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【CC讲坛】李彦:教研相长,突破碳纳米管制备世界难题的中国贡献

上传时间:2022-02-12阅读次数:编辑:admin
html模版【CC讲坛】李彦:教研相长,突破碳纳米管制备世界难题的中国贡献

李彦

北京大学化学与分子工程学院教授

国际碳纳米管系列学术会议指导委员会委员

CC感悟:

碳基离不开碳纳米管,北京大学李彦团队解决了统一结构的碳纳米管制备这一世界性难题。她说,教研相长,要用最基础的理论去解惑最前沿的科学和思想,引导学生们一起做伟大的创新。

在李彦老师的演讲结束后,有一位朋友提出了这样一个问题:

“今天的芯片都是硅基芯片,在您们的努力下,会不会出现碳基芯片?碳基芯片和硅基芯片它们之间是怎样的一个关系和未来?”

作为客串主持人,我多么希望从李彦老师这样的世界级的科学家嘴里讲出来,卡脖子、弯道超车等等的回答啊。

面对百万在线网友,李彦老师没有口号和煽情,她的回答是科学的、严谨的:

“这是一个非常好的问题,也是我们经常问自己的问题。微电子与人们的生活密切相关,一个手机的芯片中就集成了成百万上千万的晶体管,计算机芯片更是集成了多少个亿的晶体管。

碳作为一个半导体材料,一些性能上显著的优于硅,这是显而易见的。但我的观点是,在信息产业当中,碳和硅是互补的材料。因为世界对硅的研究已经几十年,发展非常的成熟,进入了一个很高的发展水平,如果我们把它完全扔掉,显然不是一个非常经济的选择。

我认为更合理的选择是硅不能够解决的事情,我们用碳去解决。基于碳基的器件,可以去做光互联,可以去做柔性,可以在极端条件底下去使用等等,这都是硅不能够去做到的。

如果我们把硅和碳的特长结合起来,我相信未来的信息产业技术,会有更大的提升。所以对碳基芯片的未来,我是持非常乐观的态度,但是我没有期待它能够真正的替代硅,我希望碳和硅的技术融合发展,这是我期许的未来。”

李彦老师的回答结束后,我也陷入了沉思,CC伙伴的提的问题是高级的,李彦老师的回答是高级的,而我在当时心境是“口号式”的,空喊口号是不能解决科学问题的,负重前行的他们,最不愿的就是“轻飘飘”。

CC讲坛主编 富宇

3’55’’

被众多科学家看好的碳纳米管,因为没有可靠的办法直接制备单一结构纳米管,用于大规模集成系统,发展前景堪忧,看中国科学家如何破解这一难题。

7’25’’

利用扎实的普同化学基础,创新性的设计出具有独特结构的催化剂为模板,来合成单一结构的碳纳米管。

10’55’’

三维结构的催化剂有很多的晶面,如何让它只生长一种纳米管呢?

演讲实录:

作为大学老师,总是有两个职责:一方面是教学,一方面是研究。

过去的二十多年当中,在教学方面,我一直主讲化学专业大一新生的普通化学课程;在科研上,我主要是从事单壁碳纳米管的可控制备研究。我想用我的经历说明这样一个观点:教学和科研是相互支撑的,彼此成就的,这两者是相通相融的,夯实基础、勇于创新、明确目标、百折不挠,都是要做好这两方面工作所具备的要求。

就从我研究的对象碳纳米管说起吧。碳元素是在元素周期表当中,第二周期第四主族的一个元素,这个元素真的是特别的神奇。有人说:“二十世纪如果说是硅的世纪,那么二十一世纪就有可能是碳的世纪。”

这个碳到底神奇在什么地方呢?首先,我们整个的有机生命体系,完全离不开碳,没有碳就没有有机生命体。如果是从材料的角度来说,我们现在日常生活当中,都离不开高分子材料,那么碳也是组成高分子材料的必需元素。碳本身的单质形态,也是特别丰富多彩的,而这些丰富的单质,都是一些非常好的材料。

纳米管是由一个sp?杂化的碳,形成了六元环,这些六元环再连接起来,形成管状的结构,因为这样的一个结构,就赋予了它特别优异的性能,它是一个超轻的、超强的、超稳定的材料。而且具有最好的热导率,最好的载流能力,因此在航空航天、国防、健康、能源,各个方面都有可能应用。

作为一个半导体材料来说,它和硅相比,首先是一个直接带隙半导体。它对电子和空穴的迁移率都非常高,是硅的差不多两个数量级还要高,而且它迁移率是均衡的,这就给我们对它在信息产业当中的运用,产生了很多的期待。所以说碳纳米管,显然是一类主导未来高科技竞争的,一个战略性的材料。

