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湾区逐梦 | 李江宇:探寻针尖下的纳米世界,揭开材料结构奥秘

时间:2020-01-14  来源:文宣办 文本大小:【 |  | 】  【打印

  【庆祝新中国成立70周年,献礼中科院建院70周年,深圳先进院推出“引领科学风尚 传承科学精神”系列人物报道,树立先进典型,凝聚榜样力量,讲述科技工作者的精彩故事及取得的最新成果,弘扬他们胸怀祖国、服务人民的爱国精神,勇攀高峰、敢为人先的创新精神,追求真理、严谨治学的求实精神,淡泊名利、潜心研究的奉献精神,集智攻关、团结协作的协同精神,甘为人梯、奖掖后学的育人精神。】

 

  “如果我们能够按自己的意愿排列原子,将会出现何物?这些物质的性质如何?”早在1959年,诺贝尔物理学奖得主、著名物理学家理查德·费曼就曾提出这个问题,虽然当时的科技水平尚无法突破这一难题,但他从未怀疑人类有这样的潜力。

  如今,随着纳米和显微技术的快速发展,费曼的设想已经成为现实。中国科学院深圳先进技术研究院(简称“深圳先进院”)纳米调控与生物力学研究中心主任李江宇研究员,致力于扫描探针显微方法的研究,在纳米层面解析并调控功能材料的结构与性能。

深圳先进院纳米调控与生物力学研究中心主任李江宇研究员

  打磨通向纳米世界的“手”

  “材料科学关注的核心问题是结构与性能间的关系,材料的微结构深刻影响其性能。目前,高性能透射电镜等显微技术已经能够在原子尺度乃至亚原子尺度确定物质的结构、成分、物相等。”李江宇介绍道,“这就像我们的眼睛,能非常清楚地分辨材料的结构。但我们还需要一只手,能在这个尺度感知材料的性能,并对其进行调控。”

  近十年来,纳米材料因其诸多的优越性能已发展成为研究热门,然而由于实验手段的缺乏,在纳米尺度下材料的结构与性能关系尚不十分明了,这阻碍了纳米材料进一步走向更广的应用。因此,亟需发展新的技术方法,在纳米尺度对其物性进行测量、对其结构进行操纵。李江宇团队在过去十年中便致力于此。

感知纳米材料性能的“手”——扫描探针

  要知道,1纳米仅有头发丝直径的六万分之一,这要求“手指”具有超高的灵敏度和精度。李江宇团队研发的扫描探针显微技术成功实现了这点。

  “我们研发的扫描探针方法能够在10纳米的空间精度下,定量测量材料的各种响应,如优于0.01K的温度分辨,同时还能够分辨响应所对应的微观机制,这是我们的独特之处。”李江宇说道。

扫描探针下的纳米材料世界

  揭开钙钛矿电池结构之谜

  利用扫描探针技术,李江宇团队在热电材料、铁电薄膜、固态电池、生物体系等领域做了一系列研究探索,钙钛矿太阳能电池是其中之一。

  钙钛矿电池被认为是新能源领域的下一个颠覆者,在短短十年内,其光电转化效率已从最初的3%提升至25%。尽管如此,从材料科学角度而言,其最基本的晶体结构仍存在着很大争议,一部分人认为它是极性的,而另一部分人则认为它是非极性的。两大阵营都有实验数据支持自己的观点。

钙钛矿电池属于第三代太阳能电池(图片来自网络)

  “这两种可能的晶体结构差别非常细微,最先进的透射电镜、X光衍射等结构表征方法都难以分辨。”李江宇表示。这一难题在扫描探针下迎刃而解。“两种结构在扫描探针下的力电响应有着非常显著的差别。经过大量实验,我们惊喜地观察到晶体中极性与非极性交替并存的现象。”这一发现为该领域争议已久的问题找到了答案,相关论文在2018年发表于自然子刊 npj Quantum Materials 上,“这是我们近两年最得意的工作,”李江宇笑称。

利用扫描探针观察到的极性非极性交替现象

  用“手指”摸清本质结构后,团队结合“眼睛”,也就是透射电镜进一步开展研究,这回瞄准的是钙钛矿电池商业化面临的最大挑战——稳定性问题。

  据了解,钙钛矿电池虽然性能优异,却极易降解,导致性能衰退。“在材料降解退化过程中,我们与合作者利用透射电镜观察到一个新现象,即材料会经历一个中间状态的超结构。”

  如果能将材料稳定在超结构下,那么就能提升材料和器件的稳定性,初步的实验印证了这一猜想。此外,团队发现超结构也具有优异的机电耦合性能,为钙钛矿电池材料和器件的进一步优化提供了方向指引,这一成果于2019年发表在《自然·通讯》上。

  八千里路云和月

  长年专注于功能材料基础研究及显微方法发展应用的李江宇,已在《科学》《自然材料》等权威学术杂志上发表学术论文200余篇,总引用愈万次,曾荣获2017年度美国显微学会今日显微学技术创新奖,并多次受邀在国际会议上作大会报告。

  在全职回国加入深圳先进院前,李江宇已在美国学习工作了整整25年。在美国科罗拉多大学取得博士学位后,他先后在加州大学圣地亚哥分校及加州理工学院从事博士后研究,回国前已是华盛顿大学终身教职的正教授,曾担任该校机械系主管科研的副系主任。

李江宇在深圳先进院的中心团队

  许多人好奇李江宇为何放弃了美国高校优越的科研条件和待遇,选择回到深圳先进院这一年轻的科研机构。在中国科学院深圳理工大学(暂定名,简称:中科院深理工)举行的首届全球招聘会上,李江宇以岳飞的词句“八千里路云和月”为题,回顾了自己归国投身科研事业的心理历程。

李江宇在中科院深理工首届全球招聘会上作为代表发言

  他在报告中分享道,在美国的生活虽然舒适,但始终没有归属感。他感慨于“时间就是金钱,效率就是生命”的“深圳速度”,也见证了深圳先进院在短短十三年间从5人团队发展壮大到3000人规模,不断在国际学术舞台上展现科研实力。在深圳先进院即将迎来全面建设中科院深理工之际,李江宇希望能够抓住高速发展的下一个十年,为祖国的科研事业及人才培养贡献自己的力量。

  “莫等闲,白了少年头。”他在报告的最后,以此呼吁更多海内外有志之士加入中科院深理工,共同从0到1,建设一个深圳的、中国的、世界一流的大学。

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