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王中林,一位开挂的科学家和他的纳米帝国

如果你在网上搜关于王中林的资料,除了高得吓人的影响因子和眼花缭乱的学术成果,似乎很难找到他个人生活的痕迹。没有博客,没有微博,不知道有没有微信。偶尔上网也只是处理邮件和修改论文,办公室里都是老婆和女儿的照片,据说平时最大的消遣是晨跑和整理花园。

生活中如此低调的科学家,他的成长故事却如同 “开挂”一般,非比寻常的精彩。

王中林和他纳米器件,图片来源:NSF.gov

误打误撞进入纳米研究领域

王中林,生于1961年,陕西高阳镇。全国至少有五个高阳镇,这里是最穷的那个。家里兄妹四人,他是老幺。在他出生的两年前,1959年,伟大的物理学家理查德·费曼发表了著名的演讲《底部还有很大空间(There's Plenty of Room at the Bottom)》,宣告着“纳米时代”的到来。但是很遗憾,那个时候,王中林一家还只在关心是否可以吃饱。

理查德·费曼,20世纪最伟大的物理学家之一。图片来源:Nobelprize.org

作为家中最小孩子,王中林得到了更多照顾。虽然家境不好,但全家人一起努力,给他提供了所能得到的最好教育。他也没让家里人失望,小学、中学、高中一直都是第一名。1978年,他考取了西北电讯工程学院(西安电子科技大学的前身),学习物理。

青年王中林。图片来源:Sciencenet.cn

1981年,学校得到了送学生去美国进修的名额,20岁的王中林报了名,但因为英语太差,没通过。随后一年,在大姐买的录音机的帮助下,他恶补起了英语。转年的第二次选拔,他顺利通过,并成为西北五省唯一被录取的学生。随后,他选择了亚利桑那州立大学(Arizona State University)作为目标,因为A开头的学校排在了列表最前面。可能也是同样的原因,他投身到了一位名叫考利(Cowley)的教授门下。当时他应该不知道,这位全名叫做约翰·麦斯威尔·考利(John Maxwell Cowley)的教授,是高分辨电子显微学的祖师级人物。

就这样,一次撞大运般的选择,开启了王中林的科研之路。

亚利桑那州立大学是美国著名公立大学,校址位于凤凰城,图片来源:Stateuniversity.com

起步维艰但依旧开挂

在阳光充沛的凤凰城,王中林仅用4年时间就拿到了物理学博士学位,而其他人要6年或8年。就这样,他创造了系里的一个记录。读博期间,王中林顺利完成了多个研究课题,从电子显微学到纳米材料表征。这个勤勉的中国人得到了考利的高度赞赏——“不管做什么,王都是最好的”。

随后的故事却没有那么顺利。毕业后,王中林首先找到了石溪大学的一份博士后工作。然而,这里的实验条件太差。他习得了一身屠龙之术,这里却没有龙。后来几经波折,他终于来到了英国剑桥大学,开始了新的研究生活。

可惜,天时地利人和,总是难以凑全。在剑桥,他缺的是人和。

这里有一段小八卦。据说,王中林提出的一种理论,与当时的导师观点上有冲突,但他还是硬着头皮把文章发表了。“怼”导师这种作死行为自然引起了一系列负面后果。那个导师是本领域的权威,门生众多。于是,这一派众人群起而攻之。作为一个刚崭露头角的新人,王中林的起步阶段无疑是艰难的。

然而,正是在这段灰暗的岁月,王中林硬是实现了他的一个学术小高峰。那个年代,电子显微学还不成熟,很多研究者都是自成体系,甚至连使用的符号都不统一。实验受挫的王中林不想虚度光阴。他找来了本领域的所有文献,用了两年的时间,将所有这些知识提炼成了一本书。这本名为《电子成像和衍射中的弹性和非弹性散射》的书是他的第一本著作,一经出版就广受好评,被媒体称为 “具有卓越成就的经典之作”。

