志在制备出世界最长的碳纳米管
——记清华大学化工系2009级博士生张如范
研通社记者 陶一萍 张旭 新闻中心记者 范丽
张如范，清华大学化学工程系直博四年级学生，师从魏飞教授。在攻读博士期间，在导师的指导和与科研团队其他科研人员的通力协作下张如范成功制备出世界上最长的碳纳米管，实现了单根碳纳米管的光学可视化及宏观尺度下的可控操纵，首次发现了宏观尺度碳纳米管结构超润滑现象。目前以第一作者身份发表SCI论文5篇，其成果相继发表在《自然-通讯》（Nature Communications）, 《先进材料》（Advanced Materials）, 《美国化学会纳米》（ACS Nano）等国际顶级专业期刊上，申请6项专利，参与撰写两部专著。曾获2011年能源与环境新型纳米材料国际会议最佳墙报奖、第13届纳米管科学与应用国际会议最佳墙报奖、巴斯夫亚太地区科技论坛最佳墙报奖、2012年教育部博士研究生学术新人奖、研究生国家奖学金、金涌奖学金、巴斯夫优秀博士生特等奖、清华大学第304期及第330期博士生论坛优秀报告等。其科研成果曾被中央电视台、北京电视台、《人民日报》、《科技日报》、《北京日报》、《大公报》等多家媒体报道。
图为张如范在实验中。
张如范从本科毕业设计开始接触纳米研究前沿课题，到为解决这些课题历经重重挑战，再到屡创佳绩取得累累硕果，他是如何破茧成蝶、在科研之路上崭露头角的？
提到清华工科男，难免不少人会先入为主，觉得张如范是一位整日埋头实验、敏于行而讷于言的工科男生。但在采访过程中，张如范的开朗健谈与诗词才情给笔者留下了深刻印象。他不仅有着工科男的沉稳与踏实，也有着对文艺的追求与情怀。勤奋、巧思、善于总结，以及对科研的乐观和激情都是他取得成功的重要因素。一个多小时的采访，他娓娓道来，生动展示了他的科研与生活。
天道酬勤，“柳暗花明”破瓶颈
2005年张如范考入中国石油大学（北京）化工学院。在本科期间，他勤奋学习，夯实专业基础，并一直保持乐观的心态，努力培养对新事物的兴趣；曾任班长、化学爱好者协会副主席，学生记者等职务，从社会工作中得到许多收获。
2009年，张如范以优异的成绩从中国石油大学（北京）保送到清华大学化工系。当年3月份，他提前来到清华做本科毕业设计，跟随魏飞老师做超长碳纳米管制备与性质方面的研究。从本科学石油化工，突然转到完全陌生的纳米领域，面临的困难可想而知。张如范没有退缩，从硬着头皮啃英文文献开始起步。
接触课题的前两个月，尽管张如范“折腾”得十分辛苦，但什么成果也没得到。看到别人在实验方面突飞猛进，他一度产生了很强的挫败感。天生乐观的他并没有因此放弃，而是继续在这个课题上努力。由于课题本身难度较高，在日复一日的实验中，张如范依然进展缓慢。
图为张如范在实验中。
天道酬勤。在一次实验中，他偶然发现了一种实现碳纳米管光学可视化的方法。前面连续两个月失败的经历让他敏感地意识到这个发现的意义，他很快利用这种现象设计出一种简单但有效的测量单根碳纳米管力学性质的方法。为了尽快完成这项工作，在清华园的第一个寒假他就放弃了回家过年的机会，大年初一还坚持在实验室处理数据。功夫不负有心人，来到清华的第二年，他的第一篇论文就发表在材料领域国际顶级专业期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。
从此，张如范的科研激情一发不可收拾。清华求学四载，他曾连续两年春节都在实验室度过。
在与北京大学进行合作的过程中，由于对方实验室电子显微镜使用时间的限制，张如范只能在晚上其他人都下班后才有机会使用。曾经长达两个月的时间里，他经常从晚上八点开始做实验，一直做到早上八点。谈及这段经历，张如范说，条件有限、实验不顺、遇到困难甚至迷惘、困惑等经历都是奋斗路上所必需的，对于年轻人的成长是一件好事。正如导师魏飞老师所言，要想真正做出点成绩，必须要经历一个磨练心智的过程，只有这样你才能真正意识到困难和问题之所在，才能够真正沉得住气，深入进来。
