【新锐之声】一名青年学者的成长历程
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编者按：此文为清华大学张如范教授在2013年读博士期间，作为清华大学特等奖学金获得者在全校特奖获得者经验分享交流会上的发言稿，内容真实而有力量。2018年，张如范老师获得了“2018中国新锐科技人物知社特别奖”，其年轻而积极向上的形象令人印象深刻。知社编辑因偶然缘故发现了张老师的这篇昔日演讲稿，深受鼓舞。征其同意，在此文发表五年后再次刊登，希望能对无数正在科研岗位上奋斗的青年后辈有指引之力、鼓舞之力，作此按语，以飨读者。
张如范，清华大学化工系助理教授、博士生导师、特别研究员。在纳米碳材料与功能纳米材料等领域开展了一系列研究，取得多项突破性科研成果，制备出世界最长（单根长度55 cm）碳纳米管以及强度达80GPa的碳纳米管管束、实现单根碳纳米管光学可视化及宏观尺度可控操纵、首次发现厘米级长度碳纳米管管壁间超润滑现象、开发出耐高温高效空气过滤材料等。
截止目前，共发表论文44篇；其中，以一作/通讯在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Advanced Materials、Nano Letters等发表论文15篇；其他合作论文28篇，总引用2890次，H因子21；获6项授权发明专利；独立或参与撰写5部学术专著。曾获中国化学会青年化学奖、2018中国新锐科技人物知社特别奖、瑞士Chorafas青年研究奖、教育部自然科学一等奖、清华大学研究生特等奖学金、清华大学研究生学术新秀、教育部博士研究生学术新人奖、巴斯夫优秀博士生特等奖等多种荣誉和奖励。
菜鸟的成长之路
在清华大学特等奖学金获得者
经验分享交流会上的演讲
（2013年11月28日）
演讲内容（部分删减）：
我们的成绩已经代表过去，而未来的道路还很漫长。从这个角度讲，获得了特奖并没有太多值得炫耀的地方。然而，今天的意义在于分享，如果我们今天讲的故事能够更多地传达一种正能量，能够更多地激励后来者，能够使今天所有在场的观众都能受到感染、获得一种奋发向上的力量，那么我们今天这场活动的目的就达到了！等到有一天，我们身上的光环褪尽，而我们今天所讲的故事却持续不断地给听到这些故事的人一种感人至深的力量，我想这才是今天特奖经验交流会的真正意义之所在。
下面，言归正传，我今天要讲的题目是《菜鸟的成长之路》。大家看到这个题目可能会笑，说堂堂的特奖第一名得主怎么可能是菜鸟呢？但是我一直认为我是属于菜鸟类型的，过去这么多年从来都没有过特别灵光的时候。这么多年，一路走来，跌跌撞撞，异常难忘！
我在2003年第一次参加高考，然而因为没有填好志愿，我被调剂到了山东一所第二志愿高校，学校不理想，专业我又不喜欢，更郁闷的是学校不允许我们这个专业的人转专业。我硬着头皮在那里呆了一年。那一年我的心情郁闷到了极点。在一番痛苦的思想斗争之后，便决定退学，回到高中复读。一开始的时候，家里人强烈反对，老爸都在电话上骂我，坚决不同意我退学。我当时面临巨大的压力和阻力，却得不到一个人的支持。我当时一赌气，一年都没有回家，那个暑假我呆在了济南，住在我弟弟打工的工棚里，开始了自己的复习旅程，忍受着种种煎熬。因为压力巨大，无数次在半夜中醒来，简直到了精神崩溃的边缘。那个时候，我无数次的用毛主席的那首诗为自己打气：“孩儿立志出乡关，学不成名誓不还。埋骨何须桑梓地，人生无处不青山”。最终，我还是坚持了下来。2004年9月，在我该上大二的时候，我又回到了高中。从一个本科生再变成高中生，“雄关漫道真如铁，而今迈步从头越”，那一年，可以说是一段激情燃烧的岁月。我在这个过程中最大的收获就是改变了自己以前非常脆弱、优柔寡断的性格，变得很坚强，也很有主见。这个经历可以说是我一生的转折点。2005年，经过一年复读，我考上了中国石油大学（北京），2009年，我从石油大学保送到了清华。
