西南交大杨倩博士以第一作者在Nature发表最新研究成果
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导读
12月10日出版的国际顶级学术期刊Nature发表了西南交通大学材料科学与工程学院博士毕业生杨倩（现为英国曼彻斯特大学博士后）为第一作者的文章Capillary condensation under atomic-scale confinement (Nature, 2020, 588, 250–253 )，报道了纳米限域毛细凝聚新理论，并对传统开尔文公式进行了修正，使其能够更好地描述亚纳米尺度的毛细凝聚现象，为解开毛细凝聚这一百年谜题提供了方案。西南交通大学前沿科学技术研究院院长、材料科学与工程学院材料先进技术教育部重点实验室教授周祚万为该文章的共同作者。
毛细凝聚，是我们从教科书中学到的自然现象，通常在接触表面或多孔材料中发生，在我们生活中处处存在，会影响包括摩擦、吸附、润滑、腐蚀等在内的诸多重要性质，也在微加工技术、医药、食品加工等许多工业技术过程中发挥着重要作用，就连小孩子们在沙滩上玩耍堆砌的沙堡，也离不开毛细凝聚。毛细凝聚现象通常由开尔文方程进行科学描述，该方程提出距今已有150余年，能很好地解释在大于10 nm通道中的毛细凝聚现象，这个宽度只有人头发丝的千分之一。然而若想要毛细凝聚发生在环境湿度条件(通常是相对湿度30-50%) 下，通常需要更小(<1 nm) 的通道尺寸，而这个尺寸跟水分子自身大小(大约0.3 nm)相当。在这种情况下，自发凝聚的通道中便只能容纳几层水分子，显然宏观开尔文方程不能继续用于阐述该尺寸下的毛细凝聚现象。实际上，在该尺度下开尔文方程甚至不再具有意义，例如当只有几层水分子存在时，我们无法定义水半月板的曲率半径这一开尔文方程中的重要参数。但长期以来，用于验证开尔文方程适用性的体系受限于表面粗糙度等实验问题难以建立，因此，即使开尔文方程的适用性虽并未得到完全证明，却依然在被大家广泛使用。
来自曼彻斯特的研究者们通过长时间的努力，采用具有原子级别光滑表面的云母和石墨二维晶体，通过将具有一定原子层数的二维晶体堆叠在两层晶体间，得到了具有原子级别光滑表面的纳米通道，最小的通道只有1个原子层高度，只能容纳一层水分子。该工作证明即使在这样最小的通道里，开尔文方程依旧适用。这是一个很意外的结果，甚至和我们的认知相违背，因为在这么小的维度里，连水分子的结构都是离散的层状结构。“这对我来说很意外，我们期望的是传统理论失效”本文的第一作者杨倩博士说到，“但这个有着百年历史的方程居然依旧成立”；她提到，开尔文方程这种良好的适用性，也同样是偶然的。在发生毛细凝聚的纳米通道中通常会产生超过1000个大气压的负压，超过深海海底的压力，如此巨大的压力可以使通道发生埃 (1埃 = 0.1 nm) 级别的尺寸调整，而这就能够使通道只容纳整数层水分子。正是由于这样的细微调整，使得开尔文方程具有了在该尺度下的广泛适用性。
Panda Girl的石墨烯之路
（2017-11-28）
2010年10月5日，诺贝尔物理学奖揭晓，英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因为在二维材料石墨烯方面的的贡献获此殊荣。石墨烯是碳的同素异形体，是目前世界上最薄、强度最大、质量最轻、导电和导热性最好、透光性和电子传输性最优异的新型材料。此后，石墨烯迅速成为物理学界和材料学界的关注热点。
那一年，在西南交通大学的校园里，材料科学与工程学院大二学生杨倩也和小伙伴们一起关注着这一学界盛事。那时的她想不到，有一天能加入安德烈·海姆的团队；那时的她想不到，在国内没能亲眼见到的习近平总书记，可以在英国的实验室里见到；那时的她想不到，有一天自己的名字也能刊印在国际顶级期刊Science和Nature Materials上。
“零的突破”载入交大史册
