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【走进实验室】书架到货架,成材与成才——新材料学院清洁能源研发中心

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From 南燕新闻社

【编者按】

2021年,南国燕园已正式步入二十载。二十年间,北京大学深圳研究生院科研创新平台建设稳步推进,科研创新能力持续提升,目前已建和在建的各类实验室共计30多个。回顾过去,一项项亮眼的科研成绩充分彰显了北大深圳的办学质量和办学成果;立足当下,深研院紧贴时代脉络,深耕人才培养和科研创新;展望未来,深研院将依托科研平台持续发力,在深圳、在中国发出更加坚定的“北大声音”。不同学科方向、各具专业特色的实验室充分彰显了深研院“前沿领域、交叉学科、应用学术、国际标准”的办学方针,是深研院面向深圳、服务广东、辐射华南、为地方经济发展服务的强力助推器。

说起实验室,首先映入你脑海的,是庞大的设备、精密的仪器、刺鼻的药水,还是整齐划一的工位、屏息凝神的面容、伏案疾书的身影?

作为科研产出的依托平台和成果转化的连通媒介,实验室承载的不仅仅是一个个基金重点项目、一篇篇高影响因子论文和一项项重大科研成果,更是一位位奠基者的呕心沥血、一个个科研人员的精益求精和一份份深思熟虑后的精准抉择。

透过实验室,每个学院以自己独一无二的学科特色在南国燕园大放异彩;立足实验室,北京大学深圳研究生院坚定地踏出勇毅的步伐,在深圳速度的时代幕布上画下一笔笔浓墨重彩的奇迹。

现在,让我们跟随南燕新闻社记者的脚步,揭开实验室的神秘面纱,一窥他后面的人和事吧!


在北京大学深圳研究生院的“科研动态”专栏里,几乎每个月都能够看见类似的报道——新材料学院于二月份在锂电池无钴层状正极材料获得重大进展,三月份在构建材料知识图谱研究取得一定突破,四月份基于拓扑数学与机器学习进一步加速对材料结构规律的研究探索……新材料学院的科研团队拥有浓郁的学术氛围与丰硕的科研成果,而北京大学深圳研究生院新材料学院清洁能源研发中心正是其中的代表。

 丰硕的科研成果

新材料学院重点开展了基于材料基因组的新型材料学科建设,立足已经建立的国家级“电动汽车动力电池与材料”国际联合研究中心、广东省“新能源材料设计与计算”重点实验室、深圳市“新能源材料基因组制备和检测”重点实验室、“纳米光电打印材料”工程实验室和“OLED关键材料与器件”工程技术研究中心,以承担国家重大专项、重点研发专项、省市级重大项目为契机,开展有针对性的学术研究。

清洁能源研发中心下设四个研究方向。聚焦于学科热点和学术前沿,既包括了材料研究的新范式——材料基因学,又涉及到新材料领域的热点难点——电池材料的结构排序及其动态演化。放眼于研究发展与未来趋势,既重点研究高性能锂离子电池,又探讨新型能量转换机制,从而更好地研发储能材料,高效地利用清洁能源。

清洁能源研发中心的研究方向

醉心科研,不遗余力

在一届又一届材料人的接力突破下,清洁能源研发中心已是硕果累累。课题组组长潘锋教授连续六年(2015-2020年)入选“中国高被引学者”榜单,荣获2016年国际电动车锂电池协会(IALB)杰出研究奖,2018年美国电化学会(ECS)电池领域技术奖。课题组研究成果《电动车动力电池材料结构及性能的基础科学研究》获得2018年深圳市自然科学一等奖,发表在NATURE NANOTECHNOLOGY的论文In situ quantification of interphasial chemistry in Li-ion battery入选2019年“中国百篇最具影响国际学术论文”。

工欲善其事,必先利其器。先进的科研设备对于实验科学来说必不可少。新材料学院拥有包括TEM、FIB、SEM等多台大型材料测评设备和完备的实验验证线和中试生产线,为科研提供完善的支撑服务。学院具备高性能计算与数据库平台,与国家超算深圳中心保持密切合作。测试中心的材料检测平台在满足院内科研需求的同时,也允许对外开放,帮助兄弟单位、企业验证产品级的新材料、新工艺、新太阳电池产品。南方科技大学、哈尔滨工业大学(深圳)、清华大学、深圳大学等附近院校均是主要的长期客户,对外所得的经费收入又反哺用于维护院内的仪器维护与能源开支,从而相互促进,起到科研设备优化升级的目的。