来到清华，开始了新的历程。然而读博士所面临的压力和挑战也超出我的想象。我常常怀疑自己到底有没有能力拿到化工的博士学位，我还曾经有好多次想着去转专业，转到公管、经管或者其他人文类的院系。然而最终也没有转成。一番郁闷之后，我当时就想，不管我以后要做什么，我作为清华的一个理工科的博士，总要把自己的专业学好，总要有一技之长，总要成为一个合格的博士毕业生。就是带着这样一种朴素的想法，我一路走来，坚持走到了今天。
回首这段经历，我感触很多。我讲这段故事，并不是要强调自己的经历如何，而是想告诉大家，人的一生中总会遇到一些挫折和迷茫。很少有人，一上来就意气风发、气宇轩昂！对于我们大多数人，在我们成长的过程中，总会有那么一段经历令人潸然泪下，也总会有那么一段日子令人刻骨铭心。在这个时候，我们是否能够勇于面对自己内心深处的那种迷茫和脆弱，是否能够勇于追逐自己内心深处的那种梦想，是否能够经历一段刻骨铭心的日子？这对于我们的成长都非常重要。在我最郁闷的时候，我曾经写过这么一首小词：
小重山
昨夜西风吹落木。思绪回从前，任飞度。
一帘幽梦有谁知，颇无奈，欲行又却步。
未来在何处？迷途何从往，恨无助。
人生总难尽如意，且前行，望穿天涯路。
刚才讲了我的一些经历，主要就是想告诉大家，我并不是大家心目中的学神、学霸类型的人，说白了就是一个普普通通的人，甚至一开始就是一个菜鸟，一个像许三多和阿甘那样虽然智力平平、但却能够坚持走到最后的人。
这次活动的主题是经验分享。因为我是研究碳纳米管的，所以我今天就结合着我的研究工作和大家聊一聊，分享一下我在过去几年的科研工作中的一些体会和感想。希望我这20多分钟的演讲，能够真正让大家有所收获！
首先说一下我的研究内容：碳纳米管是一种由碳原子组成的一维管状结构的纳米材料。你可以把它想象成由一层或多层的石墨片卷曲而成。碳纳米管最早是1991年由日本科学家Iijima报道，很快就在科学界引起了巨大的轰动，并在纳米领域连续火了20多年。碳纳米管是一种非常神奇的材料，他们的力学、电学、热学等多方面的性能都远远超过常规材料。比如，他们的密度只有钢铁的1/6，然而他们的强度却可以达到钢铁的一百倍以上，可以说是目前人类发现的最结实的材料。这为他们在航空航天、超强纤维、防弹衣等领域提供了非常广阔的应用前景。
然而，并不是所有的碳纳米管都具有这么好的性能。碳纳米管从形貌上划分，可以分为聚团碳纳米管，像一团棉花；垂直阵列碳纳米管，像刷子上的毛毛；以及水平超长碳纳米管。其中前面两种碳纳米管虽然可以实现大批量的制备，但是由于生长机理的限制，他们最长也就一两毫米，并且还存在大量的缺陷，这就使得他们性能比理论值差很多。
而超长碳纳米管，则是一种从生长机理到结构与性能都很奇特的碳纳米管。超长碳纳米管遵循一种类似于放风筝一样的生长机理，在他们的生长过程中，催化剂保持在碳纳米管的顶端，漂浮在气流中不断向前生长，也正是由于这种奇特的生长机理，使得他们可以摆脱基底的限制和影响，可以达到厘米级甚至米级以上的长度，并且这种类型的碳纳米管还具有相对很完美的结构，缺陷程度很小，从而具有非常优异的力学性能。
然而，正是由于超长碳纳米管如此奇特的生长机理，使他们生长条件非常苛刻。要想可控地制备出宏观长度、结构完美的超长碳纳米管，在宏观尺度下发挥他们的优异性能，面临科学和技术方面的多重困难，是一个极具挑战性的国际前沿课题。
很不幸的是，我的博士课题的题目就是：超长碳纳米管的制备与性质研究。
在所有类型的碳纳米管中，最难做的就是超长碳纳米管。我在不太了解背景的情况下，就稀里糊涂的做了超长碳纳米管，正可谓“一朝误入此门中，常伴青灯古佛前，一个猛子钻进去，就与超长碳管结了缘。”
