作者:茱迪 来源:《国科大》 发布时间:2022/6/25 10:31:45
选择字号:
王中林:倾数十年打造纳米能源研究体系

 

编者按:

2022年,中国科学院北京纳米能源与系统研究所迎来了10岁生日。

如果说我们通常所见的研究所就像一片小森林,每个课题组都是一棵“树”,那么这个特立独行的北京纳米能源与系统研究所,更像是一株“独木成林”的大榕树,郁郁葱葱之下,几乎所有专业方向的枝芽都系出同根。

而这根系,就是所长兼首席科学家王中林院士倾数十年打造的纳米能源研究体系。

摄影/甘涵臣

燕山南麓,北京怀柔。

风从四野吹来,拂过一望无际的玉米田,发出萧萧瑟瑟的声音。

王中林在北方农村长大,这样的景象他并不陌生,但这一刻的感觉却如此不同。

他那年51岁,简历上连缀着一串欧美顶尖高校和实验室的大名,接连斩获过美国显微镜学会巴顿奖章、美国化学学会S·T·L奖金、美国陶瓷学会普帝奖及埃瓦德奥顿纪念奖、美国材料学会奖章和美国物理学会詹姆斯马克顾瓦迪新材料奖,是世界少有的集齐美国五大学会奖的学者。人们介绍起他来,总是欧洲科学院院士、中国科学院外籍院士……闪光的头衔一个接一个。

但此时此刻,他脚下这片荒朴的处女地,看不出一丝现代科技的气息,仿佛出走半生,兜兜转转,又回到了某个起点。

有人把这块土地托付给他,同时交到他手上的,还有一个“100个人听了,99个说干不成”的计划。

转眼间,10年过去了。从2012年到2022年,这片土地早已沧海桑田,昔时的青纱帐,变成了今日的红砖墙。一座崭新的科研机构矗立在怀柔科学城:中国科学院北京纳米能源与系统研究所。

将相故里,寻常人家

1961年,王中林出生在陕西渭南的蒲城县。

这是个小地方,但是古色古香,文物遍地。春天一来,满城梨花胜雪。小地方的人毫不妄自菲薄,他们管自己的家乡叫“将相故里”,那“一将”是发动“西安事变”的爱国将领杨虎城,那“一相”是“以尸血谏”道光皇帝的清代名相王鼎,都是硬骨头。

王家是县城里再普通不过的一户人家,父母都是务农出身,家里子女5人,上面两个哥哥两个姐姐,最小也得宠的就是王中林

谈起双亲,王中林最先想到的词是“勤劳”“豪爽”“正派”。在他的记忆里,父母总是天不亮就起床干活儿,一忙就是一整天,几乎没有消闲的时候。父亲后来做了工人,还学了一身酿酒的手艺,一个月30多块钱的工资,在乡里乡亲间俨然也是“高收入”了。

每到父亲领工资那天,母亲总要抢先把钱掏出来——“不然,只要他在街上逛一圈,这钱可就没有了。”王中林笑着回忆道。谁家的孩子交不上学费,谁家的老人要看病,老王只消听到一句,就忍不住慷慨解囊,“常常忘记我们几个孩子的学费还没有着落。”

对外人慷慨大方,对自己家的孩子却是格外苛刻。小时候,父母常把他们兄弟姐妹叫到一处,教训他们绝对不许乱拿别人家的东西,“不然就把腿打断!”

5个孩子里,王中林出生的年景是最糟的,赶上3年自然灾害,打从娘胎里就弱小。但他的年岁又是最赶巧的,前面几个哥哥姐姐都没念下去书,唯独他在最合适的年纪,赶上了全国恢复高考。

回顾中小学时光,有一半在田间地头度过。小学时候,就得端着沉甸甸的砖头,走上3公里,从砖厂搬到学校去垒桌子;从初中开始学工学农,要把农民不愿意种的45度坡地都改造成梯田。每到中午,满头大汗,口焦舌干,班里50多个半大孩子,就传着一只水瓢,你一口我一口地分水喝。

这样成长起来的王中林,15岁时体重才81斤。严重的营养不良,让他稍一运动就容易头晕。即便这样,他在下地干活儿的时候也从不偷懒。在那样的环境下,他没想过念书,也没想过会有上大学的机会。心里只有一个最简单不过的信念:“学什么,一定要学到最好;做什么,一定要做到最好!”