科研设备与科研平台

院内最贵的仪器——透射电镜基本覆盖了材料测试的功能需求,在国内来说配置也比较齐全。电镜最核心的一个功能就是采集数据,因此相机是很重要的一个部件。负责维护透射电镜的赵工程师告诉我们,这台透射电镜的数据采集系统目前是市面上最好的透射电镜相机。它的采集速率可以达到300张图片每秒,用于动态观察材料在实验中很快速的一些变化。最高像素可以达到4K*4K,分辨率是0.1纳米左右,可以看到一个纳米左右的物体。

测试中心的工程师队伍目前有四名男性,两名女性。作为一支很年轻的队伍,每个人对于工作基本上都是随叫随到。“人能干的情况下,仪器设备可以全满测试,几乎都是饱和状态。工作时间设备绝对都有在使用的,大多数非工作时间也都是给了学院内部学生教学科研这块。”负责测试统计、收费、合同审批的翁工程师如是说。“大家的责任心都比较强,每台仪器都有一个固定负责人。仪器什么时候出问题,我们都会及时的去解决。每台设备或者是实验室前面都有负责人的电话,基本上出了问题都可以打电话。如果电话解决不了,我们就会来现场解决。”

透射电镜

扫描电镜测试

测试中心的工程师日常主要负责设备维护、学生培训等。看似朝九晚五工作的背后,其实是早已习以为常的突发状况。加班变成了日常,从早上九点工作到晚上九点已经是基本的工作时间,偶尔有些公司样品出问题或者是学校有些文章要返修,考虑到因为生产线一旦停下来损失就会很大,工程师一般都会在拿到样品之后,不管是周六周天就立马安排,随叫随到。另一方面,学生经过培训课,在非工程师的正常工作时间如假期或晚上,就可以自己利用设备做测试。如果出现报错的情况,学生在晚上十二点钟,凌晨一两点钟都会打电话询问,一般这种情况下工程师也会进行回复。“我们希望他能够尽快的反馈,要不然的话这个问题如果存在的话,下一个人不知道或者是他自己去动手的话,那肯定导致这个问题更严重。所以我们的要求也是这样的,出于这个仪器和人身安全,我们肯定是希望他一有问题,就把问题向我们反馈。”

宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来。一次次实验背后是测试人员的保驾护航,而一篇篇论文背后则是老师和学生们的夜以继日。“博士名额本来就紧张,能成为潘老师的学生,大家都有一些使命感和紧迫感。老师没有对在实验室时长有特别严苛的要求,但是作为博士生以及我们这种作为以后要从事科研工作的人,主要是一个自律。”即将毕业的博士生杨同学如是说,“其实按个人来说,每个人的作息习惯都不太一样。但是我们除了这些个人的自由时间之外,我们都会尽量待在实验室,比如我个人习惯早睡早起,早上九点以前到实验室,晚上十点离开。很多师弟的话都非常的勤奋,基本上就是挑灯夜战,不分昼夜的学习,恨不得一天有二十六个小时。”

虽然没有特别严苛的要求,但是实验室的学生一般都会在早上九点左右到,保证每天至少十个小时在实验室。“所有的新生入学之后首先会上课,在上课的同时还会接受实验室安全培训,包括仪器的正常使用、基本的化学合成操作、仪器的必要维护以及安全规范等。通过考核之后,才能在博士后或者老师的指导下来开展一些课题。”当提及如何平衡上课和做实验之间关系时,同时入学的19级直博生冀同学和19级硕士生有着深刻的感受,“上课和做实验是同时进行的,自己需要学会去协调时间。基本上有时候我们没课的时候,都是在办公室忙着做实验的时候。实验室的模式就是上课只是学习生活的一部分,不能因为上课所以就不做实验。”

有机合成

组装纽扣电池

“整个科研过程都需要有机的配合,而不是固定机械的几点到几点做实验,几点到几点写文章。”有些间段不连续的实验,比如给定条件的化学反应,实验室的学生在操作完实验步骤,设定好时间之后就会去办公室看文献找找灵感、整理数据汇报、交流一些企业商务方面的知识。有些原位实验,学生就会每一分每一秒盯在那里,观察到底有什么样微观现象发生,其间不能移动一丝的细节,而且要随时调整参数,一旦离开就很有可能造成整个实验的失败。就是在这样零碎的时间中,学生把大多数精力投入到科研之中,像海绵一样汲取所有的知识作为自己的养分,不断突破,不断成长。