让我们来回顾一下,碳纳米管研究的发展历史:在1991年的时候,日本的科学家饭岛澄男在电镜底下,观测到了一个管状的碳纳米管,那么碳纳米管,就一下子进入了我们所有科学家的视野。在1998年的时候,第一个基于碳纳米管的晶体管做出来了,它优异的性能,立即引起了大家非常广泛的兴趣,甚至于有人认为,它有可能替代硅。国际半导体路线图委员会,就把碳纳米管列到了线路图当中去。

但是很快我们就发现,它遇到了一个瓶颈性的问题,那就是材料的问题。

碳纳米管没有单一结构的这样一个材料,就带来了很大的问题,为什么这么说呢?我们要先从纳米管的结构来说起了,纳米管是一个管状的结构,如果我们把管状的结构打开,把它放到一个石墨烯片上去,描述它的结构的话,把它的管端做一个矢量的分解,得到这两个数,我们用这两个数来描述,来标注纳米管的结构,我们把这个n和m 叫做纳米管的手性指数。如果n和m不一样的话,不光它的几何结构不一样,性质也不一样。

在这里我们在举两个例子:(9,0)纳米管就完全没有带隙,那么(10,0)纳米管就有带隙,所以它就有可能是金属管,有可能是半导体管,这样的话就给我们的应用,带来了很大的麻烦。因此单一结构纳米管的制备,从科学角度来说,它是我们合成化学当中的一个基础问题,从应用角度来说,它是一个巨大的挑战。

要做单一结构纳米管有多难呢?我们可以做这样的一个比喻,如果给了你一些纳米管的样品,实际上就好比是你拿到了一捧沙子,你仔细看,每一粒沙子都是不一样的。现在要把每一粒沙子做得完全一样,显然是非常困难的。所以在我们这个领域当中,就把做单一结构的纳米管看作是,这个领域当中的一个研究的终极目标。当然,它也是一个非常有挑战性的问题。

因为遇到这么一个瓶颈,纳米管的研究就逐渐进入了一个低谷。尤其是在这个节骨眼上,有一种新的材料又出现了,就是石墨烯,很多人纷纷转到石墨烯当中去,大家不停地转向新的材料,不愿意去做那个特别难的,剩下的这些问题,可是这些问题对应用是特别重要的。这个事情就像是我们在吃饭的时候,突然上来了一盘非常肥美的烤鸭,那你旁边的鸡骨头,显然就不会有人再去关注它了。

我是在纳米管研究最高潮的时候,被动地进入这个领域,在这个很多人离开的时候,当然也会去犹豫,我要不要留,我要走还是要留?经过非常慎重的考虑以后,我决定留下来,决定留在这个领域,去啃这个骨头。为什么要下这样一个决心呢?基于两点考虑:第一个考虑是单一结构纳米管的制备是这个领域当中,最关键,最核心的问题,对一个研究者来说,你有机会去解决一个最关键,最核心的问题,实在是很难得的一个机遇;那么另一个方面,在过去的十多年,我们一直在这个领域当中探索,对解决这样一个问题,我们已经形成了一些可能的解决的方案,我们有信心,也有决心,去面对这样一个非常难的问题。

纳米管是怎么合成的呢?最常用的合成方法叫做化学气相沉积法。在这个方法当中,需要用到催化剂,催化剂能够催化碳源裂解,同时就会形成一些碳,这些碳就在催化剂上成核,然后生长成纳米管。因为生长的温度是非常高的,一般在800℃以上,所以在大多数情况底下,金属催化剂纳米颗粒是熔融状态的。

因为催化剂起很关键的作用,很多人都认识到了,要用催化剂来控制纳米管的结构。但是对一个熔融的催化剂来说,它自己都没有形状,怎么能够去控制纳米管的结构呢?大家自然就会想到,要用一个固体的催化剂。经过了很多年的努力以后,用固体的催化剂是不是成功了呢?不是那么的成功,报道的最好的结果也不过是55%。

这个问题怎么去解决呢?我就想到了在我们普通化学当中,讲到催化剂的时候,一定要讲一类特别独特的催化剂,就是酶。酶的催化反应是选择性最高的,这样一个好的选择性来源于哪里呢?来源于酶和反应物之间的,一一识别的作用。酶催化反应的高选择性就给了我们启发,我们认识到,不仅需要一个固态的催化剂,还需要催化剂的结构是非常独特的,这样才能使得纳米管和催化剂的结构的识别作用是一一对应的,才能有选择性。

