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杨全红:诗意的“碳”人生——记国家杰出青年科学基金获得者、天津大学教授杨全红

点击量:       发布时间:2018-04-17       

  “硫入胶核顿逞奇,量身定制铁裳衣。锡硅霹雳出身手,精悍高能看碳烯。”一首小诗信手拈来,是杨全红为不久前刚刚在《自然-通讯》上发表的最新研究成果而做。1月26日,《自然-通讯》在线发表了杨全红教授研究团队提出的“硫模板法”。该方法通过对高体积能量密度锂离子电池负极材料的设计,最终完成石墨烯对活性颗粒包裹的“量体裁衣”,使锂离子电池变得“更小”成为可能。

  杨全红,天津大学化工学院教授,国家杰出青年科学基金获得者。研究方向为碳纳米材料和纳米能源材料(锂电池和超级电容器电极材料)。近十年,他将科研精力主要放在了高体积能量密度储能器件的设计上,并在石墨烯致密储能应用中取得了一系列关键性的技术突破。 

  做科研、写诗、传递碳之美,是杨全红科研、教学和生活的“三驾马车”。

  恋上“碳”之情

  ——谁识至简烯环美 半卷诗书万代读

  “月映秋高世外庐,仙临妙笔绘窗图。谁识至简烯环美,半卷诗书万代读。”这是几年前杨全红在云南大学看到由林徽因主持设计的“映秋院”的窗棂上雕刻齐整精美的“烯环”时即兴所做。在杨全红看来,80年前的林徽因在设计映秋院时必然不会识得这个化学上的结构,但美却是相通相融的,或许就在我们身边,只是我们没有火眼金睛识得它的庐山真面目罢了。

  像这样的经历和感悟,在杨全红从事碳研究的二十余年时间中就像一朵朵浪花,总是让他保持着孩童般的好奇心和无尽的热情。

  1972年出生的杨全红,1994年从天津大学应用化学系高分子化工专业本科毕业后,进入中国科学院山西煤炭化学研究所化学工艺专业(新型炭材料方向)硕博连读,获工学博士学位。也就是在读研究生期间,杨全红开始接触“碳”并为之痴迷。

  这份痴迷,让杨全红一直认为看似高深的“碳”,其实非常亲民,而他做科研也极喜欢走“群众路线”。

  从玉米到爆米花再到压缩饼干,这个形象鲜活的变化过程,被杨全红用来比喻他的两项代表成果:石墨烯低温负压解理技术和石墨烯水凝胶致密收缩技术;杨全红还将锂离子电池用石墨烯导电剂“至柔至薄至密”的导电模型的设计过程,比喻为从一碗“疙瘩汤”到一碗“面片汤”,而他所获国家技术发明二等奖的石墨烯方面主要成果就源自此灵感……在他看来,科学研究有时候是一件很简单的事——科学史上的很多发现其实是非常简单的,而科研也并不像大家想象得那么高深,科学家要做的往往是“捅破那层窗户纸”。而科研也是非常神奇的一件事——科学家要做的就是从简单的日常中提炼出真正的学术问题,而这个学术问题的研究往往会打开一扇窗,让人们的生活更加丰富多彩。

  追寻“碳”之源

  ——柔薄烯始作,正道贵长安

  “妙用虽极简,思量亦经年。柔薄烯始作,正道贵长安。”在杨全红看来,石墨烯是好东西,即便导电剂这样的极简应用对电池性能的提高也非常重要。但科研工作者在研究过程中应切记应用的根本是构建“至柔至薄至密”网络,而柔性单(极薄)层在活性物质中分散是前提。他也借此诗提醒自己和课题组在导电剂应用中切忌各种“伪应用”,切记“柔薄烯始作,正道贵长安”。

  事实上,近年来杨全红教授团队在强调器件体积性能的致密储能领域取得了一系列重要进展,发明了石墨烯凝胶的毛细蒸发致密化策略,解决了碳材料高密度和孔隙率“鱼和熊掌不可兼得”的瓶颈问题,得到高密度的多孔碳材料;追求储能器件的小体积、高容量,从策略、方法、材料、电极、器件等五个方面提出了高体积能量密度储能器件的设计原则,最终从超级电容器、钠离子电容器、锂硫电池、锂空气电池到锂离子电池实现了高体积容量储能材料、电极、器件的构建,为碳纳米材料的实用化奠定了基础,有力推进了基于碳纳米材料新型电化学储能器件的实用化进程。而这些研究成果也陆续刊发在国际重要的学术刊物上。