言传身教,授业解惑

“其实潘老师也是我们的一个模范,他也是除了科研就没有太多其他的事情,基本上把90%的精力都投入到科研上,所以在他的引导感染下,我们也是自发的把精力投入学习。”在采访学生的过程中,老师和师兄师姐的引领作用被不断地提及。不论是潘锋老师沉迷科研的精神,还是他对于工作的热情,甚至是思维的方式与解决问题的方法也都对学生们产生了潜移默化的影响。“我觉得老师思考问题的方式跟我们学生想的不一样,我们很多人做实验都是试一下,或者跟文献学习然后稍微改造一下,但是潘老师真的是从原子分子尺度上去想怎么解决问题,然后设计新的实验方案。”对于学生来说,经常在实验数据里找不到一些关键信息,但是潘老师总是能抓住问题的本质。所有的潘老师组都经常会出现这样的现象,“潘老师提出了某个方向,但是我们学生可能觉得跟文献中设想的不一样,实验比较难做,然后就慢慢搁置了,但是不久之后有很多高质量的文章发出来,的确就是像潘老师想的一样,只是我们没有实现而已。所以我们觉得潘老师在想问题的深度和广度方面是要比我们学生强很多的。”

师者,所以传道受业解惑也。其实不仅仅是潘锋老师,新材料学院许多的老师也都是如此。2016年3月份入职的专职科研老师杨老师日常的一天是从学生汇报科研进展开始的,“老师和学生之间都会有一些那个特定的项目课题在做。每天早上学生会汇报一下他们的进展,然后我们会指导下一步往哪里做。如果中间出现什么问题,我们会提供一些如何解决的建议。如果有些他们不明白的话,我们就会亲自带着去做。”就像是一艘平稳行驶的大船,当老师定好科研进展前进的方向之后,学生就会动手实施,向前推进。当遇到问题的时候,老师就会和学生一起找出问题所在,调整行驶的方向,提出解决问题的方案。“哪怕如果在校内学不了的,像我们就可以在校外为学生们找一些其他的测试方法或制备流程。”

三人行,必有我师焉。不同的项目组在有不同分工主题的同时,不同的研究方向之间也存在着频繁的沟通与交流。每个月实验室会有一个大组会,每一周大组长都会就大家近期工作内容进行一个汇报。彼此之间相互沟通,将各自成果之间的启发、做实验的一些方法都借鉴到各自的实验当中。更常见的是课题组内部的交流——每个课题组之间都对彼此的方向,特长十分熟悉——当学生清楚自己的问题需求时,就可以直接找到对应的人,就小问题进行的私下交流。当问题解决不了需要协调的话,各个大组长再进行沟通。

除了老师的答疑解惑,前辈的带教氛围也是实验室的一大特色,实验室的每一个人都在为更好的实验室而付出努力,这种付出精神得到了很好的延续和传承。18级博士三年级的宋同学讲述了在实验室中最难忘的经历,在做毕业设计的时候,他的师兄主动承担起了一些实验室仪器维护的工作。“有一次学院通风橱的风机坏了,维护的工程师当时很忙,师兄就联系工程师,让工程师进行远程指导,由师兄把风机修好。这虽然不是学生本职的工作,但是师兄为了实验室能够正常的运行能够主动去承担,这让我感触很深”。在师兄去英国做博士后之后,宋同学就接手了师兄的工作,主动解决实验室的风机、泵油等仪器出故障之后的问题。“感觉毕竟师兄带的我,我就要把它传承下去。”

作为全职博士后,秦博士的日常跟学生们的工作大体上也是相同的——以做实验解决产业关键基础科学问题发“有用”文章为考核标准,“学生工作汇总到我们博士后这边,然后我们博士后再汇总给老师,起到中间桥梁的作用。” 在起到桥梁作用的同时,经过博士生完整体系培养的博士后,具备严密的逻辑思维和较强的文章写作能力,因而也会在平时交流中进行思想的输出。而正是在前辈们的带领下,新材料学院也在源源不断地输出高质量的文章。

才下书架,又上货架

2021年4月10日,北京大学纳米科学与技术研究中心主任刘忠范院士在北大南燕讲座中鼓励科研工作者找准方向、不懈坚持,做能写到教科书中的对科学有用的东西,或者以“工匠精神”突破“卡脖子”技术,实现产业应用转化,“做点真正有用的东西、或者上货架、或者上书架”。