王中林的第一本专著,图片来源:Springer.com

1995年,王中林应聘到了佐治亚理工学院当副教授,从事纳米科学研究。

初来乍到,没有专用的实验室,只能白天看文献,晚上蹭别人的实验室。有些教授歧视他,想用他的启动经费去买设备,这个倔强的西北汉子当然不能认怂。王中林硬是扛下了这些压力,用三年时间发表了80多篇论文,并一举获得了终身教授席位。随后,又用了五年,成了佐治亚理工的董事教授 (Regents Professor)。全校数千名教职员工,这个荣誉每年只有两个名额。以至于后来,系里的其他教授面对王中林时都会感慨:“没有对比就没有伤害啊(You make us look bad)。”

王中林作为董事教授,在佐治亚理工学生毕业典礼上发表演讲。图片来源:Georgia Tech。

然而,故事才刚刚开始。

探究一种不走寻常路的发电方式

随着时间进入21世纪,笔记本电脑和手机开始占领人们的生活。笨重的电池似乎愈发难以满足这些精致的电子产品。与此同时,随着物联网的发展,微型传感器得到了大规模应用。这些数以万计的传感器比指甲盖还要小。如何给它们供电,成了一个大问题。

于是,王中林适时地提出了 “自驱动(self-power)” 的这一概念。所谓的自驱动,是指不依靠电池等储能器件,让电子产品直接从环境中收集能量。这个概念一经提出立刻引起了学界的广泛关注。

在2008年这期《科学美国人》上,王中林首次提出“self-power”这一概念。图片来源:参考文献[1]

为了实现自驱动的构想,王中林将目光投向了氧化锌(ZnO)。氧化锌这种半导体材料具有很多神奇的特性,而最让王中林着迷的,就是它的压电效应。

氧化锌的晶体结构具有非中心对称性,在受到外力作用时,材料本身的正负电荷中心会发生分离,产生电场,可以驱动电子移动,从而为外电路供电。

氧化锌的这种压电效应早已被人发现,但一直也没有得到足够的重视。王中林却觉得这是块宝。

2009年,王中林通过一个纳米针尖,拨动氧化锌纳米棒,成功输出了5毫伏的电信号。这种纳米级氧化锌具有很好的柔韧性,即使发生30%的形变都不会破裂,这可以让压电效应得到最大程度的发挥。然而,电信号仍然太微弱了。于是,王中林结合他数十年纳米领域的经验,不断改进设计,最终制备了一种氧化锌纳米棒的阵列结构,再结合精密的电路设计,最终实现了1V的电信号输出。这个输出强度已经可以点亮一个小灯泡了。

氧化锌压电效应示意图与氧化锌纳米线阵列,图片来源:参考文献[2][3],翻译:圆的方块

这似乎还不够。

2011年,学生在测试一款纳米发电机时观察到了5V的电压信号。起初大家以为这是一个误差,因为数值比预想的要高出一个数量级。但王中林觉得这其中应该另有玄机。经过仔细研究,发现是器件中使用到的材料表面比较粗糙,在实验中封装不稳,发生了滑动,造成了摩擦起电。问题找到了解答,按理说,故事到这就应该完结了。但是,王中林心中想的却是:为什么不把这个效应利用起来呢?

经过整整一年的探索,2012年初,王中林团队终于构建了一个全新的纳米器件:摩擦纳米发电机。这个装置可以通过摩擦起电效应和静电感应效应的把微小的机械能转换为电能。更重要的是,摩擦发电具有史无前例的输出性能,可以实现高达数千伏的电压输出。它既用不着磁铁也不用线圈,使用的都是便宜的高分子材料。通过小巧的摩擦纳米发电机,王中林可以把走路,呼吸,心跳,肌肉收缩等等日常中的零碎能量收集起来,转换成电能,给手机或者其他设备供电。当初的一个“实验误差”,如今已经发展出了一个全新研究领域。正如总是挂在他嘴边的一句话:“绊倒你的不一定是石头,可能是个金砖。”

