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薛庆忠教授:用“纳米”打开非凡材料世界
来源:薛庆忠教授个人网站 发布日期:2017-07-02

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原标题:薛庆忠教授:用“纳米”打开非凡材料世界

“搞科研就像做侦探,一步步接近真相,一点点揭示秘密。”

5月22日,薛庆忠教授的“侦探团队”再一次告捷,在山东省委、省政府召开的2016年度全省科学技术奖励大会上,由薛庆忠、邢伟、郑庆彬、阎子峰等完成的“纳米碳材料的表界面调控及其物理性能增强机理”项目过五关斩六将,在经历了三轮评审之后,最终获得山东省自然科学奖一等奖。薛庆忠代表他的团队参加奖励大会,从山东省省长龚正手里接过了凝结着奋斗成果的获奖证书,这是薛庆忠第二次也是我校2011年后再次获得山东省自然科学一等奖

当碳材料的尺寸小到纳米量级的时候,其表面积会被放大几万倍,乃至几十万倍,它就表现出一些神奇的性质。例如,1克的纳米碳材料的表面积可以铺满整个足球场,它的强度可以达到钢的200倍。薛庆忠的团队要做的就是探究纳米碳材料中的这些表界面结构,揭示纳米碳材料的表界面结构带来的各种新奇的现象和特性。

薛庆忠,理学院教授、博士生导师,山东省泰山学者特聘教授,山东省教学名师,山东省有突出贡献的中青年专家,教育部新世纪优秀人才入选者。现任山东省高校新能源物理与材料科学重点实验室主任、中国石油大学(华东)研究生院副院长,是国际刊物《Physics Express》的编委,《JournaloftheAmericanChemical Society》、《Advanced Materials》等36种国际权威刊物的审稿人,国家科技部“863”计划课题评审专家,国家自然科学基金评审专家。他的课题组和美国哈佛大学、美国麻省理工学院、丹麦奥胡斯大学等国际著名大学建立了稳定的合作关系,是美国哈佛大学的访问教授、客座研究员。

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勇于探索,十载“耕耘”结硕果

“揭示科学规律获得的成功感是任何事情都无法取代的。”

伴随着可移动智能设备、云存储和大数据处理的广泛应用,迅速发展的信息产业对未来的半导体芯片提出了前所未有的要求。与硅材料相比,碳材料具有更高的导电性、电化学稳定性、完美和高度有序的晶体结构等优势,碳基半导体有望从根本上改变未来的半导体芯片和整个信息产业的发展。薛庆忠的团队首次提出利用碳纳米管诱导石墨烯卷曲制备碳纳米管/石墨烯(核/壳)纳米碳基半导体结构。利用这种纳米碳结构可以制备出世界上最薄的二极管。Nature出版集团将该研究成果作为“研究亮点”进行了报道,指出“薛庆忠等探索了利用碳纳米管和石墨烯获得新结构的可能性”,相关论文被《Nature China》选为2010年度的“TOP10”论文,该项目提出的有关理论得到了美国哈佛大学等课题组的实验验证。

此次获评山东省自然科学奖一等奖,对于薛庆忠来说,无疑是对其科研水平和学术能力的一份认可,但他谦逊地说:“团队努力的成果得到了肯定,我们很受鼓舞。但更令我欣慰的是在该项目研究的过程中培养了一批优秀的学生。”与薛庆忠共同获奖的郑庆彬曾是他的一名研究生,现在已经是德国洪堡学者,任教于香港科技大学,是国际上纳米碳材料领域中知名的年轻专家。

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厚积薄发,物理与材料“结缘”

“社会发展很快,交叉很多,有的时候品味不只是通过专业知识提高的,要广读书,多思考。”

学术研究离不开扎实的专业基础。“自己专业的知识,要学深,要学精!”求学期间,薛庆忠十分重视专业课的学习,他的专业课成绩名列前茅,多次夺得年级第一。“专业知识对于我理解一些物理现象,建立物理模型有巨大帮助,扎实的专业知识是科学研究的基础。”

除了学习专业知识,薛庆忠通过读书拓宽自己知识面的广度。“那时电子设备还不发达,娱乐活动也特别少,去图书馆读书成了我最大的乐趣。路遥、李存葆,还有那个年代很多知名作家的小说,我都喜欢。”在书中,他体验到了各式各样的人生,涉猎了多方面的知识。这些积累对于他未来的学术生涯也产生了很大影响,他说:“知识面决定了你思考的宽度,专业知识决定了你在特定领域思考的深度,两者对于科研来说都是非常重要的。”

随着知识广度和深度的增加,薛庆忠发现,很多学科的发展都和物理规律息息相关,甚至一些学科都是在物理的基础上不断发展和建立起来的。掌握深层次的物理知识对于从事科学研究来讲,有着得天独厚的条件。所以,他选择了跨专业攻读清华大学材料科学与工程的博士学位。他期望研究材料中蕴含的新颖、神奇的现象和性能,揭示其中的物理原理,为开发满足国家和社会重大需求的新型材料提供理论指导。

薛庆忠在读博士期间,偶然阅读到美国阿岗国家重点实验室一篇关于“纳米流体”热导率的实验论文。“纳米流体”的热传导性能非常优越,但是传统理论却无法解释他们的实验现象。这是世界上首次提出“纳米流体”的概念,薛庆忠对此很感兴趣,他认真分析了该课题组的实验结果后,首次引入了界面热阻概念,建立了物理模型很好地解释了在碳纳米管纳米流体中观察到的热导率异常增加现象。该论文已经被他人引用高达440次,成为该研究领域具有里程碑意义的论文,建立的模型被称为“XueModel”与之相关的“新型碳基复合材料中的表面与界面效应”项目于2011年获得山东省自然科学奖一等奖

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大胆猜想,机会“藏”在困难中

“科研路上每个困难都是机会,放弃它就是困难,突破它就是创新!”

