李彦：教研相长，突破碳纳米管制备难题的中国贡献

　　新浪财经讯  主题为“和而不同，思想无界”的 CC讲坛第46期演讲于2022年1月15日在北京以线上直播方式举行。来自北京大学化学与分子工程学院教授李彦出席并以《教研相长，突破碳纳米管制备难题的中国贡献》为题发表演讲。

　　以下为演讲全文：

　　大家好，我是北京大学李彦，今天我分享的题目是《教研相长，突破碳纳米管制备难题的中国贡献》。

　　作为大学老师，总是要有两个职责：一方面教学，一方面研究。在过去的二十多年当中，在教学方面，我一直主讲化学专业大一新生的普通化学课程；在科研上我主要是从事单壁碳纳米管的可控制备研究。

　　我想用我的经历说明这样一个观点：教学和科研是相互支撑的，彼此成就的，这两者是相通相融的，夯实基础、勇于创新、明确目标、百折不挠，都是要做好这两方面工作所具备的，一定要有的共性要求。

　　从我研究的对象碳纳米管说起，碳元素是周元素周期表当中，第二周期，第四种族的元素，这个元素真的是特别的神奇。

　　有人说20世纪如果说是硅的世纪，那么21世纪就有可能是碳的世纪。

　　碳到底神奇在什么地方？

　　首先整个有机生命体体系完全离不开碳，没有碳就没有有机生命体。其次如果是从材料的角度来说，我们现在日常生活当中都离不开高分子材料，碳也是在组成高分子材料的必需元素，碳本身的单质形态也是特别丰富多彩的，都是非常好的材料。

　　我们研究的纳米管，它是有一个SP2杂化的碳，形成了六元环，这些六元环再连接起来，形成管状的结构。这样一个结构，就赋予了特别优异的性能，它是一个超轻的、超强的、超稳定的材料，而且具有最好的热导率，最好的载流能力。因此在航空航天、国防、健康、能源，各个方面都有可能应用。

　　作为一个半导体材料来说，它和硅相比，首先是一个直接代谢半导体，而且它对电子和空穴的迁移率度非常高，是硅的差不多两个数量级还要高。而且它迁移率是均衡的，这就给我们对它在信息产业当中运用，产生了很多的期待，所以碳纳米管，显然是一类主导未来高科技竞争的战略性材料。

　　回顾碳纳米管研究的发展历史，在1991年的时候，日本的科学家饭岛澄男在电镜底下观测到了这样一个管状的碳纳米管，碳纳米管一下子就进入了我们所有科学家的视野。

　　在1998年的时候，第一个基于碳纳米管的晶体管做出来了，它优异的性能立即引起了大家非常广泛的兴趣，甚至于有人认为它有可能替代硅。国际半导体路线图委员会，在信息产业未来发展技术当中，也把碳纳米管列到了线路图当中。但是很快我们就发现遇到了一个瓶颈性的问题，材料的问题，碳纳米管没有单一结构的这样一个材料，就带来了很大的问题。

　　为什么这么说？我们要先从纳米管的结构来说起了，纳米管是一个管状的结构，如果我们把管状的结构打开，放到一个石墨烯片上，去描述它的结构。把管端做一个矢量的分解，得到这两个数，我们用这两个数来描述标注纳米管的结构，我们把n和m叫做纳米管的手性指数，如果n和m不一样，不光几何结构不一样，性质也不一样。比如90纳米管就完全没有代谢，那么10纳米管它就有代谢，所以它就有可能是金属管，有可能是半导体管，就给我们的应用带来了很大的麻烦。因此单一结构纳米管的制备，从科学角度来说，它是我们合成化学当中的一个基础问题，从应用角度来说，它是一个巨大的挑战。

　　要做单一结构纳米管有多难呢？，我们可以做一个比喻，如果给了你一些纳米管的样品，实际上就好比是你拿到了一捧沙子，去仔细一看，每一粒沙子都是不一样的，现在要把每一粒沙子做的完全一样，显然是非常困难的。在我们这个领域当中就把做单一结构的纳米管看作是一个研究的终极目标，当然也是一个非常有挑战性的问题。

