化学家的科研日常

张如范

北宋文学家王安石在《游褒禅山记》中曾用“夫夷以近，则游者众；
险以远，则至者少。而世之奇伟、瑰怪，非常之观，常在于险远，而人之所罕至焉，故非有志者不能至也”来感叹只有胸怀大志的人，才有可能实现理想。做科研也是如此！今天就让我们走进化学家的科研日常，去看看他们是如何战胜困难，取得成就的吧！

做科研犹如啃硬骨头

做科研犹如啃硬骨头，只有在某个领域长期坚守和持续努力，才能取得优异的成果。

在碳纳米管领域存在几个重大的难题，其中一个就是如何实现宏观长度、结构缺陷少、性能优异的超长碳纳米管（一维量子材料）的可控生长与批量制备，这也是实现碳纳米管高端应用的前提。

然而，多年来由于超长碳纳米管生长机制不明、催化剂易失活等原因，超长碳纳米管产率不仅十分有限，还严重影响了它的实际应用。

2018年，我针对这一难题带领团队进行攻关。开始时，超长碳纳米管的生长状况非常不稳定，得到的基本都是杂乱生长的短碳纳米管，超长碳纳米管的产率仍然很低。直到2021年的某一个深夜，我突然灵光一现——是否可以将飘浮的短碳纳米管拦截起来，使其能够平行排列后生长，从而实现超高产率的超长碳纳米管制备？

我很快把想法投入了实践，结果也正如我预想的一般。基底拦截导向策略，可以巧妙且有效地将原本无序生长、长度短小（微米级）的碳纳米管，转变成平行排列、长度达到数厘米甚至数十厘米的超长碳纳米管水平阵列，并成功实现了超长碳纳米管水平阵列密度的大幅度提升。

最终，该成果发表在纳米领域国际知名期刊《纳米快报》（《Nano Letters》）上，这给我的团队带来非常大的信心和鼓舞。

 基底拦截导向策略示意图以及所制备的超长碳纳米管图片

给最黑的材料染上色 还能充当“防火衣”

在碳纳米管领域多年的坚守也同样给我们带来了许多意外之喜。一直以来，碳纳米管存在两个固有性能特性，这严重限制了其性能的提升和应用范围。

一是碳纳米管被认为是世界上最黑的材料，并且由于其表面高度结晶性以及化学惰性，也无法利用常规方法对其进行化学染色。碳纳米管单调的黑色和难以着色的特性，使其难以满足美学和时尚的要求，极大地限制了它们在柔性可穿戴设备、智能织物、功能涂层等众多领域的应用。

二是作为一种典型的碳材料，碳纳米管在高温有氧环境中容易燃烧，这严重限制了它们在飞行器外壳、武器装备等众多涉及高温有氧环境中的应用。

如何实现碳纳米管的彩色化以及阻燃性能的提升是该领域一直尚未解决的难题，也是我一直以来的心愿。

在一次偶然的实验中，我们在碳纳米管表面沉积了一层纳米级厚度的氧化物薄膜，发现它竟然呈现出了绚丽的色彩！我们进一步研究其机理，发现碳纳米管呈现的彩色是由于表面的薄膜与光发生相互作用带来的结构色的效果（关于结构色，可见《知识就是力量》2023年1月刊）。这种颜色产生的机理与阳光下的肥皂泡、水面上的油膜呈现彩色是类似的。

在后续的研究中，我们通过调整表面薄膜的厚度，得到了色彩丰富的碳納米管纤维，解决了“超黑材料”碳纳米管的致色问题。而且，这种结构色材料还能充当“防火衣”，使得碳纳米管纤维具有了非常优异的阻燃性能。最终，该成果发表在国际顶级期刊《科学进展》（《Science Advances》）上，并被评选为期刊特色论文。

有志者，事竟成

我经常跟我的学生说，我们多是普通人，要想取得成功，就要多看、多听、多学、多想。只有那些目标坚定、意志坚强、做事执着的人，才能取得最终的成功，正所谓“有志者，事竟成”，也正是这种信念支撑着我不断克服困难，朝着一座座“高山”进发。

作为一名博士生导师，如何正确引导学生，如何对学生进行全方位的培养，是我一直在思考和践行的课题。我一直坚守清华大学所提出的“价值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的育人理念，努力将学生培养成优秀的人才。

 《科学进展》将彩色碳纳米管的成果评选为特色论文

科研、教书、育人，这些都是我的日常，虽看似枯燥，但我乐在其中！

（责任编辑 / 张丽静  美术编辑 / 周游）

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