瞩目纳米新能源的曙光

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麦立强,河南省郸城县人,出生于1975年12月,中共党员。武汉理工大学首席教授(材料学科)、博士生导师,教育部新世纪优秀人才,武汉理工大学-哈佛大学纳米联合重点实验室执行主任。哈佛大学化学与化学生物系高级研究学者,美国佐治亚理工学院纳米科学和技术中心访问学者。国际刊物Journal of Nanoscience Letters副主编。

 

麦立强在哈佛.jpg

这一天的曙光已经初现,世界期盼已久的这一天已经为期不远了。

这一天,当你乘坐纳米新能源的汽车行驶在世界的版图之上,你不仅能体验到和其它能源汽车一样的方便快捷,而且还可以尽情享受周围的清新环境;这一天,你再不需为汽车能源快速衰竭而担忧,纳米新能源的存在将使你“前程无忧”。

这只是纳米新能源广泛运用的一个方面。

2010年11月,Nature亚洲材料网站和德国Nanowerk网站对武汉理工大学材料学科首席教授麦立强与哈佛大学Lieber教授课题组合作完成的单根纳米线电化学器件研究成果进行了专题报道和重点推介。
麦立强作为纳米新能源领域的新秀,逐渐走进了国际视野,他的研究成果已受到锂离子电池先驱M.S.  Whittingham教授等世界一流学者的关注和肯定。

 

麦立强在工作中(廖武洲摄影).jpg

衣带渐宽终不悔

2007年二月,麦立强从美国请假回国。他的博士导师陈文教授见到昔日英俊帅气的麦立强时,吃惊地问,你怎么这么消瘦呢?今后可得要注意身体,身体可是科研的本钱呀!陈文教授的嘱咐并非空穴来风,麦立强当时确实清瘦得很厉害。他去美国时体重是140斤,回来时体重只有120斤,整整消瘦了20斤。

麦立强对这声暖融融的嘱咐表示了深深的谢意,同时他对自己说,时不我待呀,一定要追赶世界的脚步,如果没有为“伊”消得人憔悴的精神,就难有梅花扑鼻香的时刻。

一年之中的往事,历历在麦立强的脑海里呈现。

2006年2月,麦立强受国际著名纳米专家、中国科学院外藉院士、美国佐治亚理工学院王中林教授之邀,前往该校纳米科学和技术中心做访问学者。王中林院士十分看重麦立强这位青年才俊勤奋好学、严谨求实和敢于创新的研究精神。当时麦立强针对电化学能源领域容量衰减快的问题,率先提出结合单根纳米线器件表征和电池性能测试,研究纳米线电活性的优化技术与机制,这一想法,受到王中林和陈文教授的肯定和赞赏。

虽然这一想法新颖,但要付诸实践,获得好的研究成果,那中间可是需要克服许多难题,并经历很多次的失败与挫折。

在突破既定的研究模式上,为了制得好的纳米器件,麦立强发扬拼命三郎的精神,与合作者一起进行了反复实验。那时,他的生物钟完全被颠覆过来,该吃饭的时候,忘记了吃饭,该休息的时候,因为研究到了节骨眼上,却眼睛合不下来,脑海里满是实验在继续进行。

实验过程中麦立强他们虽然屡败屡战,但还是没有到达预期的结果。这时很多人,其中不乏麦立强最好的朋友,劝他说,你别拼命了,既然那么多次实验都失败了,那说明你研究的方向是错的,你何不回过头来走别人已经走过的路呢?那里既有经验可循,实验条件也有优势,凭着你的聪明才智,你一样可以获得成果!

跟着别人背后亦步亦趋,确实困难较少,容易获得成功,但这不是麦立强所需要的,他所需要的是自己用汗水浇灌出来的成果,这个成果有自己独特的个性存在。因此,他一如既往地坚持自己创新研究的方向,经过近一年的顽强拼搏,他与合作者成功地完成了纳米器件组装和电池性能测试,并从本征上揭示了材料优化的机理和规律。二次水热锂化明显提高了循环可逆性和电输运性能,15次循环容量保持率由60%提高到92%,电导率由10-4S/cm增加到10-2S/cm,这为纳米线电极材料及纳米器件的应用开发奠定了基础。该成果发表在国际权威刊物《先进材料》上,这是武汉理工大学第一次在该刊物发表论文。

然而,这份喜悦对麦立强来说,只是在火热的夏季从海平面吹过来的些许凉风,或是寒冷的冬季飘过来的丝丝暖气,因为基于这个材料和器件的研究还有待深入。为此,他与合作者又开始了苦苦的探索。

这次虽然获机会回到母校,他依然行程匆匆。拜见了校领导和导师陈文教授后,考虑到这一年多妻子在家的艰辛,他决定留下来陪陪妻子和孩子。他走时,儿子出生才11个月。他当时考虑到孩子小,想放弃出国做访问学者的机会,可妻子说,这么好的平台,这么好的机会,怎能放弃呢?在妻子的大力支持下,他才毅然决然地去了美国。