命运转弯的那天,乍看来平平无奇。刚刚跑完早操,老师从县城南边拿回来一套卷子,说要来个突击考试,测试测试大家的水平。那是一份化学卷子,王中林考了85分,全年级第一。老师一看,说还可以呀,那我们的学生还是有希望的。

从那时起,全校开始了如火如荼的高考备考突击:突击数学、突击化学、突击物理、突击政治。语文突击不了,是个慢功夫,就一点一点地跟文言文死磕……1978年,17岁的王中林一举告捷,考上了西北电讯工程学院,也就是现在的西安电子科技大学。

他的志愿表没填物理——“我看到周围的物理化学老师都挺清贫,就想咱可不干这个。”他精心选择了认为“最时髦最热门”的计算机专业。但命运跟他开了一个小小的玩笑:因为他的物理成绩太好,学校就把他调到了物理系。

王中林后来常说:“这是我人生中最正确的一个选择。”似乎忘记了这个选择并不是他自己作的。时隔多年后他感慨地说:“一个人作的选择最开始并不一定适合自己,但要通过努力把它变成最正确的选择。”

生如候鸟,学海飞渡

在西北电讯工程学院,王中林遇到了几位难忘的恩师。

一位姓胡的女老师,解放前做过地下党,带着学生做物理实验,也攒着一股老革命的认真劲儿。如今王中林脸上的两个近视镜片儿,右边要比左边厚一些,就是当年总睁着一只右眼做光学实验的后遗症。

还有一位教原子物理学的刘老师,北大毕业生,站在讲台上可谓神采非凡,讲话中气十足、抑扬顿挫。他不看书,也不看教案,信手就能写出满满一屏漂亮的板书,一步一步地推导,把物理公式背后的意义解析得清清楚楚。台下的王中林总是被这一幕深深地吸引。

做毕业设计时,王中林特地去找了这位刘老师,课题是关于塞曼效应的。期间王中林意外发现,一本英文量子力学教科书里的一个公式似乎出错了。“不可能吧”,刘老师最初还有些不敢相信,拿着王中林反复推了3遍的手稿回去研究。两天后,他郑重地说:“中林,你推的是对的。”

王中林的毕业论文上,刘老师写下评语:“此学生具备独立思考的能力。”短短的一句话,在日后的漫漫人生中不断地激励和鞭策着他。

讲到这里,王中林走向书橱,抽出几本大学时代的笔记本。这些精心保存的本子上,都是密密麻麻的公式和笔记,有中文的,有英文的,扉页还用漂亮的艺术字体写下了标题。“还有这本——”王中林小心翼翼地捧出一本厚厚的书,书皮是1979年的老报纸,包得四四方方有棱有角,“这是我们那个年代最有名的数学书——苏联数学家吉米多维奇所著的《数学分析习题集》。我只有这一本,没有讲答案的那本。”整整5000道题,他都认认真真地做过了。

1982年,王中林从西北电讯工程学院毕业,考取了中美联合招收物理研究生(CUSPEA)项目,也成为那年西北5省中被CUSPEA录取的唯一一人。

在美国的亚利桑那州立大学,5万名学生里,只有不到10名来自中国大陆。置身于陌生的花花世界,王中林看什么都觉得新鲜,从超市里琳琅满目的商品,到实验室中先进的设备……还没来得及兴奋,一种难以形容的紧迫感便攫住了他:“我这才知道,咱们国家还差得很远,我们有幸被派出来学习,就一定要学好!”