我本科在石油大学，学的是炼油专业，来到清华后却要做纳米，从炼油转到完全陌生的纳米领域，面临的困难大家可想而知，本科学的那点专业知识完全用不上，一切都得从零开始。
我还记得，我刚来到清华，我的导师就给我们提出了一个让我感到非常崩溃的期望：希望我们能够制备出一米甚至一公里长的碳纳米管，而在2009年以前全世界最长的碳纳米管也只有4 cm；还有一件让我感到更加崩溃的事情，我在本科毕设期间所做工作写的第一篇文章，本来是用来练手的，但导师看后却说可以投Science，我当时还以为Science是SCI的全拼，后来才知道Science意味着啥，哎，这简直是赶鸭子上架呀……又让我崩溃了一次……面对这些挑战，我无数次地要打退堂鼓，也无数次怀疑自己的能力……然而，最终我还是坚持了下来，后来我们成功地制备出了世界最长的碳纳米管，而我的第一篇文章虽然没有发表在Science上，却也发表在了材料领域的国际顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。
因此，我今天想要和大家分享的第一个内容就是：
第一，做科研，要有敢于面对挑战的勇气！
马克思有句名言：“在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。”
王安石在《游褒禅山记》中有这么一段话，“于是余有叹焉。古人之观于天地、山川、草木、虫鱼、鸟兽，往往有得，以其求思之深而无不在也。夫夷以近，则游者众；险以远，则至者少。而世之奇伟、瑰怪、非常之观，常在于险远，而人之所罕至焉，故非有志者不能至也”。我对这句话非常认可。科研圈里面聪明的人太多了，那些好做的、容易出成果的课题，别人早就做了，哪能轮的到智力平平的我们？只有在一些艰难和具有挑战性的地方才是真正有更多机会做出大成果的地方。
我们做科研，就是一个需要敢于面对挑战的过程。尤其是要想做出顶级的工作，更是如此。
2011年，我博士三年级的时候，曾经有长达半年多的时间，我经常是通宵达旦的做实验，却得不到任何进展。当我周围的同学大步前进的时候，我却一直原地踏步，那个时候，内心所受的打击可想而知。那半年的时间里我经常在三更半夜的时候跑到东主楼前面的小树林里徘徊，反思原因。当时曾经写过一首打油小词，记录了当时的情形，也借以鼓励自己。
科研小生记事
读文献、做实验，夜以继日，双颊洒热汗。
暂将此身献科研，学海无涯，长途路漫漫。
常失败，淡然看，苦中有乐，悲喜何须念。
磨剑尚需待十年，这才几时，继续埋头干。
这是一个相当折磨人的过程。在经过了半年之久的煎熬之后，我终于找到了突破口。前前后后一共经过三年的努力，我们制备出了世界上最长的碳纳米管，单根长度达到半米以上，这件事在国内外都引起了巨大的轰动，还上了新闻联播。
一个人要想真正做出点成绩，必须要经历一个磨练心智的过程，只有这样你才能真正意识到很多困难和问题之所在，才能够真正沉得住气，深入进来。如果一个人一开始就特别顺利，往往会不知所以，容易浮燥，也很难做出经得起考验的工作。
第二，要有百分之百努力付出的精神
无论是做任何工作，勤奋，都是取得成绩的关键。爱迪生说“天才是百分之九十九的汗水加上百分之一的灵感”，对于我们这些平凡之辈，则需要付出百分之百的努力和汗水。当我们的周围都是强手的时候，要想取得一点成绩，更需要付出数倍于别人的努力才行。
我刚开始读博士的时候，每次去找导师聊天，经常被导师洋洋洒洒、天马行空式的谈话弄得一头雾水，导师的知识面实在是太过渊博，在那些谈过内容中，既有学术前沿，又有化学、物理、力学、电学甚至人文社科等方面的基础知识，跨度之大令我难以适应，很多内容我完全听不懂！怎么办？我想到了录音！每次再去和导师聊天时，我就提前把手机的录音功能打开，把谈话内容录下来，回去后放到电脑上反复听，听不懂的知识就上网去搜，通过这种方式我竟然学到了大量的知识。现在我的电脑里还存放着大量与导师聊天时的录音。现在都成了非常珍贵的历史文物！