将摩擦纳米发电机整合进鞋垫或鞋跟,可以将人走路的能量收集起来转变为电能。图片来源:参考文献[4]

虽然给手机充个电没问题,但王中林觉得摩擦发电的潜力应该不止于此。他的下一个目标是驾驭海洋——将海浪的能量收集起来,实现人类梦寐以求的“蓝色能源(Blue Energy)”。为此,王中林设计了一款基于摩擦发电原理的球状发电机。这种发电机由一个空心壳层和一个内部球体组成,可以漂浮在海洋上。随着海浪的冲击,壳层与内部球体发生相对位移与摩擦,从而产生电流。如果将成千上万个球体发电机串联成网络,将产生数目极其可观的电能。

就这样,纳米发电机走出了一条从基础科学到工程设计再到工业技术的“一条龙”路线,这种研究实践在世界范围都相当罕见。

基于摩擦纳米发电机的“蓝色能源”方案,图片来源:参考文献[5],翻译:圆的方块

不断升级的科学家人生

每当讲起自己的研究成果,王中林都会不自觉地提高音调,语速也明显加快了,眼神中有着难以掩饰的骄傲。

依据Google学术统计,截止到2017年10月,他已经发表了1500篇论文,总计被引用近16万次。

单纯地发文章王中林已经觉得不过瘾了,他索性自己创办了一个期刊。通过将“纳米”和“能源”这两个科研命题相结合,王中林主编的《Nano Energy》于2012年1月正式上线。经过5年的发展,这个期刊影响因子已经高达12.34。

在王中林看来,科学家的人生分为三个阶段,第一阶段是向世界证明自己的才华;第二阶段是尽力帮助朋友和周围的人;第三个阶段要用自己的知识来为国家和社会作贡献。他觉得自己已经进入了第三个阶段。

2004年,他接受邀请担任国家纳米科学中心海外主任,正式在中国开始了研究工作。2009年,当选最年轻的中国科学院外籍院士。1978到2010年的三十余年间,有近200万出国留学人员,王中林是他们其中唯一当选的外籍院士。

更大的契机发生在2010年。那年元旦,王中林本打算动身回美国,却在办公室桌上发现了一封“院士春节联欢晚会”的邀请信,也没多想,他就去了。当晚碰到了中科院白春礼院长。白院长把他拉到一边,跟他聊了聊中组部想要成立一个纳米研究所的计划。王中林回忆说”如果我改票走了,就没有之后的事了”。所谓“之后的事”,就是成立了中科院纳米能源与系统研究所,以王中林为首席科学家,主要工作围绕纳米发电机和自驱动系统展开。也就是说,整个研究所都是王中林的科研团队。

纳米能源与系统研究所所在地。图片来源:http://www.binn.cas.cn

王中林的故事,满足了世人对卓越科学家的所有幻想:天才,勤奋,反抗权威再成为权威。从关中小镇到名牌学府,从科学理论到产业应用,从个人奋斗到开宗立派,他每时每刻都在展现着巨大的才华和与之相配的野心。

过去的十年,王中林构建了一个庞大的“纳米帝国”。那么,下个十年呢?(编辑:婉珺)

女儿王琦给王中林做了一个大拼图,每一个色块都是一篇高引论文。图片来源: ACS.org

参考文献:

  1.  Wang, Z. L. (2008), Self-Powered Nanotech. Scientific American, 298, 82 - 87
  2.  Wang, Z. L., & Song, J. (2006). Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays. Science, 312(5771), 242-246.
  3.  Xu, S. el al. (2008). Patterned growth of vertically aligned ZnO nanowire arrays on inorganic substrates at low temperature without catalyst. Journal of the American Chemical Society, 130(45), 14958-14959.
  4.  Zhu, G. (2013). Power-generating shoe insole based on triboelectric nanogenerators for self-powered consumer electronics. Nano Energy, 2(5), 688-692.
  5.  Wang, Z. L. (2017). Catch wave power in floating nets. Nature, 542(7640), 159.
The End

发布于2017-10-24, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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