高端访谈 | Florian Vogel：新材料设计的未来在于解开原子尺度上的奥秘

《科技与金融》高端访谈栏目将连续多期对多位高层次外国专家进行专访，为产业的技术升级、产业转型把脉献策，探讨产业发展及国际合作等方面的机遇和挑战，为读者带来国际合作的经验借鉴与启发。 

谈及自己的拿手领域，Florian Vogel向记者笑道，“APT， 这是我最喜爱讨论的话题”。他介绍说，APT其实是一种非常强大的显微技术，它能够透彻分析不同材料的特质，譬如通过分析5纳米芯片的微观结构以启发材料创新，从而带动半导体工业的整体进步。除了研究人员 对其情有独钟外，APT更有着广阔的产业前景。
专访中，Florian Vogel分享了中、德两国科研环境的不同之处；作为企业科技特派员，他深入企业并参与产业开发，因而对产学研合作有着独到见解。
他认为广东科研与产业条件优秀，“我感受到了一种普遍存在的进步感和对未来的憧憬，这里为世界人才提供了奋斗的空间与成功的机会。”基于对材料学的认识，他亦指出加大科研投入或许会造成短期的压力，但带来的红利将不可估量。

本文首发于《科技与金融》2022年8月刊

采访｜李慧 文︱吴政希  图｜刘杰成

Q 《科技与金融》记者A  Florian Vogel（弗洛里安·沃格尔）

科研项目应预设“风险”存在

Q  能否与我们分享您对中国的第一印象？

A  以前我对中国了解不多。在柏林亥姆霍兹材料与能源研究中心/柏林工业大学读博期间，中国同事帮助我了解了些中华文化，但仅此而已。

2016年，我首次来华，中国一切事与物的节奏之快让我惊讶。譬如，目前德国人仍然倾向使用现金而非信用卡，而在中国，这两种支付方式在生活中已经逐渐“罕见”，我看见老一辈正愉快地操作着他们的智能手机，熟练地使用在线支付功能。

当然，中国人的好奇心与热情同样令人深刻，我曾在西安参加了一位中国朋友的婚礼，那时我中文说不了太多，但大家仍热情地与我交流，在这种氛围下，我获得了一次愉快而难忘的经历。

Q  您主持了德国科学基金会（DFG）和中国国家自然科学基金（NSFC）的科研项目，中德两国的研究环境是否存在不同？

A  这是一个有趣的问题，我们或者会认为科学研究是种“纯粹”的领域，但我来到中国后发现，研究环境差异的确会体现在很多细节上。

以项目申报为例，我有时不太理解中国国家自然科学基金的项目申报结构：申报时有些材料要重复地写，只是角度略有不同。

项目交由一个专家小组负责审核，据我所知，人选有时来自与申报项目略有不同的领域。这样做的好处在于丰富了视角，但也容易导致审核者因为背景不同而过分关注项目中的某一个科学细节。

用中文撰写NSFC的项目申请报告也很困难，但最令我不解的是，项目成果需要以每年发表的论文数和专利申请数进行量化，以此作为“阶段性成功”的标准；简单的量化，有时很容易“稀释”了科研的质量。

而德国科学基金会的科研项目，更加关注项目的最终报告与在主要问题中取得了哪些实质成绩。毕竟，这是基础研究，研究人员涉足未知领域、为科学进步进行探索时，不能保证总能取得100%的成功；如果我们不允许研究存在一定程度的“风险”，又怎么能解决这个时代真正紧迫的挑战呢?

当然，我知道项目的模式正在不断优化。尤其幸运的是，2021年，NSFC为外籍研究者推出了一个新项目，除了可以用英语提交提案和表达想法，新项目设置了与DFG类似的资助方式，两年的总金额约为80万元人民币。

开发新材料已绕不开APT

Q  请与我们介绍下原子探针层析技术（APT），您是如何与其结缘的呢？A  这是我最喜爱讨论的话题。我第一次接触到APT是在2009年，那时我在柏林亥姆霍兹材料与能源研究中心攻读硕士学位，并且与Nelli Wanderka博士一起工作，她是“原子探针怪人”，她对APT的热情同样感染了我。
因为折服于这项神奇的技术，此后，我选择APT作为博士、博士后研究项目的方向，后来我又加入了美国阿拉巴马大学Greg Thompson教授的团队，教授是APT领域的资深学者。时间快进到 2022 年，我围绕着APT开展研究工作已经将近13年了，当然，我会在暨南大学继续进行这方面的研究。

关于原子探针层析技术（APT），有人提出应该称其为“原子探针显微镜”，因为它实际上就是一种非常强大的显微技术，而不仅仅是一种层析成像技术。因此，我们可以把APT想象成类似扫描电镜和透射电镜（SEM/TEM）的设备以方便理解，只是APT能达到原子尺度的分辨率和灵敏度。