　　因为遇到这个瓶颈，纳米管的研究就逐渐进入了一个低谷。尤其是在这个节骨眼上，有一种新的材料石墨烯又出现了，很多人就纷纷转到石墨烯的研究当中去。就像是报道当中的这一段话所说的：大家不停地转向新的材料，不愿意去做特别难的剩下的这些问题，可是这些问题对应用是特别重要的。这个事情就像是我们在吃饭的时候，突然上来了一盘非常肥美的烤鸭，旁边的鸡骨头显然就不会有人再去关注它了。

　　我是在纳米管研究最高潮的时候被动的进入这个领域，很多人离开的时候，我当然也会去犹豫我要走，还是要留，经过非常慎重的考虑，我决定留在这个领域去啃骨头。为什么要下这样一个决心，基于两点考虑：第一个考虑是单一结构纳米管的制备，是这个领域当中，最关键，最核心的问题，对一个研究者来说，你有机会去解决一个最关键，最核心的问题，实在是很难得的机遇；另一个方面，在过去的十多年当中，我们一直在这个领域探索，对解决这样一个问题，我们已经形成了一些可能的解决的方案，我们也有信心，有决心去面对这样一个非常难的问题。

　　纳米管是怎么合成的？

　　最常用的合成方法叫做化学气相沉积法。在这个方法当中需要用到催化剂，催化剂能够催化碳源裂解，同时就会形成了这样一些碳，这些碳就在催化剂上成核，然后生长成纳米管。因为生长的温度是非常高的，一般在800°C以上，所以在大多数情况下，金属催化剂纳米颗粒是熔融状态的。催化剂起很关键的作用，所以很多人都认识到了，要用催化剂来控制纳米管的结构。但是对一个熔融的催化剂来说，它自己都没有形状，怎么能够去控制纳米管的结构呢？大家自然就会想到了，要用一个固体催化剂，经过了很多年的努力以后，用固体催化剂是不是成功了呢？不是那么的成功，报道的最好的结果也不过是55%。

　　这个问题怎么去解决呢？

　　我就想到了在普化当中讲到催化剂的时候，一定要讲一类特别独特的催化剂，就是酶。酶的催化反应是选择性最高的，这样一个好的选择性来源于哪里？来源于酶和反应物之间一一识别的作用。酶催化反应的高选择性就给了我们启发，认识到不仅需要一个固态的催化剂，还需要催化剂的结构是非常独特的，这样才能使得纳米管和催化剂的结构识别作用是一一对应的，才能有选择性。

　　要选择一类什么样的催化剂呢？

　　要求结构独特，这就意味着不能选单质金属，因为单质金属，结构太好，太对称。那就需要选合金，可是对大部分合金来说，结构组成都是不固定的，因此就需要一类独特的合金，就是金属间化合物，它是具有确定的结构和非常好的晶化情况的。

　　从高熔点的要求来说，组成金属间化合物的一个组份，一定要有高的熔点，因为我常年教普通化学，所以对元素周期表当中，元素的性质是非常熟悉的。我知道在周期表当中，这些区域的元素熔点是很高的，这里头的铼、锇、铱，是贵金属，很贵，而且形成合金相对来说比较少，所以不能选它们；铌和钽比较难还原，也不能选它；最后我们的目光就落到了钼和钨上，我们选择了钨。

　　为什么选钨？

　　除了它具有超高的熔点，能够形成金属间化合物以外，还有一个特点，不是纳米管生长催化剂，这对我们来说是非常方便的。

　　那么保持催化活跃的元素选什么？

　　在周期表当中铁、钴、镍、是我们最常用的纳米管生长催化剂。在其中我们选择了钴，因为钴不仅是一个好的纳米管的生长催化剂，而且它能够跟钨形成一个CO7W6的低对称性的三方相的结构。因此我们选择CO7W6就有了高的熔点，有了较低的结构对称性，满足了我们对催化剂的设计要求。

