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汤子康:勇敢地走自己的路


稿件来源:校报校报2011-09-20第259期 | 作者:宣传部 | 编辑: | 发布日期:2011-10-26 | 阅读次数:


  ■他在0.4nm碳纳米管方面的发现和研究被选为2000年度世界十大科学新闻之一、其成果被誉为“划时代的革命性材料”。
  ■他首次在纯碳结构中发现一维超导体现象,被列为2001年物理学界11项最主要成就之一
        ■他在纳米结构氧化锌方面的发现将在今后氧化物半导体在紫外激光二极管上的实际应用研究中产生深远的影响。

        人物简介汤子康:

  男,浙江金华人。
  经历:1983年获杭州大学物理系学士学位;1986年获中科院长春物理研究所硕士学位;1986—1987年,上海科技大学材料科学系任教;1987—1991年,日本东北大学攻读博士学位;1991—1994年,日本理化研究所任基础科学特别研究员;1994年至今,香港科技大学教授。
  2005年任中山大学长江学者讲座教授;2009年中组部首批“千人计划”教授;香港科技大学-中山大学联合纳米实验室主任。
  学术:成果《超细单壁纳米碳管的发现》被485位两院院士选为世界十大科技新闻之一。
  成果《超细单壁纳米碳管超导研究》被美国物理学会网站列为2001年度世界物理学领域11大成就之一。
  成果《纳米结构氧化锌半导体ZnO薄膜室温紫外激光发射研究》触发了迄今方兴未艾的全球性氧化锌研究热潮,因此获2003年度国家自然科学奖二等奖。
  目前担任中国物理学会发光专业学会副理事、国际期刊NANO(WorldScientific)创刊编辑、SolidStateCommunication编辑、《发光学报》副主编、《科学通报》特邀编辑等

        题记:
           “我看见一只鹰在盘旋,
                   鼓着青春泼辣的勇气,
                   一直冲向金色的光芒,
                   升到永恒的火焰里去”
                                                           ———尼采

        “我来到中大做的工作还不多,现在还不是接受采访的时候吧。”电话那头的汤子康教授爽朗而谦逊。其实这段时间汤教授特别忙碌,备受各方瞩目的香港科技大学-中山大学联合纳米实验室(位于东校区)经过一年的筹备即将投入使用,对于担任实验室主任的他确实是件值得高兴的事。5月的一个深夜,当天上午在香港科大授课,下午在东校区实验室工作的汤教授来不及洗去满身的劳碌风尘,赶回南校区寓所接受了采访,讲述了他那些举世瞩目的科研成就背后的故事,许多不为人知的细节为首次披露。

       “其实发现最细碳纳米管的过程完全是个偶然。”