要选择一类什么样的催化剂呢?我们来看,要求结构独特,这就意味着我们不能选单质金属,因为单质金属的结构太好了,太对称了,那就需要选合金。可是对大部分合金来说,它的结构组成都是不固定的,因此我们就需要一类独特的合金,就是金属间化合物,它是具有确定的结构,和非常好的晶化情况的。从高熔点的要求来说,组成金属间化合物的一个组份,一定要有高的熔点。

因为我常年教普通化学,所以我对元素周期表当中,元素的性质是非常熟悉的。我知道在周期表当中,这些区域的这些元素,它的熔点是很高的,那么这里头的铼、锇、铱,因为是贵金属,很贵,而且形成合金相对来说比较少,所以我们不能选它。铌和钽比较难还原,我们也不能选它。最后我们的目光就落到了钼和钨上,我们最后选择了钨,为什么选钨呢?除了它具有超高的熔点,能够形成金属间化合物以外,还有一个特点就是,它不是纳米管生长催化剂,这对我们来说是非常方便的。

那么保持催化活性的元素选什么呢?在周期表当中铁、钴、镍,是我们最常用的纳米管生长催化剂,在其中我们选择了钴,是因为钴,不仅是一个好的纳米管的生长催化剂,而且它能够跟钨形成一个Co7W6的,低对称性的,三方相的结构。因此我们选择Co7W6就有了高的熔点,有了较低的结构对称性,满足了我们对催化剂设计的要求。

我们进一步来看一看这两种催化剂,就是钴和Co7W6的区别,我们选了一系列不同结构的纳米管,去让它和催化剂结构匹配,就发现对Co7W6来说,只有(12,6)纳米管和它的匹配是近乎完美的,其余的都不怎么匹配。而这个单质钴就不一样了,它的匹配程度都差不多,没有太大的区别,因此我们就知道了,以这样的一个具有独特结构的催化剂为模板,就可以来合成单一结构的碳纳米管。

那么我们选出了这样的一个催化剂,它怎么去可控地制备呢?其实因为钨的高熔点,它的制备还是比较困难的。我又想到了在普通化学当中,我们在讲到钨的时候,一定会介绍钨特别容易和其它的过渡元素形成多酸,在这样一个多酸分子当中,钨和钴是一个均匀混合的状态,而且这个分子是纳米尺度的,这就特别方便让我们把它用作一个前驱体,在非常温和的条件底下,可控地得到纳米晶。所以我们就发展了基于多酸团簇为前驱体的合成方法,要作为一个催化剂,要它作为一个结构模板,一定要有相当的稳定性,在我们生长碳纳米管的条件底下,它的结构是不会改变的。

这个催化剂是不是足够稳定呢?我们就用一种非常高级的技术,叫做环境球差电镜,进行了研究。这个研究就告诉我们,钴这个单质是不稳定的,遇到碳的时候会成碳化钴。但是Co7W6这个催化剂就完全稳定,这样我们就证实了,它非常有可能用来做结构模板,做一个好的催化剂。

似乎已经是万事俱备了,但确实还欠东风。为什么呢?

我刚才提到了,我们是要利用结构匹配,去控制纳米管的结构,可是一个催化剂,作为一个三维的结构,它是有很多晶面的,不同的晶面匹配不同的结构,那就意味着在同一个晶粒当中,都可以长各种各样的管子。我们怎么能够有选择性呢?这的确是一个非常难的问题。

那我们怎么办?只能再回到化学的基本原理当中去找思路,化学热力学和化学动力学,都是我们普通化学教学当中,最核心的内容。化学热力学是从能量的角度去考虑问题,化学动力学是从反应速率,各个方面去考虑问题。我们要把一个化学过程,开发成可用的,我们一定是要从化学热力学和化学动力学,两个角度去做努力,经过协同优化以后,才能找到最佳的条件。

在我们这个体系当中,碳纳米管的结构和催化剂结构匹配,它的能量比较低,这是一个热力学层面的问题。在动力学方面,我们有没有可能找到一些思路,来解决我们刚才提到的难题呢?这里边是有解决的办法的,我们发现不同结构的纳米管,喜欢的供碳条件是不一样的。对(12,6)这么一种管子,它就喜欢很快地多多地供碳。对(16,0)这样一种管子,它就希望慢慢地少一点地供碳。这就是它生长的动力学习性的不同,利用这一点,我们就有可能,来提高它的选择性。

我们就提出了方案:首先我们发展了这么一种,结构独特的催化剂,因为它的结构的独特性,和它结构匹配的纳米管的数量,就大大地下降了;在这个基础上,我们把结构匹配的热力学因素,和生长条件的动力学因素结合起来,让它协同地发生作用,我们就可以得到一个非常高的选择性,这就是我们的方案。用这样一个方法,我们就得到了一系列的、各种各样的、单一结构的、很高选择性的纳米管的样品。