麦立强遵守在国外立下的诺言,周六决定好好陪陪妻儿。然而,当他与妻儿上街后,忽然来了灵感,决定回实验室把这个灵感记录下来并付诸实施,同时对妻儿保证说,只耽搁一点点时间。然而,麦立强这天一去就不复返了,他在实验室又整整工作了一天。好在妻子理解,因为陈景润搞哥德巴赫猜想,把树当成了人,搞科研如果没有痴迷执着的精神,没有成功的先例。她并没有因此去责怪麦立强。

麦立强回到美国后,又以顽强拼搏的精神投入到纳米器件组装的研究之中,至2007年底,他们终于取得了阶段性成果。


科研更上一层楼

哈佛大学查尔斯·李波教授是世界纳米材料的先驱、美国国家科学院院士,同时也是麦立强在哈佛大学访学期间的合作导师。麦立强说,他之所以在纳米新能源领域取得一点点成就,离不开众多老师的培养和悉心指导,也得益于站在包括自己的合作导师王中林院士及查尔斯·李波院士这些巨人的肩膀之上,是他们将他托举到了这一领域的前沿。

2008年6月,在王中林院士的推荐下,麦立强应查尔斯·李波院士之邀,来到美国哈佛大学化学与化学生物系做高级研究学者。在这里,查尔斯·李波院士严谨的科学态度,让麦立强受益匪浅。

基于前期的研究成果,麦立强与合作者设想是否可以使用单根纳米线器件原位表征电池充放电性能与电导率的关系,于是提出了新的研究课题:设计和组装可同时用于微纳系统支撑电源及原位检测微纳电池性能的单纳米线电化学器件。

在汇报实验方案上,查尔斯·李波院士对实验方案要求非常严格,有的实验方案要经过七八次的反复讨论和修改。当多次修改后仍得不到通过时,麦立强曾经有些泄气,这时查尔斯·李波院士就亲自与他坐在一起讨论,对实验方案进行补充,改进,再补充,再改进,直至方案得到最优化。

通过这一阶段的训练,让麦立强体会到,做实验不能盲目,要学会科学地设计实验方案和预测实验结果,尽量在实验过程中少走弯路。

在这些实验中,麦立强碰到了许多难以克服的困难。比如一根纳米线,由于其电阻率非常高,目前的测试设备无法所需精度,你只得另辟溪径,对设备进行优化;纳米线器件制作与测试过程中,保持好的电接触非常关键,所以需要选择合适金属接触电极材料,但没有现成的文献供你使用。为此,他又从原理上调研哪些金属材料合适,不断地查阅相关文献和专著。有一次,查尔斯·李波院士看到他引用的文献一般,便责怪他说:“你要看世界上顶级研究组的文献,你要想取得成功,一定要站在巨人的肩膀上,做世界顶尖的研究。”对这一点,麦立强检讨自己,起初做得是不够的,自查尔斯·李波院士指导以后,他每天早晨起来的第一件事,就是要浏览所从事领域国际高端期刊和世界顶级研究组的最新文献,一直坚持至今。

历时600多个日夜,两度寒来暑往,麦立强终于在一个有纪念意义的日子里获得突破,设计和制备出了世界上最小仅用一根纳米线作为工作电极的全固态锂离子电池。这一天,是2010年的9月10日,他记得非常清楚,是自己祖国的教师节。这天,他的论文《单根纳米线电化学器件》发表在国际权威刊物《纳米快报》上,并被Nature亚洲材料网站和德国Nanowerk网站进行了专题报道。

这篇论文的发表,使麦立强逐渐成长为世界纳米电化学器件领域的一颗新星,受到锂离子电池先驱M.S. Whittingham教授等世界一流学者的瞩目和肯定。

 

麦立强在2011年纳米能源材料与技术国际高端论坛上发言(姚洪摄影).jpg

祖国铭刻在心中

麦立强教授取得的成绩经媒体披露后,世界上就有好多地方向他伸来了橄揽枝。其中不乏世界500强企业和世界上一流的科研院所。有的甚至开出很高的年薪,并许以给他很好的实验室和很高的科研经费为条件,聘请麦立强去他们那里效力。

麦立强婉拒了这些单位和人士的好意。他的婉拒令他们百思不得其解。他们说,我们开出的条件是相当优惠的,很少有人拒绝过,你为什么竟然视而不顾?