这些技术可以解析出材料的大量信息，从成像到化学定量，再到揭示晶体学信息和结构情况，它都能做到。

具体而言，APT是一种可以将一块很小的材料进行原子分离，同时记录了原子原始位置和其他信息的技术。然后，一台计算机和专门的软件将利用这些信息进行三维重构，在这个三维重构中，每个原子都可以找到其在材料的原始位置；可以想象一下，一个体积为150x150x300立方纳米的三维模型，里面包含了多达4000万个原子。 

APT对所有元素的量化同样敏感，不像SEM/TEM那样会与轻元素相碍。计算机工具可以寻找原子级别团簇、相与相之间的界面、晶界中的偏析、原子排列等等，这些通常很难通过其他技术在如此小的尺度上进行分析。

总而言之，APT帮助我们得以在最小的尺度上研究材料的化学成分和原子排列结构，为了解材料的本质提供了一个令人兴奋的窗口。

TEM样本与APT三维重构的比较

Q  目前APT的科研前景与产业应用空间如何？

A  传统上APT主要用于研究金属材料，因为它需要先制备出导电的小针头形状的样品，直径通常小于50纳米。到了现在，激光技术和样品制备技术的进步，极大地拓展了APT的应用范围。

APT通过先进的激光技术得以快速分析各种材料，从金属（譬如各类工业用合金）到半导体，再到陶瓷、矿物、电池材料、太阳能电池材料、地质材料，甚至我们的牙齿。每天，世界各地的实验室都通过APT揭示出许多新的材料见解，再翻翻《自然》《科学》一类最好 科学杂志，可以见到涉及APT的研究文章正呈指数增长。

因此我认为，要做高端研究、要开发新材料，现在已没有办法绕过APT。

在应用方面，最为人熟悉的应该是LED，正是APT的发展推进了高效的LED的研发，其取代了传统灯泡，帮助我们获得了更高效、安全、节能的光源。许多大型尖端半导体公司都会利用APT进行研发，因为这种技术能够提供更精密的分析结果，譬如当我们利用APT观察LED、芯片和晶体管等材料时，其不仅可以提供成像，更可以完成原子级别分辨率的化学分析：分析材料的微观结构意味着进一步掌握材料的特性，对于产业而言，其意义已经不言而喻了。

APT的发展早在1951年已经开始了，随着功能的不断提升，从“基础研究”到“成果转化”所需的时间将变得更短。

Q  作为科研人员，您如何看待高校对APT的投入？暨南大学在该领域处于怎样的水平呢？A  在我看来，如果一所大学想更有竞争力，吸引国内外的材料学人才，就应该认真考虑建立APT实验室。这是一项巨大的投资，但从长远来看，回报会更大；我在世界各地的APT实验室都看到了这种现象，即APT在材料学中变得日益重要。
我相信它将成为未来的主导技术之一，因为这种尖端设备能够为国内外人才带来更多科研机遇，具备积极性与好奇心的研究者可以利用APT不断取得突破。

虽然暨南大学尚未建立自己的全套APT实验室，但学校已投入上百万元，具备了APT样品制备和数据分析的设备与技术，这是发展APT全过程中的一项大挑战。

数据分析需要专业软件和功能强大的计算机，当然还需要实践经验——不同的材料越多越好，但完全掌握APT数据分析可能需要相当长的时间。此外，我们的团队与国内外的多所大学开展合作，可以说，在暨南大学可以进行所有的APT实验。

当然，何时能取得重大突破是很难预测的，正因为许多伟大科学成就都诞生于偶然，令我们更加期待暨南大学在这方面将取得的成果。

开发新材料已绕不开APT

Q  2020年，您担任企业科技特派员派驻到广州金南磁性材料有限公司。能否与我们分享下其中的经历与感想？A  一直以来，我都有一种接近工业的愿望。通常我做的是基础研究，它虽然重要，但往往远离工业应用：学术界可以从以应用为导向的产业视角出发，而产业可以从深层次的科学和学术思考中解决自身的问题。
成为企业科技特派员是一个很好的机会，我很感激能有机会与广州金南磁性材料有限公司（以下简称“金南”）合作，他们在许多领域都处于领先地位，并且希望保持发展的势头，这就诞生了共同的研究项目。

这让我想起读大学期间的实习经历，那时我有机会在德国一家汽车发动机公司的研发部门全职工作了一个学期，并且负责了一个研究项目：尝试用新材料优化加工程序。

很多德国公司理念先进，实验室设备齐全，这是研究员最乐见的环境。如果更多公司能够意识到拥有自己的研发部门、设备齐全、员工具备渊博知识将所来的优势，那就太好了。

我认为金南的领导层正具有这种远见卓识，得益于广东省政府的支持，我们与金南的合作将更加密切，对研究项目也有了新的构想，并且在许多领域都取得了一个个小的成功。对我的学生来说，这是一个很好的机会，他们可以籍此了解大公司的情况，并且尝试应用自身所学。

