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像纸一样!金刚石膜“卷”起来了

来源:中国科学报2025-01-07 09:56

  ■中国科学报记者 张晴丹

  从金刚石这种无比坚硬的材料上剥离出大片完整的膜,听起来像天方夜谭,实际做起来困难更多。

  两年时间没有任何进展,香港大学副教授褚智勤一度想“砍掉”这个课题。但科研本就需要勇闯“无人区”。“就看愿不愿意下血本,简单的事没什么风险,当然也不会有大收益。虽然很难,但我们还是想拼一拼。”褚智勤说,“我觉得人生就应该赌一把。”

  他赌赢了。历时5年,这个课题终于“结果”了。

  褚智勤团队联合香港大学教授林原、北京大学教授王琦、南方科技大学助理教授李携曦,开创了一种金刚石剥离技术,可获得超薄且超柔韧的金刚石膜——它就像一张纸一样可以卷起来。近期,相关研究成果发表于《自然》。

  世界首次

  “2004年安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫首次用胶带剥离出石墨烯,斩获2010年诺贝尔物理学奖。20年后,我们首次实现了碳材料家族的另一位成员——金刚石薄膜的大规模剥离。”论文第一作者、褚智勤课题组的景纪祥说。

  时间指针拨回到2019年。一直聚焦于金刚石材料和相应量子探测研究的褚智勤,很想用金刚石实现一些功能。他与李携曦提出制备大面积平整的金刚石膜的设想。第二年新招进组的一位博士后接下了这个课题,但两年下来,几乎没有收获。最终,这位博士后离开了课题组,另找了一份工作。

  金刚石,不仅是珠宝界的明星,也是电子和光子材料中的“珠穆朗玛峰”。金刚石膜一旦制备成功便能大有作为。褚智勤不想就此放弃,他把这个自己非常看重的课题交给了当时的博士生景纪祥。

  很长时间里,景纪祥绞尽脑汁,无论用什么办法,都无法得到平整的金刚石膜。直到有一次,景纪祥不小心碰破了金刚石块,发现其边角有一小片翘起来了。他灵光一闪:“能不能直接用剥离的方法把膜揭下来?”

  实际上,这个想法有些反直觉。毕竟金刚石很硬、脆性高,不太可能实现。但褚智勤认为,这个疯狂的想法值得一试。

  通过不断调整参数,他们似乎找到了一些可行性。“简单来说,就是先破坏金刚石的一个边缘,暴露出一个‘新鲜’的缺口,从这个最优‘窗口’的某个特定角度,用力学手段剥离出一大片完整的金刚石膜。这是纯物理方法,不涉及溶液和化学过程,因此剥离出来的生长面完好。”褚智勤说。

  这张膜非常完美。论文中描述的金刚石膜为两英寸,实际上,他们已经能在实验室剥离出超过4英寸的金刚石膜。更让人惊喜的是,金刚石膜不仅非常薄,还是一张柔性膜,表现出卓越的性能。

  “它可以像一张纸一样卷起来。这种柔性非常重要,我们可以通过力学形变来调控一些性能。金刚石需要掺杂某种元素才能变成半导体,而金刚石半导体掺杂研究一直比较困难。现在,我们通过形变就能实现金刚石半导体性质的调控,这完全可以开辟出一条全新赛道。”褚智勤说。

  这一研究为大规模生产高质量金刚石膜开辟了新路径,具有巨大的潜在应用价值。“金刚石膜展现了很多优异的性能,相信未来会在电子、光子、机械、热学、声学和量子领域大放异彩。”景纪祥表示。

  被拒时,心态最重要

  这项研究可谓是领域内的一个重大突破。投稿之前,褚智勤坚定地认为,相关论文应该发表在一个影响力高的平台。

  “我们当时对顶刊做了分析,觉得《科学》可能更喜欢这种突破常规思维的内容。”褚智勤说。于是在2023年11月,他们把论文投给了《科学》。虽然送审很快,但反馈的结果令人沮丧。3位审稿人的意见大相径庭。第一位审稿人极尽赞赏;第二位审稿人极力反对,认为金刚石材料没有特别大的用处;第三位审稿人认为文章很有趣,但不适合在《科学》发表。

  褚智勤和合作者始终坚信这项研究的重要性。2024年1月,他们将文章转投《自然》,结果又吃了一记闭门羹。《自然》编辑回复说,还有一些内容没讲清楚、有一些测试没有做,所以论文可能达不到发表的水平。

  虽然被拒,但研究团队从拒稿信里看到了些许希望。“研究的确还欠缺一些实质性内容,所以在收到拒稿信后,我们又补做了4个月的实验,分析了实验数据,特别是对膜的质量做了分析。我们猜测,编辑希望看到更多证明金刚石膜质量优异性的证据,我们就尽量补充相应内容。”褚智勤表示。

  补充数据、整理参考文献、增加总结性图表……论文多出了好几十页的新内容。当做好万全的准备后,2024年4月研究团队再次投出文章。又经历两轮修改后,文章终于在2024年10月被接收,并于近期发表。

  “在这个过程中真的要摆正心态。这就好比参加考试,如果你是为了考试而考试,这个过程一定是痛苦的。如果先不考虑结果如何,而是把重点放在复习上,你就会有很多思考,各方面的能力都会得到提升。”褚智勤说。

  对科研保持纯粹的热爱

  “不浮躁,踏踏实实地做好每一件琐碎的事,完成每一个小目标。”这是褚智勤的科研观。

  这些观念的形成源于他博士后阶段的导师、德国斯图加特大学教授Joerg Wrachtrup—— 一位量子探测领域泰斗级的科学家。“只要不出差,他都‘泡’在研究所里。早上八点准时到办公室,晚上八九点才离开。他把所有的热情都投入到科学研究中。”褚智勤说。

  Joerg Wrachtrup对科研的这份纯粹的热爱,深深感染着褚智勤,有一件事情一直让他记忆犹新。“有一次,他到实验室找我,说想看一下我的实验笔记,但看过之后很不满意,认为实验笔记不够详细。他把我叫到办公室,从柜子里翻出厚厚一沓当年他读博时的实验笔记。我看到上面手写的密密麻麻、清晰又详细的笔记时,很受触动。”

  导师的言传身教深深影响了褚智勤。“科研起步时,我会对每一位学生说,要做一些具体的、小的项目。目标不要‘高大上’,从比较务实的目标着手,一点点往前走。而且,我希望学生是发自内心地热爱科研。做科研面对失败是常态,我很看重学生是否可以稳住负面情绪、戒骄戒躁,在周围人都不看好的情况下,冷静地扭转局面、逆流而上,开辟出一片新天地。”褚智勤说。

  相关论文信息:

  https://doi.org/10.1038/s41586-024-08218-x

  《中国科学报》 (2025-01-07 第1版 要闻)

[ 责编:李欣哲 ]
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