  碳纳米管自1991年被发现以来一直受到科学家的青睐,其研究已成为当今世界上发展最迅速,竞争最激烈的科学前沿领域。科学家预言,纳米技术将爆发性地改变人类的生活,引发新的工业革命。
  1994年,原本在日本东北大学理化研究所从事纳米研究的汤教授,经过全球招聘应试,来到香港科技大学任职。
  刚到科大的汤教授一边从事氧化锌研究,一边做碳纳米管方面的研究尝试。有一段时间,他打算做一些量子点(尺寸在100纳米以下的零维纳米材料)和量子线(尺寸在100纳米以下的一维纳米材料)。为了把量子线做得更细更均匀,教授想到了化学工程里常用到的分子筛晶体,他和吉林大学徐如人院士以及陈接胜教授合作,合成研制出了一种单晶多孔道一维的分子筛,其孔道直径仅为1nm(1纳米)。原生分子筛晶体的纳米孔道里有很多碳氢分子需要先清空,因此必须在氧气氛下高温煅烧,使分子筛变成透明体。然后在这些纳米孔道中填入金属(或者半导体),就可以制出1nm左右均匀而规整排列的金属或半导体纳米线。有一次,一个实验上的失误,在分子筛晶体高温煅烧过程中忘记了通氧气,结果发现真空下高温煅烧后的分子筛呈黑油油的颜色。“非常漂亮的黑色,通过光学显微镜观察,还带有很强的偏振性。”
  凭借敏锐的科研触觉,汤教授开始探究这种神秘的黑色物质究竟是什么。经过反复斟酌考虑,他认为这应该是碳(高温后碳氢键断裂,氢跑了,留下来的只能是碳);查了很多文献,试图探明直径为1nm的细微孔道里面的碳究竟会是一种什么样的结构。结果似乎有些令人兴奋,因为在这么细小的一维空间里,碳最有可能的结构就是Carbyne。Carbyne是一种像糖葫芦串一样碳的一维结构,这种结构早已在理论上预言存在,但从未在实验中观察到过。
  汤教授带领团队对这种奇特的晶体材料进行各种可能的表征研究,但无论怎么努力,其结果还是跟理论计算的Carbyne结构相去甚远,却与碳纳米管的特征非常相似。由几何尺寸推算,该种纳米碳管的直径应该在0.5nm左右。推论成立的话,这将是全球发现的最细的碳纳米管。虽然不是期望中的Carbyne结构,但退一步,最细碳纳米管的发现何尝不能让人欢呼雀跃?
  初生牛犊不怕虎,汤教授带着这个发现去美国物理学会年会上宣读。会场的主席是著名的麻省理工教授,纳米碳管的理论鼻祖M.Dresselhous,听众席上有碳纳米管的发现者日本饭岛教授在座。纳米碳管领域,当时公认最小的单壁碳管直径是不小于0.7nm。冒然宣称0.5nm单壁碳管的发现无疑是对当时的共识一种公然挑战。汤子康的报告还没有讲到一半,就受到众多与会者的质疑。再说,这位冒失的年青人———实在是太年青了。“差点没被轰下台,很尴尬”,汤教授回忆。会后,汤子康用日语和饭岛教授进行交流,饭岛说:“碳纳米管最小直径0.7nm是由碳的五角星定律决定的,凡是研究碳材料的人都知道。”原来根据当时碳结构的五角形定律,任何碳的曲面结构不可能有两个五角形粘搭在一起,中间必须要有一个六角形隔开,否则结构会不稳定。所以稳定的碳结构最小的就是C60(C60的结构就像一个足球,仔细观察一下,足球面上的所有相邻五角形还真被六角形隔开的),这也是最细碳纳米管必须要具备的结构,而C60的直径为0.7nm。

        If you know where to go, the whole world will make way for you
                                                                                                                  ———西谚
  
        虽然历经挫折,汤子康还是不甘放弃,因为所有的测试结果都指向了碳纳米管。后来,经过透射电镜更加直接的表征,表明这些纳米细孔里面的碳结构确实就是碳纳米管,且直径还要更小,仅为0.4nm。就这样,汤子康及其研究组利用多孔的沸石晶体作为载体,首次成功地研制出了排列规整、世界上最细小(直径0.4纳米)的超细单壁纳米碳管。这一尺寸已非常接近最小的纳米碳管的理论极限。
  这项工作2000年在世界顶级权威杂志Nature发表后,引起很大反响,被美国的Chemical & Engineering News  选为2000年度在纳米材料领域的世界四大重要工作之一。同时,该项研究被485位中国科学院院士评选为2000年度世界十大科学新闻之一。
  值得注意的是,在汤教授这篇文章发表后不久,就有人报导发现了C36,次年又有人发现了C20—— 一种全部由五角形组成的碳的球状结构。至此,人们不得不对碳的五角形定律做进一步完善:在一般实验条件下得到的碳原子排布是遵循五角形定律的,但在特殊条件下可以不受五角形定律的限制。科学发现有时候就是这么神奇!
  2001年,汤子康及其研究组进一步发现,这些超细单壁纳米碳管不仅有奇特的光学特性,在低温(15K温度以下)下还显示出不寻常的一维超导特性。这是首次在纯碳结构中发现超导体现象,也是首次在准一维体系中发现了超导的涨落现象。这对研究一维导电体中的电子运动以及纳米碳管的实际应用有很大的意义。
  他们的研究成果在Science发表后引起了世界又一轮关注。著名的物理学网站PhysicsWeb把他们的工作列为2001年物理学界11项最主要成就之一。日本的NikkeiAdvancedTechnology杂志把他们在Nature和Science上的论文同时列为2000—2001年十篇最受关注的论文。并先后被央视新闻联播、BBC、CNN等全球知名媒体广为报道。

       “在纳米结构的氧化锌半导体薄膜中观测到了室温紫外激光发射也是顺理成章”
 