是啊,在国外实验条件是好一些,并且待遇也丰厚一些,的确是很多人所向往的。但在服务国家的天平上,祖国这一端的份量在他心目中是最重的。

他忘不了祖国给予的助学金,让他顺利地完成了学业。

他忘不了老师们特别是博士导师陈文教授,一直给予提携与培养之恩。2002年,他代替导师陈文教授去欧洲参加固态化学国际会议,并在会上代替导师宣读论文;2005年,陈文教授又力推他到法国参加插层化合物国际会议,并由他代替导师主持几百人的大会。是陈文教授给他创造了学习和开阔眼界的机会,让他受到了全方位的锻炼,并结识了世界锂离子电池的先驱M.SWhittingham教授。他忘不了武汉理工大学张清杰校长的栽培之恩,在他难以抉择的时刻给予正确引导和全力支持。

2008年,在他去美国哈佛大学做访问学者之前,母亲因积劳成疾,突发心脏病,不幸去世。由于科研工作繁忙,麦立强连母亲临终前最后一面也没见上。他心情无比悲痛,耳旁不断响起母亲时常叮嘱自己的话:“你要感恩,我那时为了给你筹学费,承包了果园,是乡亲们大帮小贴,你才上完了大学。又是国家培养你读完了硕士、博士,你要知恩图报,做对国家和社会有用的人!”

特别令他铭记的,是自己的母校-武汉理工大学。2004年,他不满30岁,就特聘他为副教授;2007年,破格晋升为教授;2010年学校推荐他并获得国家教育部新世纪优秀人才;2011年他被学校聘任为材料学科首席教授。2009年,在麦立强的积极推动和中美双方的共同努力下,成立了武汉理工大学-哈佛大学纳米联合重点实验室,并由他担任执行主任。

应该说,自己的每一点进步,都来自于祖国母亲给他打下牢固的基础,没有这个基础,他即使造起了九层高台楼阁,那也只不过是空中楼阁而已,迟早是要垮塌的。

2011年2月,他回到了阔别两年多的祖国,回到了他在这里求学科研的母校-武汉理工大学。


人才强国则国强

2011年7月,国际著名学术期刊《自然——通讯》发表了麦立强教授课题组的一篇论文,这篇论文的核心内容是在主干纳米线上,通过回流技术,长出了分支纳米线,明显改善了超级电容器性能。这篇论文被该刊选为特色论文,下载阅读量当月名列第三。这篇论文主要贡献者之一竟是一位名不见经传的武汉理工大学本科生赵云龙。

在接受新闻媒体采访时,赵云龙坦诚地说,这一成果的取得,完全得益于导师麦立强的谆谆教诲与悉心指导。为了完成麦立强给他安排的解决储能领域容量衰减快这一难题时,他提出在主干纳米线上,如果能长出分支纳米线,可能会避免团聚(团聚的结果就会使容量衰减)。导师麦立强当时就给予了肯定和提出了建设性的意见,给了他继续研究的动力。

然而失败也接踵而至,刚开始材料结晶性不好,麦立强和学生一起做实验,通过改变和控制试验参数解决了这一问题。后来性能测试结果不理想,麦立强就适时的鼓励学生说,这些材料测出来的容量既然能达到80%,那么如果继续努力,这种材料在电容器容量上就可能达到90%以上。我们的实验结果已证明我们选择的材料是合适的,只要我们继续探索,就有可能达到我们的目标。

在导师的反复鼓励和指导下,赵云龙与合作者结合微乳液法和冷凝回流技术,率先设计构筑了钼酸锰/钼酸钴分级异质结构纳米线,比电容和能量密度相对于未构筑的材料增加了一个数量级,经一千次循环后容量保持率高达98%。

回国以后,作为武汉理工大学-哈佛大学纳米联合重点实验室的执行主任,麦立强始终以培养人才为己任,他的理想就是要为国家培养一大批走在世界前列的新能源材料技术和纳米生物医学技术领域的高水平优秀人才。他曾指导学生荣获首届“中国青少年科技创新奖”、 全国大学生“挑战杯”特等奖(1次)和二等奖(3次)、湖北省优秀学士学位论文一等奖(2次)等。指导的学生已成功考取或被推荐到哈佛大学、牛津大学、中科院、清华大学等名校或科研单位攻读博士学位或联合培养博士学位。

现在,麦立强在培养学生方面,他将陈文教授、王中林院士、查尔斯·李波院士三位导师好的育人方法和指导模式融于一炉,要学生每天早晨起来做的第一件事,就是阅读浏览本领域权威刊物发表论文的最新目录及世界上一些顶级研究组发表的最新论文;课题组开组会,要求学生全部用英文交流。每个人先花2-3分钟汇报,然后做文献综述,这样既锻炼了演讲口才,又提高了归纳能力,更重要的是培养了学生走向世界讲坛的胆量与自信。
2011年11月,《中国科技成果》杂志刊载文章,称麦立强教授及团队研究出的电化学器件,有望与纳米线太阳能电池、纳米发电机等组装成复合型纳米电源,再与生物传感器等组装成自驱动纳米系统,能源领域将迎来一场新的革命……

黎明前的黑暗只是短暂的,东方破晓的曙光将洒满崭新的征程。麦立强教授和他的团队,正迎着这灿烂的曙光,在纳米这个微观世界里踏实前行,奔向更远的目标!


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