经历过无数次的挫折之后，他开始明白科研是一个需要静下心来、不断思考、迂回前进的过程。
匠心独运，“山寨方法”克难关
张如范的巧思，用他的话说就是“胡思乱想”。正是这种天马行空的想象，善于在思考中创造新方法，成为他取胜的“法宝”之一。面对有限的实验设备和条件，他不拘常规，大胆尝试，敢于创造和运用各种 “山寨”的方法来解决设备缺乏的困难。
碳纳米管的研究是一个跨学科的研究领域，需要综合运用多种仪器设备对其性能进行表征。然而张如范所在的实验室很多条件都不具备。面对这些困难，他虽然也会到外单位寻求合作，但更多的是充分发挥自己的主观能动性，利用现有条件，巧妙改造，自制设备进行研究。
比如，为了摆脱电子显微镜对碳纳米管表征的限制，张如范匠心独运，巧妙构思，提出了一种实现碳纳米管光学可视化的方法，通过常规光学显微镜就可以对单根的碳纳米管进行表征，并解决了研究过程中的一个个难题。他首先制备了一种带有微槽的硅片基底，然后利用超长碳纳米管漂浮生长的特点，使其悬空在凹槽上面，然后在这些悬空的碳纳米管上负载大量二氧化钛纳米颗粒。由于这些颗粒对可见光有很强的散射能力，从而实现了光学显微镜下单根碳纳米管的可视化观察，并可进行后续操纵。该方法不需要任何复杂设备，只需要几秒钟就可完成，简单高效，大大提高了碳纳米管的结构表征、性能测量以及器件构建效率。这项工作的文章发表在《自然通讯》（Nature Communications）上后，其独特的构思和巧妙的设计得到了国际同行的高度评价。
研究碳纳米管的力学特性，常规的做法是单根碳纳米管固定在专门的力学仪器上进行测量。这种测量一般需要精度达到纳米级的专业设备。可是张如范所在的实验室并没有这方面的设备，怎么办？
面对这种困难，张如范并没有一筹莫展。在不断思索解决方案的过程中，灵感再次光顾了这个勤奋的研究者。张如范的奇思妙想又来了，他利用一根毛细管从悬空碳纳米管侧面“吹气”，使其发生弯曲，根据气速大小、颗粒数量和粒径以及碳纳米管的弯曲程度来计算其受力大小，从而测量出它们的力学性质。
为了能够顺利实现“吹气”法，首先需要使碳纳米管生长在具有一定沟槽的硅片基底上。而在硅片上刻槽的传统方法是微加工工艺，成本很高。而实现“吹气”法需要的沟槽宽度和深度都很高，制作这样的一个沟槽成本接近万元。为了能够降低成本，张如范逆向思考：既然微加工方法如此之贵，何不将三块硅片拼接在一起，形成一个沟槽？然而，这种粘接硅片的方法却面临一个关键的难题：缺少一种能够耐受1000oC高温并且不影响碳纳米管生长的粘合剂。为了找到合适的粘合剂，张如范进行了大量的尝试，然而无一例外都以失败告终。突然有一天，他灵光一现，心想：为何不用简单的金属箔片去尝试呢？他用实验室常见的铝箔进行试验。将小片铝箔放在两个硅片之间，然后在高温下将铝箔熔化，将两块硅片粘附在一起，冷却后铝箔从液态变为固态，就可以将所粘附的硅片牢牢固定住，从而完美地固定三块硅片从而构成沟槽。这样一来将加工成本几乎降为零。
这个巧妙的创意在《先进材料》（Advanced Materials）上发表后相继被自然出版集团-亚洲材料（NPG Asia Materials）以及美国纳米科学与技术网站Nanowerk两个著名网站评为亮点文章。张如范说，“这是一个看似很‘山寨’的方式，但是背后却蕴含着很多巧妙的构思。有句话叫做‘有条件要上，没有条件创造条件也要上’，做研究就需要有这种闯劲和念头。‘君子性非异也，善假于物也’，也正是这个道理。”
善于积累，“垃圾数据”废变宝
善于和热爱总结积累是张如范科研工作的另外一个法宝。每一本厚厚的科研笔记和科研箴言都是值得挖掘的宝藏，这些总结和积累更是他日后很多重大成果的基石。张如范翻出一本本厚厚的《科研工作记录》，扉页上用苍劲挺拔的字体写道“敬业者，专心致志以事其业也”。密密麻麻，记载着他多来的实验进展和心路历程。纷繁复杂的数据，及时更新的进度，还有自己的苦闷、灵感都包含其中。
