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专业化学科教育与有温度的人才培养——记温州大学浙江省碳材料技术研究重点实验室
编辑:尹恬然  来源:宣传部   编辑:资讯中心  时间:2019-05-30  浏览:

碳材料,与大家的生活紧密相关,小到笔芯里的碳素墨水,大到国防军工设备的碳纤维结构材料,都离不开它。碳材料又古老又年轻,远古时期,炭就被用来取暖与烹饪,而千万年后的今天,碳材料仍被人津津乐道,每一个新型碳单质的发现与应用,都会成为学界为之一振:金刚石的人工合成、石墨层间化合物的深入研究到富勒烯、碳纳米管、石墨烯的发现都取得了令人瞩目的成就。21世纪,也被许多人称为“超碳时代”。

在温州,也有这样一座重点实验室,在碳材料研究的舞台闪烁着耀目的光彩。

浙江省碳材料技术研究重点实验室,依托于温州大学化学与材料工程学院,以温州市新材料重点实验室及温州市制笔行业重点实验室为基础,自2012年9月获批成立以来,一直在学科研究与人才培养领域辛勤耕耘,收获了累累硕果。

师生合著的学术论文频现于国际权威期刊;各级奖项与专利证书不断涌现;一批批新豪娱乐学子从这里扬帆起航;一步一步走向专业领域的“弄潮儿”……这座重点实验究竟是如何摘得累累硕果的呢?近日,记者来到坐落于温州大学学院路校区内的浙江省碳材料技术研究重点实验室,一探新型碳材料的独特魅力,与“有温度”的人才培养模式。

“从1到99”的不懈努力

2010年的诺贝尔物理学奖,颁给了英国物理学家盖姆和诺奥肖洛夫,以表彰他们对石墨烯的发现与研究。浙江省碳材料技术研究重点实验室负责人杨植教授告诉记者:“在碳材料研究领域,一项碳材料单质的发现都是一项诺贝尔奖项级别的发现。”

如果将新碳材料单质的发现看作“从0到1”的突破,将其真正将这种新材料投入应用生产,发挥出巨大产业价值就好比实现了从“从99到100”的跨越,那么从0到1,和从1到99的过程就显得更为漫长而挑战重重——而这正是这座重点实验室的聚焦之处。

浙江省碳材料技术研究重点实验室自成立以来,一直致力于创建促进原始创新基础研究、应用基础研究和技术开发相结合的综合平台。实验室以微纳结构碳材料与碳素材料为主要研究方向,由点入面,将生活中方方面面的碳材料研究进一步深化。

在实验室的努力下,小小的一支笔里就蕴藏着众多奥妙,针对制笔行业面对的墨水保湿性和书写流畅度等问题,实验室对于碳色素墨水关键技术的开发与产业化做了大量研究,其中包括墨水专用染料和颜料的开发、墨水专用色浆制造技术、中性、水性和中油性墨水研发及产业化研究,由实验室改进制造的碳色素墨水,其黑度与稳定性都较高,配合笔头与墨水匹配技术的深入研发,带给消费者更为流畅、顺滑的书写体验。与此同时,实验室还致力于碳色素材料及相关产品的检测工作,建立符合国际惯例的碳色素材料及相关产品的检测体系,与温州大学制笔重点实验室合作,提升制笔的质量与水平,让关键技术走入更多企业,让检测体系为更多产品服务,实现产教融合。

而在纳米结构碳材料方面,实验室研究了多种纳米级碳材料,在微观的世界发掘碳材料的无限光彩。时下大热门的碳材料石墨烯就是实验室关注的对象之一,对其化学合成、结构及性能,进行不断的探索与研究。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。实验室从石墨烯的特性出发,对它作为能源材料领域与新型快速止血材料等应用方面做了深入研究,深挖其“从1到99的”无限可能。对于碳量子点的研究,实验室关注碳量子点的合成、发光性能等,纳米级的碳量子点“体型”虽小,还在细胞成像和生物标记等领域也发挥着重要作用,备受实验室研究瞩目。