我在研一的时候，为了尽快完成自己的第一篇论文，在来到清华的第一个寒假就放弃了回家过年的机会。大年三十都在做实验，大年初一那天到食堂吃饭的时候已经没有饺子了，只好回宿舍泡方便面吃，即便这样，我还坚持到实验室处理数据。紧接着，在第二年春节，我因为实验进展不顺，又选择留在学校过春节。每年春节期间学校里都异常冷清，所以这两个春节也给我留下了非常深刻的印象。那就是我再也不想在学校过春节了！……然而，我这还不算什么，我的一个师兄，他在清华读博士期间连续在学校度过了四个春节。当然，他也取得非常辉煌的成绩，他84年出生，25岁就博士毕业，27岁成为清华副教授，曾获得清华的学术新秀、特奖、全国百篇优秀博士论文，他也是我们化工系有史以来最年轻的副教授。
第三，保持积极乐观的态度
我觉得不管是做任何事情，一种积极乐观的态度是非常重要的。尤其是做科研，科研其实还是挺苦的，需要能够耐得住寂寞，坐得住冷板凳。这个时候，一种积极乐观的生活态度就非常重要，要能够经得起打击，能够从自己所从事的研究中体会到乐趣。即使在最失落的时候，也要相信自己经过努力能够看得到希望。在这个时候，大家需要学会调节自己的心情，给自己一点鼓励。前面讲过，我在2011年那半年最郁闷的时候，曾经写了很多首诗来调节自己的心情。这里再举一个例子：
无题
初入此境意朦胧，
晦暗幽深步难行。
熬得云开见日出，
便知何去又何从。
不管是顺利还是遇到挫折，我觉得大家都需要以平常心去对待，保持积极乐观的态度。科研是一个需要静下心来，不断思考、迂回前进的过程。无论大家的天赋如何，都需要经历至少两到三年磨练意志的过程，这其中酸甜苦辣咸必不可少，但是一旦经受住了这种磨练，你的科研就会厚积薄发，成果不断。高尔基曾说过这么一段话，大致意思是“苦难是人生最好的大学，这所大学没有人愿意上，但是，能够从这个学校毕业的，个个都是强者！”
第四、要善于思考和创新。
搞科研不是干农活，光凭勤奋和力气是远远不够的。科研是一个需要很多智慧的行当。不管人的天赋如何，既然选择了科研这条路，那就必须要开动脑筋，善于思考。
碳纳米管是一个跨学科的研究领域，需要综合运用多种仪器设备对其性能进行表征。然而我所在的实验室是一个典型的化工实验室，很多实验条件都不具备。这怎么办？虽然我很多时候也会到外面积极寻求合作，但更多的是充分发挥自己的主观能动性，不拘常规，大胆尝试，敢于创造和运用各种巧妙的方法来解决困难。
比如，碳纳米管是一个非常细的纳米材料，到底有多细呢？只有几纳米，大概是人头发丝的十万分之一粗细。我们虽然可以在电子显微镜中看到这么细的碳纳米管，但是你却很难在电子显微镜中对他们进行操纵。我当时就像，能不能利用光学显微镜甚至用肉眼就能看见碳纳米管？这样的话我就可以很容易对他们进行观察和操纵。这个想法很大胆，却很难实现。古人云“穷则变，变则通，通则久”。既然不能直接看到碳纳米管，那我就采用一个间接的方法吧。
我通过在单根的碳纳米管上挂上一串小颗粒，这些小颗粒对可见光有非常强的散射作用，从而就可以在普通的光照下看到单根的碳纳米管。打个比方，我们在黑夜里是看不到远处的一根很细的电线的，但是如果我们在这根电线上挂上一串灯泡，并且通上电使灯泡发光，我们就可以很容易看见电线的位置。我们在碳纳米管上所挂的颗粒就起到了如同灯泡一样的标记作用。而我所发明的这种方法简单到什么程度呢？不需要任何复杂的设备，只需要打开装有四氯化钛的瓶子口，由于四氯化钛很容易水解和挥发，这个时候瓶子口就呼呼冒烟，你把制备好的碳纳米管对准烟雾接触两三秒种，拿开，就完事了。没有比这个再简单和好做的实验了。但是就是这样一个简单的实验，却蕴含着非常巧妙的构思。这项工作直接发表在Advanced Materials上。我就凭着这样一种简单的方法，又相继做出了三项非常有影响力的工作，分别发表在Nature Nanotechnology，Nature Communications以及Nanoscale上面。其中发表在Nature Nanotechnology的那个就是前一段时间成为清华新闻网焦点新闻的宏观尺度超润滑工作，我们之所以能够在世界上首次实现大气环境下的宏观尺度超润滑，最关键的因素就是我们有这么一个独创的实验技巧。