  在日本理化学研究所做博士后时,汤教授研究的课题是高密度激发条件下激子的非线性光学效应。后来到香港科大后,汤教授带回了几块东京工业大学制备的纳米结构的氧化锌薄膜继续研究。块状氧化锌晶体在低温下有很好的激子发光特性,但随着温度的升高,激子发光的猝灭很快,在室温就很难观测到激子效应了。汤教授在科大研究纳米结构氧化锌薄膜过程中,观测到了很强的激子受激发射现象。这个发现引起了他的极大兴趣,通过查阅文献,他发现了其中的奥秘:氧化锌纳米结构的量子束缚效应导致了激子的振子强度数量级的增强,从而使得激子在室温下受激辐射成为可能。这项研究的部分工作首次在第23届国际半导体物理会议(1996年)上披露后,立即引起了世界同行们的极大兴趣。翌年,汤子康教授接受Science采访,5月的Science上以WillUVLasersBeattheBlues?为题介绍了研究组关于氧化锌的研究工作。1998年,美国的专业激光杂志LaserFocusWorld又以Semiconductor Lasers : ThinFilmLasersintheUV为题对汤子康的研究工作作了专题报道(LaserFocusWorld,8月刊,1998)。他们的研究工作指明了用氧化物半导体来研制紫外半导体激光的可能性,它将在今后氧化物半导体在紫外激光二极管上的实际应用研究中产生深远的影响。
 
  “香港的学术自由制度为我带来转折”

  当年汤教授舍日本赴香港从事研究曾引起很多人的不解。1992年博士毕业后,他从全球数百名应聘者中脱颖而出,获得日本国科技厅的基础科学特别研究员职位;这一职位工资待遇比日本大学的副教授高,研究条件十分优厚,不仅拥有数百万日圆研究经费,还另外通过竞争获得了日本文部省支持的一个研究项目。放弃这些在常人眼里简直不可思议。特别是去到香港要白手起家,条件很艰苦,压力也很大,三年合同期内如果工作看不到起色就得卷起铺盖走人。
  然而汤教授却毅然选择了离开。他说“日本的科研体制比较刻板,很不自由,以教授为核心,事事需服从安排,某种程度上对学术自由科研发展形成了束缚,而香港的高校管理模式跟西方很接近,每个教师哪怕你是助教进校后都是一个可独当一面的研究人员,可自由选择研究方向,这对科研开展是很有益的!”事实证明,正是这一选择酿成他的人生重大转机。到港后汤子康克服了种种困难,凭借扎实的基础、渊博的知识、睿智的头脑、坚强的勇气和信心,很快就在自己的学术领域内崭露头角,不断取得轰动性成果。
  
        眼前的汤教授高大挺拔,精力充沛,机敏而热情,说话十分简洁精要,偶尔还开点玩笑。说起自己的成就快活得像小男孩上树不小心掏到了鸟蛋一样。别人眼中的奇迹他眼里却很平常。“我不觉得自己做得有多好”。唯有看到他青年的照片,透着英气勃勃的眼睛,你心里会掠过那首诗:

  “他下面是个蠕动着的海面,
         他站在墙似的山脊上凝望———,
         刹时间向下扑去迅如雷电。”
                                                                 (英国)丁尼生《鹰》

        汤教授微语录:

  *“只有勤奋不懈、打好知识基础,才能抓住机遇”。
  *本科要把基础学科学扎实,一定要学好,一个阶段完成好一个阶段的任务。
  *硕士阶段是科学研究的启蒙阶段,要掌握好各种实验技巧和科研方法,对所研究领域的历史和现状、已经取得的进展以及存在的问题,要做到知己知彼、心中有数。
  *不得不承认,运气也是很重要的,它随时会出现,又会不经意地溜走,能不能抓住这就要靠基本功了。
  *不“迷信”导师,但在大方向的选择方面,要尊重导师的抉择和决定;具体来说,做好自己的事情;如果自己每天从事的研究还不如导师知道得多,那是一种失败。
  *走自己的路,让别人说去吧。

        “周末一定会陪家人”

  “我喜欢听音乐,好听的都喜欢,有一首,呃,《myheartwillgoon》;比较喜欢柔和些的”;“还喜欢k歌,唱得还很投入,呵呵”;“周末我一般不呆在实验室,一定会腾出时间陪家人和孩子,带儿子打球,给他讲故事”……
    结语:对汤教授来说,研究之余,一些轻松的音乐和运动都会让疲惫的身心得到彻底的放松。对儿子的热爱和关怀也让他获得意想不到的收获(目前儿子在美斯坦福大学就读)。
  他说他最喜欢的运动是滑),喜欢它的视野开阔一片白洁,他常常花费不菲去日本滑)。
  是的,在他张开臂膀滑翔的刹那———远方,一只苍鹰在盘旋。

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