　　我们进一步来看一看，这两种催化剂钴和CO7W6的区别。我们选了一系列的不同结构的纳米管，让它去和催化剂结构匹配，就发现对CO7W6，只有（0 0 12）纳米管和它的匹配是近乎完美的，其余的都不怎么匹配。而这个单质钴就不一样了，匹配程度都差不多，没有太大的区别。因此我们就知道了，以这样一个具有独特结构的催化剂为模板，就可以来合成单一结构的碳纳米管。

　　我们选出了这样一个催化剂，它怎么去可控的制备呢？

　　其实因为钨高的熔点，制备还是比较困难的。我又想到了在普化当中，讲到钨的时候，一定会就会介绍钨特别容易和其他的过度元素形成多酸。在一个多酸分子当中，钨和钴是均匀混合的状态，而且分子是纳米尺度的，这就特别方便让我们把它用作一个前驱体，在非常温和的条件底下可控的得到纳米晶，所以我们就发展了基于多酸团簇为前驱体的合成方法。

　　要作为一个催化剂，要作为一个结构模板，一定要有相当的稳定性，在我们生长碳纳米管的条件底下，它的结构是不会改变的才可以。这个催化剂是不是足够稳定呢？我们就用一种非常高级的技术叫做环境球差电镜进行了研究，这个研究就告诉我们钴单质是不稳定的，遇到碳的时候会成碳化钴，但是CO7W6完全稳定，这样我们就证实了它非常有可能用来做结构模板。

　　似乎就是一个万事俱备了，对吧？但是确实还欠东风，我们是要利用结构匹配，去控制纳米管的结构的，可是一个催化剂作为一个三维的结构，是有很多晶面的，不同的晶面匹配不同的结构的话，那就意味着在同一个晶粒当中都可以长各种各样的管子，我们怎么能够有选择性？这的确是一个非常难的问题，我们怎么办？只能再回到化学的基本原理当中去找思路。

　　化学热力学和化学动力学，都是我们普通化学教学当中最核心的内容。化学热力学是从能量的角度去考虑问题，化学动力学是从反应速率各个方面去考虑问题。我们要把一个化学过程开发成可用的，一定是要从化学热力学和化学动力学两个角度去做努力，经过协同优化以后才能找到最佳的条件。

　　在我们这个体系当中，碳纳米管的结构和催化剂结构匹配，它的能量比较低，这是一个热力学层面的问题。在动力学方面，我们有没有可能找到一些思路来解决刚才提到的难题？的确这里边是有解决的办法的，我们发现不同结构的纳米管，喜欢的供碳条件是不一样的，对（12，6）这种管子，就喜欢很快的多多的供碳。对（16，0）这样一种管子，就希望慢慢地，少一点的供碳，这就是它生长的动力学习性的不同。利用这一点，我们就有可能通过优化碳源的供给条件，来提高它的选择性。

　　总体来说我们提出来的方案，首先是发展了一种结构独特的催化剂，因为它的结构的独特性，和它结构匹配的纳米管的数量就大大的下降了。在这个基础上，把结构匹配的热力学因素和控制生长条件的动力学因素结合起来，让它协同的发生作用，就可以得到一个非常高的选择性。用这样的方法，我们得到了一系列的，各种各样的，单一结构的，很高选择性的，纳米管的样品。

　　这个工作我们完成了以后，评述专家们就认为，我们提出了一种制备单一结构的碳纳米管的方法，实际上就成为了纳米管逐渐进入一个新发展期的代表性的贡献。

　　这个工作发表以后，也引起了很多的回想。美国化学会的化学和工程新闻，就把它列为了当年度的十大顶尖国际化学研究。国内外的媒体和学术界的关注度也是非常高的。包括在英国皇家化学会，机关刊物《化学世界》就引述了美国赖斯大学的Andrew Barron教授的评述：这项研究解决了纳米管可控制备当中的一个难题，它有可能会改变纳米管的产业。当然，我们知道离真正改变纳米管产业的那天还非常的远，我们只能说万里长征才迈出了第一步，后边还有非常远的很艰难的路要走。

　　我们工作，首先是发展了一类具有特殊结构的无机金属间化合物的催化剂。也建立了一种以多酸团簇为前驱体的金属间化合物催化剂的制备方法。我们提出了将这样的一个金属间化合物催化剂作为一个结构模板来合成碳纳米管，利用它的结构模板作用，再加上动力学生长条件的优化协同作用，来实现单一结构的纳米管的可控制备，这就是我们的方案。