而在新材料学院清洁能源研发中心实验室,在负责科研成果的同时,博士后还需要承担产业化的重大的任务,负责和企业对接,将科学成果转化成产品,将高质量的文章要逐步的落地,把一些深刻的机理、发现的一些新材料、新手段转化成能够推动这个社会发展的实际产品,实现从书架到货架的转化。

超快材料成像测试仪

新材料学院围绕节能和清洁能源体系这一核心研究方向,开展原子、能量、信息、生命融合的基础研究,实现新材料、新能源与信息技术的交叉研发和创新。学院以产业化为科研发展目标,从产业革命的技术瓶颈和科研需求出发,探索新型产学研模式,力争成为新能源关键材料基础研究到应用协同创新的枢纽和支撑平台,协助实现国家对大湾区“打造全球创新高地,提升我国材料科学开拓性创新性和材料产业”的目标规划。

潘锋教授认为,材料是基础,工艺是关键,基础研究到应用协同创新需要高层次专业和工程工艺技术人才;材料与化工领域注重功能材料智能化、材料与器件集成化、制备和使用过程绿色化的研究,需要与地方企业密切合作,培养与技术应用深入关联的专业级人才。

由于学科特殊性以及锂电池产业化的现状,实验室进行的一些基础研究与理论研究,也带上了应用层面的最终目标,在应用大框架下,所有的基础研究都是以需求为导向。在新材料学院工作了四五年的张老师这样描述个人的感受,“因为我们这个课题组算是比较新的一个课题组,所以说我觉得我们课题组这几年的进步是非常巨大的,不管是从文章上还是对科学认知,包括往产业化地慢慢推进,这个进步速度都是肉眼可见的。我也很开心自己能够见证这样的一个过程。”

测试锂电池的实验室

完全人格,首在体育

蔡元培先生主张“完全人格,首在体育”。实验室学生的生活以科研为主,但也绝不仅限于科研。新材料学院每天会组织跑步活动,面向整个深圳研究生院,跑完指定公里数就可以领一瓶酸奶。跑步活动已经坚持了两年,就是提倡大家在保证精力充沛的前提下去做高强度的科研工作。学生告诉我们,潘锋老师也提倡把身体素质培养好,然后在此基础上才有更多的精力和实力,高效地投入科研。实验室也会组织一些素质拓展活动,比如攀岩、远足、宿营,通过这类活动来促进同门之间的情谊,张弛有度。

新材料学院注重在校学生的实践能力培养,强化校企联动培养机制,深耕粤港澳大湾区,与华为、华星光电、欣旺达、贝特瑞、OPPO、中兴通讯等公司在人才输送、技术研究方面长期合作,从而培养学生全面发展,适应社会及相关行业广泛而多样化的需求。

三军同力,未来可期

如果将新材料学院清洁能源研发中心比作飞驰的汽车,那么工程师、教师、博士后、博士生、硕士生都是这辆汽车上紧密咬合的齿轮。每一个零件看似微小,但是成为缺一不可的整体,才能在康庄大道上平稳运行,正所谓上下一心,三军同力,是以百事成,而功名大也。无论是年轻且拼命干的工程师队伍,在科研方向上稳定而持续推进的学生,还是谆谆教导关怀备至的师长,每个人都喜欢自己正在进行的工作,从而不断深入,形成长年累月坚持的动力。

新材料学院成立于2013年,随着科研实力,科研队伍的不断壮大,现在的实验室空间已经近乎饱和,未来将会进一步扩展空间区域,优化升级设备,加大力度引进国内外优秀人才加盟团队,碰撞出新的火花。正如潘锋老师所说,任何制造业的升级换代都离不开材料,材料行业始终是国家战略发展的基础,也是地区发展的深耕重点。北京大学深圳研究生院作为北京大学在大湾区进行产学研战略性布局的基点,当然应该发挥出带头作用,以耕耘奋斗的精神与创新突破的思想,在深圳这片创新、创业的土壤上,培养出专业知识丰富,综合素质强,有社会责任担当的新时代人才。


南燕新闻社“走进实验室”专题报道组出品

策划:邬紫荆

记者:钱韵

摄影:谭羲

联络人:杨卢奕、赵晓卉

指导老师:王可佳


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