2017年10月，杨倩参与的论文“Size Effect in Ion Transport through Angstrom-scale Slits”（离子在埃级别狭缝中传输的尺寸效应）发表在国际顶级学术期刊Science上，实现了西南交大“零的突破”。该研究由我校荣誉教授、曼彻斯特大学安德烈·海姆教授引领，并作通信作者。2017年11月13日，Nature子刊Nature Materials又第一次出现了第一作者为交大人的文章，题为“Ultrathin graphene-based membrane with precise molecular sieving and ultrafast solvent permeation”的文章，发现了一种基于氧化石墨烯（GO）的高通量分子分离膜。杨倩介绍，两项成果主要在英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究院（NGI）完成，研究长达两年。如校党委副书记、校长徐飞在西南交通大学国际化工作大会上所说，这是“一个载入史册的事情”。这标志着学校实现国际三大顶级期刊“零的突破”，而就在2016年，仅有13项来自中国的科研成果（含联合科研成果）在Science上发表，此次论文的发表也展现了我校国际科研影响力的提升以及国际化工作所取得的进步。
谈及Nature Materials发表的研究成果，杨倩表示，这一成果突破了GO膜只能运用于水溶液中的物质分离的限制，通过对GO膜进行结构调控，得到层间相互贯穿的小孔，从而实现有机分子的快速渗透。据杨倩的导师周祚万教授介绍，分离和纯化一直是工业生产和高技术领域的关键技术。在“氧化石墨烯（GO）的高通量分子分离膜研究”之前，科研人员均采用基于特定高分子或GO构筑的膜（微米级别厚度）进行实验，有机溶剂无法通过此薄膜。杨倩的研究主要聚焦于膜分离技术，研究扩大了石墨烯基薄膜的使用范围，不仅可以降低成本、提升效益，也为海水淡化以及饮用水的纯化提供了一种全新的思路。当然，目前的研究依旧停留在实验室阶段，在工业化的扩大生产方面还需进一步提升。
熊猫女孩的两年苦与乐
2014年，立足于学校的长远发展，建设一流大学，学校启动实施国际化战略。三年来，学校大力推进本土学生学习经历的国际化，大力培养具有全球视野和国际竞争力的高素质人才。仅周祚万教授就已经有5位优秀的博士得到前往国际顶尖机构联合培养的机会，其中就包括了杨倩。
2015年1月22-24日，应周祚万邀请，诺奖获得者安德烈·海姆教授来到交大访问，并受聘成为西南交大荣誉教授。就在安德烈·海姆教授访问期间，学校提出希望派遣一位同学前往曼彻斯特大学进行联合培养。杨倩由于出色的英文基础与专业知识，顺利拿到了这一资格，并获得了国家留学基金委和国家自然科学基金项目资助。当年9月，杨倩便前往曼彻斯特，开始了在英国的求学时光。
“panda girl”，当杨倩来到曼彻斯特大学的实验室，她发现安德烈·海姆教授这样亲切地称呼她，而同事们对这个名字似乎也很是熟悉。在后来与同事们的交流中，杨倩才得知，安德烈·海姆教授十分喜爱中国熊猫，在他在结束交大的访问回国之后，曾多次向同事提及：在中国不仅见到了熊猫，而且还带回来一个“熊猫女孩”。随诺奖导师学习的过程中，杨倩深感导师思维的活跃以及思路的新颖独到，“他对于科研的态度更多的是一种乐在其中，这个领域长时间的研究使得导师的思维更加独到”。杨倩也感慨到，实验室里有顶尖的设备和优秀的团队，特别是身边的同事都很优秀，所有人都处于一种很自律的状态，她也会不自觉的想要提高自己。她深深明白，自己代表西南交大，“过硬的专业知识积累极其重要，只有对基础知识较为熟悉，才可以与文献积累碰撞出创新的火花。”于是，杨倩愈加勤奋。