“做科研就是在探索中一步步揭露真相。实验过程中的异常现象往往就是突破口!”碳/硅异质结的光电性能的突破性发现就是对薛庆忠科研观念的有力证明。

他的研究生马明初期的研究方向是纳米碳/硅异质结的气体传感效应。经过3个多月艰辛的重复实验,结果却不遂人意。马明发现这种材料的气敏性能很不稳定。面对数据的异常波动,马明感到非常困惑。

“当有同学从测试仪器旁走过时,测试结果都会随之发生变化。”马明把自己的发现告诉了薛庆忠。经过一番了解,薛庆忠提出猜想,是不是走路带来的风导致温度变化,从而影响了它的性能。紧接着,他们进行了尝试,“我们改变了测试温度,发现结果并没有明显的变化。”很快,他又做出了第二次猜想,“排除了温度的因素,第二次我就怀疑是不是人影的微弱光影影响了它的性能。”于是他就近从打印机上抽了一张纸盖在测试样品上,结果令人意外,其光电性能一下子变化了上千倍

这项成果很快就获得了国家发明专利,并发表在应用物理类国际顶级期刊《AppliedPhysics Letters》上。马明也获得了国家全额奖学金赴荷兰代尔夫特理工大学攻读博士学位。薛庆忠感慨道:“有的人在科研中遇到困难,不够坚持,放弃了,其实困难往往蕴含着机会!”

在真相还未浮出水面之前,要敢于做出大胆的猜想。当然,猜想不是空想,只有基于从“毫厘”累积起来的经验,才能结出成功之果。对于搞研究,薛庆忠有着自己的信念,“在科研的道路上总会有困难和挫败。如果把困难当作困难,你可能会觉得真的很难;如果把困难当成机会,你就会觉得坦然,而成功也往往成为自然。”

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务实严谨,六字“箴言”育桃李

“勤奋是最重要的品质,可以不聪明,但必须勤奋。勤奋并且专注,一定会获得成功。”

每次提到学生培养,薛庆忠总会强调“勤奋、自信、创新”这六字“箴言”。他一直坚信,勤奋是自信的基础,勤奋的人往往能够不断取得成绩,激发自信心;自信是创新的前提,有自信才敢于创造出世界上领先的科研成果。

打铁还需自身硬,薛庆忠通过自身的勤奋努力,影响着一批又一批的学生。他对待教学工作异常严格、精益求精,总是投入大量的时间潜心研究教学的各个环节,将国际上的先进技术和学术前沿与课堂知识相结合,使他的学生能够站在国际学术前沿开展研究。他先后为本科生、研究生主讲过《材料物理》、《材料科学前沿讲座》等课程。他的课程充满激情,在学生中有很好的口碑和很高的影响力,在学生评课中一直名列前茅。

薛庆忠热爱自己的每一位学生,对学生的关爱不仅是学业上的指导、生活上的关心,更多的是培养学生的自信心。他用发展的眼光看待学生,欣赏他们,倾听他们,以平等真诚的态度关心、爱护他们,让每一个同学都感到自己是一个有潜力的人!他根据学生的个性特点提供切实可行的指导和帮助,真正成为学生的良师益友。

学生有了勤奋的态度和自信之后,创新和机遇往往是水到渠成的。他培养的研究生半数以上在世界一流大学攻读博士学位或者任教。他的研究生将师从薛庆忠比作站在了巨人的肩膀上,比作登上了一列高速的科研列车。这趟列车既可使他们饱览本学科发展路途上的各种奇观异景,同时又把他们一下子送到了这个研究领域的前沿阵地。

薛庆忠是一个严谨的人,他对研究生的每一篇论文都认真修改,就是一个标点符号、一个参考文献的页码都要审阅。有的论文他要修改10多遍,直到满意才放行。薛庆忠严谨的科研作风深深地影响着他的学生,极大地激发了他们不畏困难和挑战,进行科学研究的热情。在他指导下,学生们在各自的研究方向里取得了一些具有创造性的科研成果,这对他们今后的人生产生了深远的影响。

薛庆忠就是这样一个“勤奋、自信、创新”的人。他的为人也深深影响了他的学生,“勤奋、自信、创新”已经成为他课题组的组风!薛庆忠很忙,但他觉得很充实。他看到自己的学生成长为国家的优秀人才,那种快乐和幸福是他难以言表的。

仰之弥高,钻之弥坚。薛庆忠勇于创新,不断尝试,践行着作为一名科研工作者的责任。春播桃李,秋满神州。薛庆忠无私奉献,严谨治学,用独特的个人魅力传承着科技工作者的使命。

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