第五，善于积累和总结
人之所以能够进步，一个很重要的原因在于人类能够从自己的经历中积累经验、总结教训。做科研更是这样，我们不能仅是一味的埋头做事，很多时候需要停下来去反思，去判断下一步的方向。既要埋头拉车，也要抬头看路，勤奋的双脚要踏在正确的方向上。因为人的精力有限，要想好自己哪些事情能做，哪些事情不能做。有所为有所不为。
除此之外，要特别重视自己平时的点滴积累。鲁迅先生曾说：“无论什么事，如果不断收集材料，积之十年，总可成一学者”。一位历史学教授也曾对他的学生说，“如果你收集两万张卡片，就可以在历史界称为权威”。
其实对于搞科研来说，也是如此。我们要想在一个领域里面成为专家，必须要积累大量的知识，并且经常性地对自己的过去进行总结。到目前为止，我已经积累了十几本的科研笔记，每一本厚厚的科研笔记都是非常有用的财富和知识宝库。每当我看到这些密密麻麻的记录时，就会有很大的成就感，会想起自己这么多来的实验进展和心路历程。而这些总结和积累也成为我后来很多成果的基石。
举个例子，我不管实验结果是好还是坏，我都习惯于把所有的实验数据进行整理和分析，努力从中寻找蛛丝马迹。对于做过的事情，无论好坏，我都尽量尝试写出一些东西，能够下一个结论。哪怕是垃圾数据，我也要努力找出他们成为垃圾的原因。在我做出世界最长碳纳米管的过程中，我就是从那些看似杂乱无章的垃圾数据中发现了他们相互间的必然联系，并由此建立了一种能描述他们生长机理的模型。而在这个理论模型的指导下，以前所有的数据，哪怕是曾经认为的“垃圾数据”都能得到合理的解释。也正是靠了这种不断的积累和总结，我经过3年的努力，终于成功制备出单根长度达到半米长的碳纳米管。
第六，做一个知识面健全的人。
这对于一个博士非常重要。博士应当成为一个博学之士。不管我们以后做什么，我们都需要有健全的知识面，尤其是人文社科方面的知识，这对于我们以后的工作和生活都非常重要。我很庆幸自己在人文方面打下的功底，让我在学习理工科的时候，有着与很多同学不一样的视角。我后来发现，很多知识其实是相通的，当你接触的东西越来越多的时候，你会发现再去学习一门新的知识就不是那么困难。
下面给大家分享一幅在人人网上看到的画，“人生最大的悲哀是只做到了中间的程度，学习到一点皮毛知识，看到了世界的可悲，却没有能力看到云巅，没有能力改变。”这幅画很值得我们思考。
最后谈一点梦想吧，对于我们从事超长碳纳米管的人来说，我们终极的梦想是能够制备出无限长的碳纳米管，下面以一首小诗结束我今天的分享。
莫看小管轻如鸿，
韧性超强胜弩弓。
来年若长无限度，
可作天梯上天庭。
我今天的分享很快到了尾声。也再次感谢学校能够给我这次机会和大家交流。我也非常冒昧地把自己的一些不太成熟的思考和感悟分享给大家。如果我今天讲的东西，能够让在座的各位有所收获；特别是坐在台下的刚刚开始研究生生涯的师弟师妹们，如果你们以后遇到困难的时候能够想起今天在台上的一位师兄还曾经有过比你们更郁闷的日子，能够从这位师兄的经历中得到一种鼓舞和继续前行的力量，那么我今天这次分享的目的就达到了，我就非常知足了！最后，再次感谢大家耐心听完我的分享。祝大家感恩节愉快！谢谢!
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