纳米结构碳材料的研究,应用于能源领域,会为大家的生活带来了更多惊喜。电视广告上时常出现的广告词“充电五分钟,通话两小时”,正因为有碳纳米管等纳米结构碳材料的加入才成为可能。实验室领军人物杨植教授等针对当前锂硫电池、燃料电池、电催化等领域的关键科学和技术难题,以纳米结构碳材料为研究对象展开系统研究,取得了系列创新性成果。团队设计并发展了多种碳/硫/氧化物(或硫化物、碳化物、氮化物、有机小分子等)多功能复合电极,及石墨烯复合插层膜,大幅度提高了锂硫电池的倍率和循环稳定性;提出并发展的“牺牲对电极法”、“同步氧化还原电沉积法”、“雾化乙醇辅助渗透热解法”等,实现了多种金属氧化物、硫化物、磷化物在纳米碳上的均匀、深度复合,相关材料在氧还原、氧析出、氢析出等领域展现了好的应用前景。碳纳米管,仿佛一根天然的纳米电线,不但成本低廉,且性能优异,大大缩短电池充电所需要的时间,且续航时间更长,性价比极高。

浙江省碳材料技术研究重点实验室多样的研究成果,屡次发表于化学、材料等学科著名刊物《Advanced Materials》、《JACS》、《Adv. Energy. Mater.》、《Advanced Science》等,多次成为“封面论文”,在全球学界引发关注与热议。实验室成员作为骨干力量参与到“十一五”浙江省重中之重有机化学与皮革化工学科的建设工作和“十二五”浙江省重中之重化学学科的建设工作。近年来,温州大学化学和材料科学两个学科ESI(Essential Science Indicators,基本科学指标库)排名相继进入全球大学和科研机构的前1%。同时,实验室成员发表的多篇论文进入到ESI高引和热点论文。

探秘纳米碳材料

新型多级孔碳微球、新型三维多级结构石墨烯、单壁纳米管、杂原子掺杂石墨烯……这些多种多样的纳米结构碳材料,究竟是如何被“制作”出来的呢?合成纳米碳材料的方式多种多样,其中最为常见的就是用“高温炉”“烧”出来。在浙江省碳材料技术研究重点实验室的大楼内,有一间实验室中摆放着各种“炉子”,它们中最大的有一人多高,小的则体型大小如普通锅炉,但却“八仙过海,各显神通”。其中,最大的一只“炉子”最高温度可以达到3000摄氏度,在许多金属都已熔化甚至汽化的情况下,来给碳材料加温加压;还有的“炉子”可以定点加温,一段材料的不同位置可以加温至不同温度。那么,烧制出来的纳米级碳材料究竟性能如何呢?大家的肉眼并不能直观地看到纳米结构,但是却有更加精密的仪器可以成为学者们的“眼睛”。实验室里价值百万的超高分辨率场发射扫描电子显微镜就是这样一双眼睛,这个“大块头”占据着大半间房,却有一颗“细腻的心”,它仔细地“观察”着纳米碳材料,并将材料的表面“描绘”出来传至计算机的屏幕。另一台透射式电子显微镜则“看”得更加彻底,给纳米级的碳材料做一个全身的“X光扫描”,透过表层来“看”内在。

单靠眼睛去看还远远不够,实验室中的比表面孔径测定仪、化学吸附仪等还能变成研究者的双手,去“触摸”纳米碳材料的表面,并给出精确的数据。这些机器可以用来测出碳材料的体表面积与孔径分布,有了它,纳米碳材料的表面有多少个孔、孔径大小、如何分布、每个孔所占的份量多少等信息,都能一目了然。

除了在常温下观察,实验室中放电等离子烧结炉(SPS),能利用强电流的脉冲电源来激发和促进材料的固结和反应烧结过程,能最大程度的缩短了实验时间及能耗,同时又完美的保持了材料的微纳结构。