到目前为止，我已经参观了中国不同地区的很多公司。总的来说，广东企业展现出的精神令人印象深刻，粤港澳大湾区有巨大的市场，但我也了解到其中的竞争越来越激烈。

中国公司的最大挑战是要建立一个更坚实的研发部门(R&D)和一个更完善的质量控制部门(QC)，只有所有部门都在良好和开放的沟通体系下按照预先制定标准程序和协议运作，才能确保整体的效率，当然，还应该实施在线过程监控。

而为了获得竞争优势，公司需要加大自主研发的投入，针对需求面提出更多新方案。QC是确保产品质量稳定和满足市场要求的关键组成部分：中国消费者最终会变得更注重质量，因此也会更喜欢遵守承诺的产品，这是一种趋势。

Q  您认为企业科技特派员应如何做好科技服务的角色？我们应该如何更好地利用这些机制？A  重要的是保持参与，提出问题，并且通过讨论找到解决方案。在我看来，企业科技特派员需要把自己视为介于应用研究和行业需求之间的人，这有点像一个为公司服务的“小型研发部门”，因而担任这个职位其实需要掌握与运用大量的科学方法。
同时，我认为让学生参与其中非常重要，因为他们是科研与产业的未来。他们应该尽早获得与行业接触的机会，或许还可以为自己建立一个网络。

至于如何更好地利用科技服务的一系列机制，我认为大学和相关决策者应该更加重视这类产学研合作的落实。这也需要科学地制定成果评定标准，以防止此类计划的滥用。

根据我的经验，申请此类项目的手续繁复，而专家学者的时间是出了名的紧张，往往不愿意花费大量时间应付文书工作，尤其是在缺乏应有回报的前提下，成为特派员的意愿就更低了。我特别建议优化这类项目的申请与开展流程，让学术界与产业界开展交流合作变得更加方便。

人才建议

Q  在吸引人才方面，粤港澳大湾区的最大优势是什么？A  粤港澳大湾区的优势之一当然是高密度的成熟工业，广州、深圳、佛山、东莞是许多龙头企业的总部所在地。
广东已经有很多高水平大学，并且正在不断新建各种科研院校，政府采取了多种措施支持高科技企业发展。珠三角地区的大城市也非常国际化，这里的生活质量非常好。
此外，我发现广州周边的农村非常美丽，城内外有许多公园、山野等景点可供放松、休憩。我感受到了一种普遍存在的进步感和对未来的憧憬，这里为世界人才提供了奋斗的空间与成功的机会。
Q  你认为如何能够更有效地吸引外籍高端人才前来粤港澳大湾区工作？A  这是一个宏大的话题。以我个人背景，可以谈谈高校方面的举措。

• 提供具有国际竞争力的薪酬。

做科研的工作量和压力都很大，如果想引进与培育一流人才，那么待遇方面要做得更好。目前，研究生毕业后投身产业，可以获得两倍于教授的薪水。

我为学生们有这样的机会感到高兴，但这不利于高校科研团队的士气；而对于大学来说，这潜藏着巨大的知识流失风险。更有竞争力的薪酬将鼓励才华横溢的年轻人到中国的高校从事科研工作，努力成为该领域的专家并获得国际认可。

• 优化行政服务，特别是语言环境。

我可以代表自己说，行政方面的琐事是很难应付的。我们学校很多管理人员英语说得很好，人也友善，但纸上所有东西都是中文的。

我会一点中文，在日常生活中也喜欢多走走，但仍不足以应对学校的各种事务，并总是需要寻求翻译帮助。在某种程度上，实现双语管理是一项艰巨的任务，如果中国的大学能在这方面有所进展就更好了。

• 投入更多资源。

材料学中的原材料与科学仪器都很昂贵，但专业设备能切实推动研究进展：我可以想象，如果有一个大规模的资助计划，能帮助暨南大学与其他高校获得更多尖端设备，譬如原子探针层析技术 (APT)、透射电镜(TEM) 和聚焦离子束设备(FIB)，这将使学校的科研水平发生飞跃，并且提供了巨大的创新力量；对于材料学而言，设备水平决定了发展水平。

当然，要为这些设备的运用制定一个框架，仪器不是某学院或某研究室的“家藏”，而应该对所有有需要的研究员开放。目前政府为外国专家提供了不少科研资助，但重要的仍然是更大范围的科研投资，以提高整体科研水平与国际竞争力。

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