“英国的学习富有乐趣也更具挑战。”两年里，导师把关科研选题的大方向，杨倩需要不断查阅文献，了解研究领域前沿进展，扩充知识，在做出一些初级的数据之后，判断这个领域是否具有继续做下去的潜力。同时，大量的实验挤占着杨倩的时间。其中，进行埃级别二维离子通道实验时，试验制备时间长，一次实验器件的完成有时需要数十台仪器协同操作。每一次实验都会经过诸多严密的步骤，这个过程所花费的时间不等，实验顺利时一两个星期便可完成，不顺利时，则会不断重头再来，让杨倩颇感“遥遥无期”。为了得到更高纯度的石墨烯材料，实验组均采用机械剥离的方式进行制备，这类方法的效率却很低，“制备石墨烯需要三五天，而且量也很少，实验期间如出现样品污染等问题，整个实验就得重头再来。有次做了大概一个星期，发现了样品污染的问题，然后整个实验便白费了”，杨倩轻松地述说着那时面对的困难，但真正经历之时，却是难上加难，好在她坚持了下来，并取得了可喜的成绩。如她所说，“往往再坚持一下，就能有不错的结果。”
幸运的背后是什么？
人们也许会说，她英语好、成绩好，幸运地拿到了跟随诺奖导师学习的机会，然后顺理成章地发表了高水平论文。“幸运女神”似乎始终伴随着杨倩。真是这样吗？其实，机会总是眷顾着有准备的人，而杨倩正是那个有准备的人，而机会则是来自于学校、来自于导师周祚万教授。
当谈及与石墨烯的缘分时，杨倩认为，周祚万的鼓励与引导十分关键。在大三的“功能高分子材料”专业课上，杨倩第一次见到周祚万教授，听他介绍了高分子材料最前沿理论以及相关科研进展方面的信息。“周老师的教导使我更加理解材料，材料的各种可能性、潜在应用也深深吸引了我，从那时开始觉得，自己以后可能会去做这个东西。”同时，教学中，周祚万注重学生理解，引导大家在现有知识的基础上，进行科研的创新。本就有着良好学习习惯和自主学习意识的杨倩也因此更加沉浸于科研之乐。在大三之后，杨倩积极参加学校的SRTP训练项目以及学科竞赛，并进入课题组。“在接触一些实验基础训练之后，我了解了实验的基本操作以及规范，知道了怎么去查文献以及从中找到自己的思路。此外，和实验室的师兄师姐进行交流，让我对科研产生了更清楚的认识，也养成了对科研的态度。”随着科研取得一些成绩，杨倩对于科研更有兴趣了，研究方向也渐渐延伸到石墨烯等材料前沿热点问题。
本科毕业之际，杨倩以专业第一的成绩成功保研，顺利拿到浙江大学的录取通知书。可是，思前想后，出于对于交大实验室的熟悉以及对于成都这座城市的习惯，杨倩毅然放弃浙大的机会，选择继续留在交大，成为周祚万的直博生，开展碳基纳米材料研究。
对于爱徒，周祚万用“有方法、刻苦”来形容她。他指出，杨倩在读博之初，为了进一步提高自己的英语能力和专业竞争力，在课余时间苦练英语，经过半年的努力，她的英语不仅满足专业学习要求，而且也能与同行业的外籍友人无障碍交流。
乘着学校实施国际化战略的东风，顺着导师周祚万的牵线搭桥，杨倩这才“幸运”地获得了前往曼彻斯特大学投入安德烈·海姆教授门下的机会。
且行且知 未来可期
回忆起英国的两年，杨倩记忆尤为深刻的是2015年10月13日。那一天，习近平总书记参观曼彻斯特大学国家石墨烯研究院，而刚到英国的杨倩也有幸见到了他。“实验室中的中国学者和学生很多，总书记的到来为我们带来了更多的鼓励”，杨倩谈道，石墨烯的运用广泛，除了海水淡化，在智能手机的屏幕、电池等电子产品以及衣服、鞋等日常生活用品等方面均有运用。目前，虽然中国的石墨烯产业发展快，但偏重于原材料的生产，而在电池电极材料、薄膜晶体管制备等成熟技术上存在核心技术不足、原创过少等问题，曼彻斯特大学国家石墨烯研究院则是世界上最为出色的研究中心，习总书记此行正是在寻求双方在石墨烯研究方面的合作。
对此，作为石墨烯材料的研究者，杨倩深感机遇与挑战并存。“现在国家提倡创新，努力营造创新的社会氛围，随着政府投入的逐步增加，科研条件和环境氛围也在慢慢转暖，但赶上世界先进水平，仍需要很长的路要走”，她说。杨倩表示，博士毕业之后，将继续从事石墨烯材料的研究。
每一次的科研都是一次尝试，而每一次的尝试都是科研路上的且行且知。“我们的生活中充满机遇和挑战，通过提升材料的性能来提高我们的生活品质，这是一件很有成就感的事情。”乐在其中的杨倩，未来可期。
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