  有趣的是,对科研抱有极大好奇和热情的杨全红时而也会即兴赋诗,将碳研究领域的一些进展和他的理解诗情画意地表达出来。

  比如,他最近所做的两首小诗《石墨烯·导电剂——之导电网络》:“柔情抚夜珠,玉锦构通途。诚谙薄烯意,高能至密输。” 和《石墨烯·导电剂二之离子位阻》:“天罗织电幕,却阻离荷行。神剪一招入,急充锂道清。”前者形容了石墨烯(玉锦)之所以成为最高效率碳导电剂,由其表面性固体的特性决定:碳原子利用率最高、与活性物质(夜明珠)面点柔性接触,使轻组分导电碳的使用量最小化。因此基于“至柔至薄至密”的导电网络,可有效提高锂电池体积能量密度。后一首诗则形象地表述了离子位阻是石墨烯导电剂应用瓶颈,或条带化、或钻孔,是高倍率康庄之路;但注意对于大颗粒活性物质、如钴酸锂,位阻效应并不显著。

  传递“碳”之美

  ——盛放薄柔范 开屏满溢香

  2007年杨全红在天津大学开设面向全体本科生的创新课《简单造就神奇:从富勒烯、碳纳米管到石墨烯》,十年间,这门课已成为最受欢迎的本科公选课之一。杨全红的一首小诗《墨烯·芳华》:“芳芬聚六缘,华彩烙烯环。盛放薄柔范,开屏满溢香”尽管形容的是烯环之美,但显然他更愿意化身科学中“美的使者”,将他体悟的这份科学之美传递给更多青年学子。

  在这门课中,“梦想照进现实”、“简单造就神奇”,以及“科学嗅觉”、“科研味觉”是主题词。在课堂上,许多与科学初接触的本科生在开启他们的追梦之旅之初便尝到了“无心插柳”“柳暗花明”这些科学的味道,而科学世界中的“至简至奇”也深深地触动着年轻人的心弦。在天津大学,选这门课的学生,既有理工科的学生,也有文科生。结课时,杨全红不要求同学们都写出科学论文,而是“文体不限”,甚至鼓励同学们写诗词歌赋。有两名学化工的学生在结课时,写出了华丽的《美碳赋》和《长述富氏碳》。前文生动地描述了富勒烯发现中的“意外之美”、“碳纳米管”发现中的“失落之美”以及石墨烯发现中的“追寻之美”,字里行间透着对碳之美和科研之美的感悟;后文则用诗歌的形式生动描绘了富勒烯曲折的发现史——“恰似空镜空画颦”、“生花预见几成真”、“凤凰临台不曾迎”、“妙手偶得神来笔”,科学发现中山重水复的无奈和峰回路转的喜悦尽呈诗中。这让杨全红在激动不已的同时,也深深感到为师者的幸福。对教学的醉心,也让杨全红在科研之外收获了如“本科毕业设计优秀指导教师”这样的荣誉。而他指导的硕士生和博士生也多人次获得“霍英东青年教师奖”、“教育部学术新人奖”、“侯德榜化工科技青年奖”以及多个知名国际奖项。

  如今已是青年教师的张辰是杨全红培养的博士,也是著名出版公司爱思唯尔主导的“碳材料科学技术博士论文奖”获得者(全球每年3-4人)。在他看来,杨老师“不一样”的地方是,无论是做学问还是教书育人,杨老师始终都怀着极大的热情,全身心投入其中,经常会有些“天马星空”的想法,而对于学生给他发的邮件即便是深夜也经常“秒回”。

  “……Go to GO,为着年轻的梦想而Go,为着古老的神奇而GO!”杨全红这首写在第二届Go to GO氧化石墨烯论坛开幕之前的小诗也吐露了他为“碳”追寻一生的心境。

(撰文 刘晓艳。本文刊发于《科学新闻》2018年3月刊)