他开足马力,仅用了4年时间就拿到了物理学博士学位,打破了亚利桑那州立大学该专业自成立以来的纪录。

在这里,王中林的导师是高分辨电子显微学的鼻祖,J.W. Cowley教授。当时Cowley教授年纪已经很大了,还在坚持亲自做实验。每个周日的早上,他一定待在实验室里,所有学生都默契地不在这个时候去打扰他。再后来,他的手开始颤抖,把3毫米厚的样品放在显微镜上,要重复好几次。

“Cowley教授对科研的热爱,深深感染了我。”王中林说。这种热爱表现得非常具象:每个周末做实验的那段时光,就仿佛Cowley教授留给自己的一份礼物,没有什么能把它夺走。

从亚利桑那州立大学毕业后,王中林又来到纽约州立大学石溪分校做博后。受科研条件的限制,王中林把重心转移到理论研究上。他一股脑把电子成像和散射领域近50年来的理论全部看了一遍,发现不乏矛盾错漏之处,便萌生了自己写一本书的念头,这一年,他才27岁。

7年后,黄色封面的大部头《电子成像和衍射中的弹性和非弹性散射》英文书籍正式出版。这本书被媒体誉为“具有卓越成就的经典之作”,欧洲读者甚至直接给它取了个昵称:“Yellow Bible(黄皮圣经)”。

王中林的下一站,是全世界显微学做得最好的英国剑桥大学卡文迪许实验室。一年之后他又回到美国,去了橡树岭国家实验室。之后在佐治亚理工学院提前晋升为正教授。2000年,39岁的王中林在佐治亚理工学院创立了纳米科学和技术中心,并出任该中心的主任。

在国外的那些年,王中林就像一只迁徙的鸟,不停地从这里飞到那里,从这一站飞到下一站。搬家成了家常便饭,拿几个纸箱,锅碗瓢盆一装,胶带一扎,飞机一托运,就走人。家人抱怨的时候,他这样说:“不是我选择了这种生活,而是生活选择了我。”

“我一直在追求对科学的梦想,哪里能实现我的目标就去哪里;在一个地方学得差不多了,就换一个地方继续学。这一路上,我看了很多,学了很多,所以我这一辈子,从理论到实验,从基础到技术,想做的都做过了。”

福祸相倚,收之桑榆

刚刚入职佐治亚理工学院的时候,王中林拿到的启动费只有30万美元,没有空间,没有设备,只得常常去蹭供本科生使用的实验室。

但偏偏他还担着一个“电子显微镜实验室主任”的头衔,有系里的老师便请他购入一台高级显微镜。一查价格,他懵了:这样一台显微镜至少要价100多万美元!买不起,只好在二手市场搜寻,恰巧有家公司愿意以2.5万美元的价格出售一台旧显微镜。王中林高兴地买回来,吭哧吭哧装好了,结果那位老师又改变主意,不用了。

“他不用,咱们用!”反正钱是自己出的,反正东西也不贵,王中林一拍板,让学生把显微镜的腔体打开,用来测量碳纳米管的力学性能和电学性能。谁承想,就是这个决定,成了他整个学术生涯的转折点,开辟了显微镜下进行微纳测量的新领域。

刚开始做纳米级性能微测量时,王中林需要从合作者那里借样品。但不久他发现,对方每次送来的样品都不大一样,尺寸也不统一,成分也不恒定。他们只好自己动手造样品,结果造出了全新的氧化锌纳米材料并发表了相关论文。这篇论文至今被引用达7000余次,这个团队也由此开启了在世界氧化锌纳米结构领域领跑的征程。

2005年9月20日,王中林对这个日子记忆犹新。他们在测量材料压电系数的问题上,已经纠结了一段时间了,因为得到的数据总比预期小100倍。就在这天下午,王中林突然冒出一个想法:“算了,不测了,咱们反过来,看看能不能利用压电性能把机械能转化成电能!”

“那是改变我思维的一天”

——这个福至心灵的逆向思维,最终促成了纳米发电机的诞生。

到了12月,文章写得差不多了,王中林却总觉得还缺一点东西。现有的论文只是提出了一种发电机制,但没有直接展示这种发电的现象。于是他设计了一个实验,安排学生去做。平安夜的下午,天空中还飘着蒙蒙的细雨,王中林在家里,突然接到了学生从实验室打来的电话。

“王老师,您期待的结果出来了!”

“好!你们别动,我这就去看!”王中林立刻驱车30分钟来到实验室,看到了想象中的画面。这时他才一拍脑袋,这不得录下来吗?又赶紧跑回家,拿来了平日孩子玩的录像磁带。这么来回折腾几趟,到实验室已经晚上了。摄像机架好了,实验设备就位了,结果扫描针尖又突然断了。来不及气馁,赶紧换针尖,重复做。直到凌晨三四点钟,终于拍下了这段珍贵的影像。

伴随着圣诞节的黎明,压电式纳米发电机也宣告问世了!