张如范一个重要的研究方向是如何提高碳纳米管的长度，使其达到米级甚至更长，从而为超强纤维等材料的制备提供可供选择的材料。然而，这却是一个世界性的难题。自从2010年魏飞教授带领的研究组在国际上首次制备出20厘米长的碳纳米管后，在此后3年的时间里，国际上再也没有任何新的进展。张如范在从事超长碳纳米管制备的过程中，经常会遇到碳纳米管停止生长的情况。多次失败后，他常常习惯把以往所有的实验数据进行整理和分析，努力从中寻找蛛丝马迹。
一次次，最终他从那些看似杂乱无章的数据中发现了相互间的必然联系。由此建立了一种能成功描述超长碳纳米管生长的模型。而在此理论模型下，以前所有的数据，哪怕是曾经认为的“垃圾数据”都能得到合理的解释。也正是靠了这种机理模型的指导，张如范在超长碳纳米管的制备过程中紧紧抓住其核心要素，经过3年的努力，成功制备出单根长度达到半米长的碳纳米管，这是目前世界上最长的碳纳米管，超过现有记录的两倍以上。这项工作发表在《美国化学会纳米》（ACS Nano）上后，引起了广泛关注。美国纳米科学与技术网（Nanowerk）、中央电视台、人民日报等多家主流媒体都做了报道。
“这项工作做出的那一刻，我非常激动。三年多的时间里，我常常为得到大量无用的数据而郁闷，然而通过这一模型的转化，以前所有的数据都‘化腐朽为神奇’、‘变废为宝’，最终都能派上用场。”说到那时的兴奋和感慨，张如范仍激动不已。
张如范对科研有着非同寻常的激情和乐观态度。他的科研过程并非一帆风顺，很多时候是非常枯燥甚至坎坷的。在实验遇到瓶颈的阶段，他往往会赋诗一首，抒发烦闷，寄情于文字之间。
苏幕遮—科研小生记事
读文献，做实验，夜以继日，双颊洒热汗。暂将此身献科研，学海无涯，长途路漫漫。
常失败，淡然看，苦中有乐，悲喜何须念。磨剑尚需待十年，这才几时，继续埋头干！
这首词是张如范在一个夜深人静的小树林里作的。那时候他经常通宵达旦地做实验，即使这样，在长达半年的时间里却依然没有任何进展。其内心的苦闷可想而知。但是他并没有气馁，经常会到实验室附近的小树林里去散心，去反思前因后果。有时灵机一动、茅塞顿开，“柳暗花明又一村”。
衣宽不悔，“太空天梯”鸿鹄志
莫看小管轻如鸿，
韧性超强胜弩弓。
来年若长无限度，
可做天梯上天庭。
张如范用自己的这首诗来表达他的梦想，“希望能制备出了米级甚至公里级以上的碳纳米管，为超强纤维以及太空天梯的制备开启一线曙光。”面对这个高难度的前沿课题，张如范从最初的恐惧，到坦然接受，再到如今渐入佳境、享受探索的过程，是连续两年春节留校攻克实验的付出，也是无数次通宵达旦做实验的积累，更是面对有限的客观条件笃定不放弃的凝聚。
在采访过程中，张如范对自己的导师魏飞教授表达了深深的敬佩和感谢之情，“魏老师是我遇到的对我影响最大的人，其为人为学，都堪为楷模。跟着魏老师，自己的眼界、心胸等各方面都得到极大的开阔。”同时，他也对实验室的其他老师和同学表达了感激之情，“离开大家的合作，我也很难取得这些成果”。
谈到科研经历，张如范也很乐意将自己的心得与大家分享。他认为勤奋工作和善于思考都很关键。“既要埋头拉车，也要抬头看路。勤奋的双脚要踏在正确的方向上。”另外，需要有敢于挑战困难的勇气，还需要保持乐观的心态，“科研其实挺苦的，需要耐得住寂寞。即使在最失落的时候，也要相信自己经过努力能够看得到希望。”
“成功的花，人们只惊羡它现时的明艳！然而它当初的芽儿，浸透了奋斗的泪泉，洒遍了牺牲的血雨。”张如范一步步走来，在历练中不断奋进，极佳地诠释了此中深意。
导师魏飞教授评语：
从张如范同学身上，我感到了作为导师与富有活力和创造性的学生共同研究的快乐与惊喜，这不仅表现在他投入科研的热情、许多个通宵工作的拼命精神及创造性、使宏观尺度上纳米显示这一技术难题很快解决、并使毫米级长度碳纳米管力学测量等前沿课题可以通过简单仪器实现，还表现在他对前沿基础问题持之以恒的努力与奋斗。出身于工科专业，对关键科学问题的专注是出成绩的关键，而实现这些成果的过程则是充满着艰辛与曲折。经历这一过程，并有持续科研的能力才是做好科研的第一步。希望如范同学以此为起点，做高起点与质量的工作，在纳米科技这一前沿领域有清华工科的声音。