在浙江省碳材料技术研究重点实验室中,还有许多这样的设备仪器,它们各自发挥着各自的所长,探索每一种碳材料结构的特质,让材料研究的道路走得更深、更远。截止2018年9月,实验室成员获2015年教育部高等学校科学研究优秀成果(自然科学)二等奖1项,获2012年、2013年浙江省科学技术奖二等奖各1项,获“十一五”浙江省优秀自然科学基金优秀项目3项,“十一五”浙江省自然科学基金优秀论文3篇,温州市科学技术重大贡献奖1项、温州市科技进步奖1项。与此同时,实验室的仪器设施也被利用于服务地方,让实验室得以让学术发展与社会责任并重。

“有温度”的人才培养模式

在参观过程中,记者发现,这些高端精密且价格高昂的设备仪器的操编辑,多是些勇于探索的学生。他们站在操作台旁,有的披着白色大褂,操作起来有板有眼,专业十足。这与浙江省碳材料技术研究重点实验室的育人理念息息相关:注重发掘学生的兴趣所在,培养学生的科研创新精神。平日里,无论是本科生还是研究所,学生们都在经过申请、培训后,自由地进出各间实验室,在接受过实验室仪器设备使用操作规范的培训后,让这些仪器设备真正地为自己所用,为自己的课题所服务,在动手实践中不断探索与超越。

与此同时,由于实验室与地方产业紧密的合作关系,也为学生培养创造出更广阔的平台,实验室建立“双导师制”,让更多学生有机会前往企业,在生产与应用第一线将自己所学习的常识与所具备的技能运用起来,同时也成为实验室与本地企业相联系的纽带,将企业在生产实践中所遇到的问题带回来,让实验室能够真真正正做落地的科学研究,更好地为当地产业与地方经济服务。

在实验室大楼的会议室中,摆放着一本本年度工作报告,将一年的工作与研究成果被汇编成册,来者可以清晰地看到,工作报告的厚度是逐年递增的,也就代表了实验室的不断自我超越。翻开历年的工作报告,可以阅读到历年发表在学科权威刊物上的文章,许多都是导师与学生联合署名,可见学生在这支科研团队中所发挥的重要作用,展现出“学生写,教授改”这一模式取得的卓绝成效。

“许多考上大家研究生的学生,本科也非名校,可以说起点并不是那么高,”实验室负责人杨植教授说,“但经过在这里研究生阶段的学习,毕业后也能在专业领域独挡一面,甚至成为各大高校抢手的博士生。”这样的变化,离不开专业化、高标准的教学过程,也离不开“有温度”的教育。

来到温州大学的校园之初,这批研究生也面临着和许多同龄人一样的迷茫,杨植教授回忆起自己担任硕导时所带的第一位学生,在研究生阶段之初,也不知道自己“路在何方”,身为导师的杨教授不但时常给与鼓励与帮助,亲力亲为,手把手地引导学生做实验、做课题,还在注重实践应用与兴趣所在的同时,带着他参加各类高端学术会议、阅读前沿文献,让他领略“外面的世界”,也能找准自身的定位。在专业能力不断提升的基础上,硕士研究生学习期间,这位学生就已经在国际学科顶尖刊物《Advanced Materials》上与导师合著,发表了多篇文章。这位学生从温州大学毕业后,就读博士期间,依然与导师保持密切联系,合著发表多篇文章,2019年,在博士刚毕业的情况下,年纪轻轻就已获得在一所国内高校直接担任教授的Offer。这位学生的发展之路,让实验室的众多师生都颇感骄傲,也让大家以小见大,看到这种培育模式所带来的无限可能性。

在实验室大楼的一间试验室里,墙上挂满了历届研究生所发表的学科论文,用以激励新一批学生,而实验室里所一直沿用的由研究生助力本科生学习的方式,也取得了不错的成效。实验室建设期内,共获得浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)22项,学科竞赛共获省级及以上奖项9项,在“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛中也屡次斩获佳绩。


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