王中林科研生涯的重大节点,似乎总是以这样失之东隅,收之桑榆的方式出现。

2011年,组里一名男生在测试一款纳米发电机时,观察到了5V的电压信号,这个数值比预期高出了3到5倍。一开始,大家觉得数据可能出了错,于是这名同学又重复做了20个实验,发现其中一部分表现出高信号,另一部分则没有。怎么办?接着做呗,就这样,前后做了200多个。

“这200个材料全都放在我的办公桌上,我和学生看呀看呀,想找出其中的规律。”最后他们把这些材料剖开,发现出现了高信号的材料里,无一例外都有个小气泡。

这就很有趣了,平日他们做实验,是绝不允许材料里混进气泡的。偏偏这位同学是“半路出家”,制作工艺还不够精湛,一些操作上的失误,反倒促成了重大发现,促成了摩擦纳米发电机的发明。

吃亏是福,坏事能变成好事,机会总留给有准备的人——王中林的科研故事,一遍又一遍地为这些古老的智慧做着注脚。

王中林自己的话说:“有时候你摔了一跤,但绊倒你的可能不是砖头,而是一块金子!”

“纳米”“能源”,这两个此前不太搭界的词语,就这样在他步步为营的研究工作中,汇聚成了一个崭新的领域:纳米能源研究。2012年,王中林创办了一本期刊:Nano Energy(《纳米能源》),让这个新兴领域从此有了纸上家园。

再后来,王中林获得了2019年度的“阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖”,2018年获得了称为“能源界诺贝尔奖”的埃尼奖,成为首位获此两奖项的华人科学家。获奖理由是“纳米发电机和自供电系统的发现、创新和开创性贡献”。他的这些创新,以前所未有的方式,实现了从环境和生物系统中获取能量,应用前景广泛,包括而不限于个人电子、传感器网络、生物医学和医疗保健设备以及环境监测。

回归故土,十年树木

那段时间,是王中林事业上的爆发期。他发展了一个体系:基于纳米能源的高熵能源体系;开辟了两大领域:基于纳米发电机的自驱动系统与蓝色能源宏大领域,基于压电电子学与压电光电子学效应的第三代半导体的崭新领域;建立了3个学科:压电电子学、压电光电子学、摩擦电子学。在王中林的带领下,中国在这两个领域引领世界。目前有上万名分布在60个国家的科学家和学者在跟随着纳米能源所的脚步开展这些领域的研究和应用。

在国外时,王中林从未中断过与中国学者的交流。1992年到2010年的18年间,他在中美之间的往返记录高达130次。平均每两个月回国一次,少则几天,多则几个星期。

交流、访问、合作,为中国培养了近百名材料学、物理学和化学学者。

2004年,他接受了时任国家纳米科学中心主任白春礼的邀请,担任国家纳米科学中心海外主任,正式在中国开始了研究工作。2009年,他又当选为当时最年轻的中国科学院外籍院士

2010年年底,王中林回国参会,他再次见到了白春礼。当时已成为科院院长白春礼问他:“科院要成立一个纳米能源与系统研究所,你有没有兴趣把这副担子挑起来?”

这件事不容易,“100个人听了,99个都会说干不成。”如果说通常的研究所就像一片小森林,每个课题组都是一棵相对独立的“树”,白春礼提出的这个纳米能源与系统所,更像是“独木成林”的大榕树,由王中林本人几十年发展出的纳米能源体系,开枝散叶出不同的领域和方向。这种体系新颖、独特、前所未有,作为所长和首席科学家要面对的挑战也是空前的。

