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刘玮书:三年磨一剑,突破性研究成果的背后

发布日期:2020-06-17

近日,南方科技大学材料科学与工程系副教授刘玮书课题组与美国麻省理工学院陈刚教授课题组在离子型室温热电材料研究上的突破性成果正式刊载在顶级期刊Science上。

这一研究通过离子的扩散熵与氧化还原电对反应熵的协同效应在准固态离子凝胶中实现了高达17 mV/K的巨热电势效应。根据这项成果,研究人员对准固态离子型热电转换器件提出了一种新的准连续热充电/放电工作模式,器件在5小时内循环运行100圈,仍保持良好工作状态,验证了该器件可以长时间工作。该工作以离子为能量载体实现热到电的转换,为物联网体系中传感器及电子设备实现所需电能自供给提供了一种选择。

一项突破性研究的背后是科研工作者的呕心沥血。今天,让我们走近刘玮书,一起听听这项成果背后的故事。


创知创新,开拓耕耘新领域

刘玮书主要从事热电材料与器件研究,2016年加入南科大后,他便开始积极开拓新研究领域,寻求具有原创性的突破。按照当时的想法,他希望探索一些有趣的新材料,开发新的应用。

目前,热电材料主要是基于Seebeck效应,以电子作为能量的载体。大部分材料都是由重金属构成的窄带半导体化合物。刘玮书敏锐地意识到热电转换研究可能已经遇到天花板或者瓶颈,现有热电材料的热电势太低对热电器件作为室温环境下的物联网自供能应用有很大的限制。刘玮书思考,是否可以转换一个方向。突破传统的以电子作为能量传输载体的热电转换技术束缚是他当时的一个想法。

在热电转换领域,除了电子,能够实现热和电的转化的能量载体还有离子、电畴等,但是这些载体的能量转化技术并没有受到关注。他凭直觉想到,是否可以以离子为新的切入点超越现在的研究范式?在这个阶段,他作为核心成员参与了材料科学与工程系副教授郭传飞主持的广东省创新创业项目人体假肢的电子皮肤研究,他在其中负责皮肤温觉。人类皮肤的传感都是基于离子,这让他更加确定了自己的想法,并决心尝试研究以离子作为能量载体在热电转换方面的应用。

基于离子相关的热电转换效应,有基于离子扩散的热扩散效应(或称为Soret效应)和基于离子反应的热伏效应(称为热电化学效应),之前的研究大多基于溶液体系,或者从化学、电化学的角度分别研究这两个物理现象。刘玮书课题组选择从材料设计的角度重新思考,以生物兼容性更好的明胶作为离子热电材料的基体,努力跨越传统的电化学研究的范式。课题组的突破主要在首次实现了把Soret效应和热电化学效应这两种完全不同的效应合并在一起。

这项研究可以实现材料从环境的温差中获取电能,为物联网体系中的小型传感器或电子设备提供可持续工作的电能。而且,离子热电材料对大湾区物联网可穿戴方面的应用、生物仿生传感、健康检测等前沿科技领域提供了更有力的支撑,也符合深圳产业发展需求。


找准定位,坚守初心奋力向前

开启一项原创性的研究不可能一帆风顺,因为无法证明研究方向是否可行,也无法预测进展和结果,并且这其中耗费的时间成本对于处于成长期的刘玮书和以该项目作为博士后课题的韩成功博士来说可谓一场冒险。开展这样一个“冒险”研究项目,无论对刘玮书自己还是课题组成员,都有很大的压力和顾虑。

加入南科大之前,刘玮书曾在产业界从事热电材料等方面的研究,一番体验之后,他感觉,高校的科研环境更符合自己的期待。经过在产业界研究的体验,来到南科大成为独立PI之后,他的思想、身份都有了很大的转变。他认为,作为一名高校科研工作者,他有责任和使命去投入基础研究,去解决工业界没有耐心或解决不了的卡脖子问题。他尤其认为“创知”是高校教授的主体责任,与其跟风研究,不如另辟蹊径,发现或创造新的知识。这种信念支持着他迈出了科研路途中的关键一步。

相信自己的直觉判断,永远不放弃。刘玮书说服并带领课题组“背水一战”。课题组总共设计了三套研究方案,里边涉及到大量超出他们储备的知识,他们便边学习边研究。前两套方案在试验过程中都遇到了不可解决的问题,课题组成员感受到了巨大的挫败感,到试验第三套方案时,他们承受着巨大压力坚持推进。功夫不负有心人,第三套方案成功了,这让他们受到了莫大的鼓舞。从2017年到现在,这项研究历时三年,克服许多难题和不确定因素,逐步打开了一个研究的新天地。

回首整个过程,刘玮书认为,只有摒弃功利心,选好方向,专注科研,遇到难题不轻易放弃,才有做出突破性成果的可能。他很庆幸自己的坚持。


平台支持,在南科大快速成长

此次研究取得突破,刘玮书认为与学校给予的支持有很大关系。“学校有一流的制度保障,对青年教授的研究有充分的启动经费支持,我们可以更专注科研项目本身。”刘玮书说。

南科大对青年教授的支持还体现在南科大提供的顶级平台资源。以这项成果的平台支持为例,2019年,南方科技大学-麻省理工机械工程教育科研中心成立,这是深圳市首个与麻省理工合作的中心。两校以该平台为桥梁在科研教学等领域开展了密切的交流合作,为南科大的青年教授带来了更多顶级的学术资源。

在后期撰写论文过程中,刘玮书课题组与美国国家工程院院士、前MIT机械工程系系主任陈刚及其课题组博士后钱鑫开展了密切合作,对方在论文的理论解释上提供了很大的支持。合作期间,他们每天要开两次视频会议进行交流,探讨问题,并寻找实验现象背后的科学真相。刘玮书说:“陈刚院士在我们论文撰写和回复审稿阶段,给我们提出了很多的问题,并让我们反复推敲我们的结论,指引我们一步步去发现知识与真理,为我们今后的工作开拓了思路,受益匪浅。”

刘玮书课题组的硕士生、博士生、博士后等参与了这项研究。在研究后期,有两位本科生也参与了进来,为课题的开展提供了协助工作。“南科大的本科生动手实验能力很强,项目后续的研究将向所有课题组成员开放,将会有更多的本科生参与进来。”刘玮书说。


对于未来的产业化,目前课题组并不心急,在他们看来,产业化是水到渠成的事情,现在的工作重心是做基础性、突破性的研究和培养人才。刘玮书期待有更多的青年教授可以加入南科大,和学校一起创造璀璨的科学发展篇章。


论文链接:

https://science.sciencemag.org/content/368/6495/1091


采写:苗雪宁

摄影:王凯强

编辑:劳湘雯

主图设计:丘妍