这个工作我们完成了以后,我们再来看一下纳米管研究的发展史。这些评述专家们就认为,我们这个工作提出了这么一种,制备单一结构碳纳米管的方法,实际上就成为了纳米管,逐渐进入一个新的发展期的,一个代表性的贡献。

这个工作发表以后,也引起了很多的回响:美国化学会的化学和工程新闻,就把它列为了当年度的,十大顶尖国际化学研究;英国皇家化学会的机关刊物《化学世界》就引述了美国赖斯大学的Barron教授的一个评述:他认为我们这个催化剂解决了,纳米管可控制备当中的一个难题,它有可能会改变纳米管的产业。

碳纳米管发展,实际上是给我们信息技术带来了更多的可能,它可以和硅基技术融合起来,给我们就更大的能力,去做更好性能的芯片。当然我们知道,离我们真正改变纳米管产业的那天,还非常非常的远,我们只能说万里长征才迈出了第一步,后边还有非常远的很艰难的路去走。

我们这个工作,首先是发展了一类,具有特殊结构的,钨基金属间化合物的催化剂;我们也建立了一种,以多酸团簇为前驱体的,金属间化合物催化剂的制备方法;我们提出了,将这样的一个金属间化合物催化剂,作为一个结构模板来合成碳纳米管;然后利用它的结构模板作用,再加上动力学生长条件的优化协同作用,来实现单一结构的纳米管的可控制备,利来平台皆推ag发财网,这就是我们的方案。

无疑在我们这个方案的提出和完成过程当中,普通化学起到了非常重要的作用。它给我们提供了一个基本的理论基础,和我们方法的基础,也为我们的创新工作,提供了有力的支撑,这是毫无疑问的。反过来,我在这个研究当中的这样一些经验积累思想,也成为了我普通化学教学的,非常好的素材,把它应用到课堂当中,就取得了特别良好的教学效果。所以对我来说,教书育人,做科研,就是我工作当中,非常和谐的,美好的二重奏。

对人才培养来说,除了从本科教学以外,另一个侧面当然是研究生的培养。我非常感谢我们课题组的研究生,他们主动地选择跟我去啃这样的硬骨头,当然他们也得到了很好的锻炼。屏幕上这三位年轻人,他们就是因为在跟随我攻读博士学位期间,对我们刚才提到的课题研究的贡献,而跟我一起获得了国家自然科学二等奖。

因为我在教学,教书育人方面的贡献,我也获得了北京大学十佳教师,十佳导师,还有北京市的高等学校教学名师等等,这样一些荣誉称号。但是这样一些荣誉,对我来说真的是不算什么,就像我刚才提到的这些年轻人,这些优秀的年轻人,从我们的课题组出来以后,他们成长为非常优秀的学术带头人,带领他们的团队去取得了更大的成绩,才是让我最引以为自豪,最骄傲,最高兴的事情。所以说,这就是作为老师所独有的乐趣。

这两张照片,都是从未名湖的最西角拍过去,这是大家最喜欢拍摄的一个角度,但是你如果换一个角度,是不是就有不同的风情呢?你也可以放过博雅塔,去放眼一下未名湖,我们要去欣赏未名湖的美,就需要有一双寻找美的眼睛。

对科学研究也是一样的,要做创新性的科学研究,也需要一双发现美的眼睛,就是扎实的基础。扎实的基础才是能够去做创新的最可靠的依靠,有了它,才能够在科学研究的大道上,独辟蹊径。

谢谢大家!

编者语:

与李彦老师第一次见面,在听完CC的介绍,她就很爽快的答应了我们的邀请,并且她想要与大家分享的思想,和CC的想法一拍即合。但没有想到的是在后续打磨演讲内容和PPT的时候,李老师的回复经常是在半夜两三点,因为那时她才忙完了一天的工作,才有时间处理自己的事情,有时我都不舍得多打扰她,想她能多休息一会儿。在交流的过程中我感受到了作为一位科学家的专注、严谨和雷厉风行,同时我也觉得仿佛这一段和李老师的相处的时间里,我也有幸成为了她的学生,她在耐心宽容的辅导我。真是如她所讲的那样:“教书育人,做科研,就是我工作当中,非常和谐的,美好的二重奏”。如今我也成为了二重奏中的一个音符。

另外我还要非常感谢一直支持CC讲坛的,我们的好朋友张照雷老师、为我们推荐了李彦老师。更感谢李彦老师能接受我们的邀请,来CC分享她的创新思想和成果。

编辑:高稚婷

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