白春礼院长恳切的言辞中,王中林感到了“责任”的分量——这不仅是一次人生选择,更是科院和国家交给他的一份沉甸甸的信任。

没有犹豫,王中林向当时的工作单位佐治亚理工学院打了报告,得到批准后,就开始着手工作。3月讨论,5月启动,10月正式获批,这个新生研究所的一切都走上了快车道。

然而,风风火火的进度条上,也星罗棋布着大大小小的阻碍和坎坷。理想总是乘风破浪,而现实总是筚路蓝缕。

“困难多了去了,要是拍一部电视剧,那可比《大宅门》还精彩。”王中林自嘲。

北京市政府批下来的地,在怀柔郊区,当时还是茫茫的一片玉米地。没有落脚的地方,研究所的第一个会议就是在咖啡馆里开的。后来,他们先后租用了科院生态环境研究中心和天工大厦的楼层,这样的借地办公,持续了足足7年。全所人员刚搬回怀柔时,合乎规定的食堂还没有建设起来,师生们一起连吃了3个月的盒饭。

就这样,蹒跚起步,跌跌撞撞,他们逐渐在这个园区里构建起工作和生活的秩序。作为由科院和北京市共建的新型科研单元,他们也在不断探索崭新的科研和管理机制。

在今天的中国科学院北京纳米能源与系统研究所,一进大门,就会看到一棵醒目的“树”——精心绘制的学科树。

以麦克斯韦的4个微分方程为根系,拔起纳米能源体系劲健的主干,生发出茂盛的枝条:压电/摩擦纳米发电机、自驱动系统、自充电能源包、压电电子学、压电光子学、压电光电子学——这些看起来很陌生的术语,抽生了与环境保护、健康医疗、智能皮肤、太阳能电池乃至国家安全相关的繁密枝叶——王中林数十年积淀的学术成果、建立的学科体系、开辟的领域方向,都在这棵树上一目了然。

王中林自己的办公室墙上,也挂着这样一幅大树图,这是去年教师节的时候,学生为他画的。

“听老人们说,我们渭南王家,是从山西洪洞大槐树下走出来的。”他看着这棵无数心血凝聚而成的“树”,思接千载,意飞神驰。当初那支从大槐树下走出的血脉,漂洋过海数十载后,终于归来,终于把自己培育的科技之树,栽在了故乡的热土之上。

碧玉妆成一树高,千枝万叶春风笑。缤纷桃李成蹊处,犹待硕果满柯条。

十年树木,百年树人。自1995年任教以来,王中林培养的博士、博后、访问学者已经大约有270位,如今他们中的绝大多数人都在继续开展纳米能源领域的研究,分布在各个具体的方向上。

科院北京纳米能源与系统研究所里,许多中生代科技人员都是王中林培养出的学生。而王中林自己也经营着一个50~60人的大型课题组。

博士三年级学生王华妹就是这个大家庭的一员,虽然组里人很多,但她从未觉得王老师很遥远。

“他经常直接找到学生,一起讨论科研问题。对我们的想法,他总体上是以鼓励为主。如果你很努力,他也会毫不吝啬地表达对你的欣赏。”而对王华妹来说,最重要的是,“他会从高屋建瓴的角度告诉你,你的工作为什么有意义。”

博士二年级学生陈鹏飞最初创建“纳米发电机”公众号时,只是出于兴趣,顺便督促自己学习。他和小伙伴们把原创的文章发在朋友圈里,渐渐地,他们发现王老师有时会转载这些文章。

“再后来,王老师直接问:是哪些人在做这件事情啊?知道是自己所里的学生后,他立刻决定给我们一定的经费支持。”这是陈鹏飞万万没想到的事情。

“他总是这样——每当我们有什么想法的时候,都会尽量支持,然后提出自己的建议。”

“师生关系就应该是非常亲密的关系。”王中林说,就像当年大学刘老师为他点亮了一盏爱物理的心灯,他也希望把同样的爱种进自己学生的心里。

“有时候我觉得王老师很孤独。”王华妹说,“他把科研看得很重,但并不总是能遇到知音,遇到同行者。当有学生用自己的科研热情回应他时,你能感觉到,他那份毫不掩饰的欣慰。”

即将毕业的王华妹,希望继续留在研究所里工作。

“我觉得这是做科研最理想的地方,不是吗?”(原标题:王中林:在怀柔种下一棵树 作者系国科大记者团成员)

 
特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
梦天实验舱运抵文昌航天发射场 新成果有望为量子应用开辟新前景
韦布望远镜捕捉到迄今最远恒星细节 中国科大提出并实现新型量子随机数发生器
>>更多
 
一周新闻排行
 
编辑部推荐博文