材料饱蘸商机”,有识的企业家要关心重视纳米材料产业化的研发等。与此同时,他在中国科学院固体物理研究所创建了纳米材料应用研发中心,结合企业的需求,着手解决纳米材料技术领域的3个关键问题,在纳米粉体制备技术方面获得了十多项发明专利,并与企业家合作,使4项发明专利成功地实施了技术转移,实现了规模化生产。


自1996年至2002年,江苏泰兴纳米材料有限公司陆续建立了纳米二氧化钛等多条生产线。1996年,张立德及其团队以1995~1996年获得的2项二氧化硅发明专利为基础,与浙江明日(后改为弘生)公司的工程技术人员合作,建立了年产百吨的纳米二氧化硅的多条生产线,该公司生产的纳米氧化硅比表面高达每克640-720平方米,该产品广泛应用于建筑隔热保温、铅酸电池和玻璃表面涂层等产品上。2000年合肥开尔纳米有限公司研发了等离子化学气相沉积制备纳米材料的新装置,建立了氮化硅、氮化钛、氮化硼、氮化铝、碳化硅、碳化锆等零维和一维纳米材料,该公司成为国内生产非氧化物纳米材料的核心单位,填补了国内纳米粉体制备的空白,既满足了国内高校和研究单位对纳米材料的需求,也为高端和国防相关领域提供了新产品研发所需要的纳米材料。合肥开尔纳米材料有限公司生产的氮化钛还出口到美国、日本、英国、以色列等发达国家,受到了用户的好评。这些纳米材料在美国的伊瑟曼公司、3M公司和日本的公司的聚酯(PET)和聚酰亚胺(PI)薄膜材料、柔性薄膜材料功能全面升级中发挥了重要作用,近10年来,已出口到国外几百吨。张立德极力推动纳米技术产业化。3年中,他走访了31个企业,参加了二十多次专业技术座谈会,启发企业家以创新的思路运用和发展纳米实用化技术。


当前,纳米材料研发重点已从单纯优化性能步入到低成本、性能稳定和有利于节能环保等的应用阶段。2008年以后,张立德清醒地认识到加速纳米材料产业化的关键是提高实验室成果的转化效率。中小微企业是我国经济振兴的组成部分之一,经过大量调研和谨慎思考,他认为纳米材料在实验室的研究成果向企业转移,中小微企业是最佳的选择。这些企业接受新事物快,迫切需要新材料、新技术,实现产业升级。这类企业规模小、决策快,是加速纳米材料产业化的较理想的载体,也是发展纳米材料应用的规模技术、促使纳米材料新产品迅速进入市场,实现实验室研究成果与新产品对接的新模式。遵循这一原则,张立德依据节能、环保、先进制造和现代农业等领域的需求,有针对性地研发纳米技术、装备及纳米材料产品的优化设计等。他与企业密切合作,在新产品研发和生产线的建立等方面取得了有商业价值的新成果,获得了企业界的好评。


张立德与企业合作,进行新产品、新技术的升级,研发的主体不是在研究所,而是在企业。比如:利用价格便宜的工业原料(水玻璃和偏钛酸)宏量制备了球形纳米SiO2和TiO2粉体,设计了新型的静电喷涂涂层材料,利用纳米颗粒良好的触变性,对铝合金表面的微裂纹进行修复,省掉了对环境有严重污染的铬化处理,既提高了铝合金的综合性能指标,又有利于环保,2012年,在广东南海实现了批量生产,把我国铝合金制造水平提高到了一个新的层次。节能隔热保温是我国建筑、交通领域亟待解决的问题,张立德指导北京中科捷达公司设计并制造了隔热保温涂层材料、内外墙隔热保温材料及3 mm厚的纳米涂层,夏天能高效屏蔽热能传递,其热传递系数达到0.41,低于国际标准(0.61),于2012年获得了国家发明专利,并在山西、陕西和沈阳暖心工程得到示范推广。张立德等发展了窄粒径分布纳米粉体的制备技术,解决了宽粒径分布引起的性能失稳,这类窄分布纳米粉体已成功应用于车用齿轮表面处理和车用橡胶性能升级,取得良好效果。张立德还依据现代农业的需求,有针对性地推广纳米材料在农业相关领域的应用。例如,芒果的保鲜问题,一直是困扰广大果农和经销商的技术难题。为了解决这些问题,2008年,张立德应邀到海南三亚进行了实地考察调研,广泛听取当地农户们的反应和需求,把实验室宏量分散装置和技术进行了进一步改进,解决了芒果保鲜剂设计所需要的高分散的纳米材料问题。正是利用这种技术,充分发挥了保鲜剂中多元物质的协同作用,明显提高了保鲜效果,不但节省了保鲜剂,而且还使芒果的保鲜时间从原来的3-5天提高到15天以上。张立德还利用这套装置依据力化学原理指导三亚百泰公司成功制备了氨基酸螯合钙,并建立了多条生产线,申请了发明专利,获得国家的批文,这是首次利用纳米技术制备氨基酸螯合钙,其产品畅销于国内外。


时至今日,我国在纳米材料和纳米技术研究领域,处于国际先进水平,这都是张立德和他的同事们一起努力奋斗的结果。与此同时,张立德还热爱科学普及事业,在承担国家项目的同时积极参与科学普及事业,热心向社会宣传纳米科学技术,宣传纳米科技的基本内涵。他的主要科普著作有:《第四次浪潮——纳米冲击波》、《奇妙的纳米世界》、《纳米材料和纳米结构最新进展》等。多年来,他在全国15个省市作了20多场有关纳米科技的科普报告,他以科学的语言,深入浅出地论述了纳米技术和新产业革命的关系,以及纳米技术对社会发展、经济振兴、人们生活质量的提高所发挥的作用。他在中国材料导报粉体工程、高新技术产业及国内十几种重要的报纸上发表80多篇普及纳米科技知识的文章,深受读者的欢迎。他还积极推动纳米技术产业化,启发企业家以创新的思路运用和发展纳米实用化技术,引导人们全面认识纳米技术创新的难度,澄清人们对纳米技术认识的误区。他还为大学生、研究生和中学生夏令营做了10多场科普报告,普及纳米科学知识,其中“科学进步与创新”、“创新能力培养是育人之本”等报告生动活泼,深受广大青少年的欢迎。


桃李不言,下自成蹊。张立德研究员的卓越工作为我国的纳米技术研究领域播下了希望的种子,相信假以时日,必将绽放更加绚丽的花朵。



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