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灣區逐夢 | 李江宇:探尋針尖下的納米世界,揭開材料結構奧秘

時間:2020-01-14  來源:文宣辦 文本大?。骸?a href="javascript:doZoom(16)">大 |  | 】  【打印

  【慶祝新中國成立70周年,獻禮中科院建院70周年,深圳先進院推出“引領科學風尚 傳承科學精神”系列人物報道,樹立先進典型,凝聚榜樣力量,講述科技工作者的精彩故事及取得的最新成果,弘揚他們胸懷祖國、服務人民的愛國精神,勇攀高峰、敢為人先的創新精神,追求真理、嚴謹治學的求實精神,淡泊名利、潛心研究的奉獻精神,集智攻關、團結協作的協同精神,甘為人梯、獎掖后學的育人精神?!?/p>

 

  “如果我們能夠按自己的意愿排列原子,將會出現何物?這些物質的性質如何?”早在1959年,諾貝爾物理學獎得主、著名物理學家理查德·費曼就曾提出這個問題,雖然當時的科技水平尚無法突破這一難題,但他從未懷疑人類有這樣的潛力。

  如今,隨著納米和顯微技術的快速發展,費曼的設想已經成為現實。中國科學院深圳先進技術研究院(簡稱“深圳先進院”)納米調控與生物力學研究中心主任李江宇研究員,致力于掃描探針顯微方法的研究,在納米層面解析并調控功能材料的結構與性能。

深圳先進院納米調控與生物力學研究中心主任李江宇研究員

  打磨通向納米世界的“手”

  “材料科學關注的核心問題是結構與性能間的關系,材料的微結構深刻影響其性能。目前,高性能透射電鏡等顯微技術已經能夠在原子尺度乃至亞原子尺度確定物質的結構、成分、物相等?!崩罱罱榻B道,“這就像我們的眼睛,能非常清楚地分辨材料的結構。但我們還需要一只手,能在這個尺度感知材料的性能,并對其進行調控?!?/p>

  近十年來,納米材料因其諸多的優越性能已發展成為研究熱門,然而由于實驗手段的缺乏,在納米尺度下材料的結構與性能關系尚不十分明了,這阻礙了納米材料進一步走向更廣的應用。因此,亟需發展新的技術方法,在納米尺度對其物性進行測量、對其結構進行操縱。李江宇團隊在過去十年中便致力于此。

感知納米材料性能的“手”——掃描探針

  要知道,1納米僅有頭發絲直徑的六萬分之一,這要求“手指”具有超高的靈敏度和精度。李江宇團隊研發的掃描探針顯微技術成功實現了這點。

  “我們研發的掃描探針方法能夠在10納米的空間精度下,定量測量材料的各種響應,如優于0.01K的溫度分辨,同時還能夠分辨響應所對應的微觀機制,這是我們的獨特之處?!崩罱钫f道。

掃描探針下的納米材料世界

  揭開鈣鈦礦電池結構之謎

  利用掃描探針技術,李江宇團隊在熱電材料、鐵電薄膜、固態電池、生物體系等領域做了一系列研究探索,鈣鈦礦太陽能電池是其中之一。

  鈣鈦礦電池被認為是新能源領域的下一個顛覆者,在短短十年內,其光電轉化效率已從最初的3%提升至25%。盡管如此,從材料科學角度而言,其最基本的晶體結構仍存在著很大爭議,一部分人認為它是極性的,而另一部分人則認為它是非極性的。兩大陣營都有實驗數據支持自己的觀點。

鈣鈦礦電池屬于第三代太陽能電池(圖片來自網絡)

  “這兩種可能的晶體結構差別非常細微,最先進的透射電鏡、X光衍射等結構表征方法都難以分辨?!崩罱畋硎?。這一難題在掃描探針下迎刃而解?!皟煞N結構在掃描探針下的力電響應有著非常顯著的差別。經過大量實驗,我們驚喜地觀察到晶體中極性與非極性交替并存的現象?!边@一發現為該領域爭議已久的問題找到了答案,相關論文在2018年發表于自然子刊 npj Quantum Materials 上,“這是我們近兩年最得意的工作,”李江宇笑稱。

利用掃描探針觀察到的極性非極性交替現象

  用“手指”摸清本質結構后,團隊結合“眼睛”,也就是透射電鏡進一步開展研究,這回瞄準的是鈣鈦礦電池商業化面臨的最大挑戰——穩定性問題。

  據了解,鈣鈦礦電池雖然性能優異,卻極易降解,導致性能衰退?!霸诓牧辖到馔嘶^程中,我們與合作者利用透射電鏡觀察到一個新現象,即材料會經歷一個中間狀態的超結構?!?/p>

  如果能將材料穩定在超結構下,那么就能提升材料和器件的穩定性,初步的實驗印證了這一猜想。此外,團隊發現超結構也具有優異的機電耦合性能,為鈣鈦礦電池材料和器件的進一步優化提供了方向指引,這一成果于2019年發表在《自然·通訊》上。

  八千里路云和月

  長年專注于功能材料基礎研究及顯微方法發展應用的李江宇,已在《科學》《自然材料》等權威學術雜志上發表學術論文200余篇,總引用愈萬次,曾榮獲2017年度美國顯微學會今日顯微學技術創新獎,并多次受邀在國際會議上作大會報告。

  在全職回國加入深圳先進院前,李江宇已在美國學習工作了整整25年。在美國科羅拉多大學取得博士學位后,他先后在加州大學圣地亞哥分校及加州理工學院從事博士后研究,回國前已是華盛頓大學終身教職的正教授,曾擔任該校機械系主管科研的副系主任。

李江宇在深圳先進院的中心團隊

  許多人好奇李江宇為何放棄了美國高校優越的科研條件和待遇,選擇回到深圳先進院這一年輕的科研機構。在中國科學院深圳理工大學(暫定名,簡稱:中科院深理工)舉行的首屆全球招聘會上,李江宇以岳飛的詞句“八千里路云和月”為題,回顧了自己歸國投身科研事業的心理歷程。

李江宇在中科院深理工首屆全球招聘會上作為代表發言

  他在報告中分享道,在美國的生活雖然舒適,但始終沒有歸屬感。他感慨于“時間就是金錢,效率就是生命”的“深圳速度”,也見證了深圳先進院在短短十三年間從5人團隊發展壯大到3000人規模,不斷在國際學術舞臺上展現科研實力。在深圳先進院即將迎來全面建設中科院深理工之際,李江宇希望能夠抓住高速發展的下一個十年,為祖國的科研事業及人才培養貢獻自己的力量。

  “莫等閑,白了少年頭?!彼趫蟾娴淖詈?,以此呼吁更多海內外有志之士加入中科院深理工,共同從0到1,建設一個深圳的、中國的、世界一流的大學。

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