　　无疑在我们这个方案的提出和完成过程当中，普通化学起到了一个非常重要的作用。它给我们提供了一个基本的理论基础和我们方法的基础，也为我们的创新工作提供了一个有力的支撑，这是毫无疑问的。

　　反过来我在研究当中的这样一些经验积累的思想，也成为了我普通化学教学的一个非常好的素材，把它应用到课堂当中，就取得了特别良好的教学效果。所以对我来说，教书育人，做科研，就是我工作当中非常和谐的，美好的二重奏。

　　对人才培养来说，除了从事本科教学以外，另一个侧面当然是研究生的培养。我非常感谢我们课题组的研究生，他们愿意选择跟我去啃这样的硬骨头。在啃硬骨头过程当中，他们也得到了很好的锻炼。屏幕上这三位年轻人，他们就是因为在跟随我攻读博士学位期间，对我们刚才提到的课题的研究贡献，而跟我一起获得了国家自然科学二等奖。因为我在教书育人方面的贡献，我也获得了北京大学十佳教师，十佳导师，北京市的高等学校教学名师等等这样一些荣誉称号。但是这样一些荣誉，对我来说真的是不算什么。我刚才提到这些优秀的年轻人，从我们的课题组出来以后，他们成长为非常优秀的学术带头人，带领他们的团队去取得了更大的成绩，才是让我最引以为自豪，最骄傲，最高兴的事情，这就是作为老师，所独有的乐趣。

　　我想用秋天的未名湖的美景来作为一个结束语。这两张照片都是从未名湖的最西角拍过去，这是大家最喜欢拍摄的一个角度，我把它叫做未名湖的正装照。但是如果是换一个角度去看，从未名湖北岸看过去，从湖心岛看过去，是不是就有不同的风情？也可以放过伯牙塔，去放眼未名湖，是不是看到了更广阔的未名湖，也打开了你更宽广的世界，也是一个更美妙的未名湖。那么除了未名湖的湖水和湖心岛，这些树以外，还有湖里头在秋阳底下惬意戏水的水鸟们，它们是不是也很有风情？还有那些树叶倒映在湖水当中五彩斑斓，就像油画一般也特别的漂亮，甚至于湖水上面漂浮的那两片非常小的叶子，还有湖边那些不起眼的角落当中遗留的那一点点的红叶，是不是也都特别有风情？我们要去欣赏未名湖的美，各个角度欣赏未名湖的美，就需要一双能够寻找美的眼睛。

　　对我们科学研究也是一样的，我们要做创新性的科学研究，我们也需要一双发现美的眼睛，那么这双发现美的眼睛是什么？就是我们扎实的基础。扎实的基础，才是我们能够去做创新的最可靠的依靠，有了它，我们才能够在科学研究的大道上都独辟蹊径。

　　主持人问：

　　未来有没有可能会出现真正的碳基芯片，碳基芯片和硅基芯片它们之间到底是怎样的一个关系？

　　李彦老师回答：

　　这是一个非常好的问题，也是我们经常问自己的问题。碳作为一个半导体材料，一些性能上显著的优于硅，这是显而易见的。但我的观点是在信息产业当中碳和硅是互补的材料。因为对硅的研究已经几十年，发展非常的成熟，进入了一个很高的发展水平，如果我们把它完全扔掉，显然不是一个非常经济的选择。

　　那么更合理的选择是什么？我认为更合理的选择是硅不能够解决的事情，硅遇到麻烦的事情，我们用碳去解决。基于碳基的器件，可以去做光互联，可以去做柔性，可以在极端条件底下去使用等等，这都是硅不能够去做到的。

　　如果我们把硅和碳的特长结合起来，我相信未来的信息产业技术，会有更大的提升。所以对碳基芯片的未来，我是持非常乐观的态度，但是我可能没有期待它能够真正的替代硅，我是希望它和硅的技术是融合发展的。

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责任编辑：梁斌 SF055