读博士对很多人来说都是一个重要的甚至艰难的决定，甚至很多人不知道读了博士有什么用，要不要读博士，以及如何做很好的科研。我想从我个人的经历分享给大家我读博期间遇到的见闻、经验、挫折和成就，以及寻找科研idea的方法论。首先说明一下，我本科毕业于国内top10 985，本科一毕业没有读硕士就去了美国直博。然后只用了4年时间就博士毕业了。很巧的是我2012年8月12日从北京出发，8月13日抵达美国，2016年8月13日博士答辩通过。毕业后我就回国进入工业界了，这个后面详细说。在读博这段期间，我发表了第一作者文章4篇，IF全部>10，总和影响因子=56，其他二作、三作等文章加起来一共十几篇，目前总被引用次数大概1000次。需要说明的是，我是我美国导师（中国人）的开门弟子，没有大组团队效应和师兄师姐帮衬的各种挂名的福利，所以这么多文章已经很高产了。同时这也是我有很多二作、三作文章的原因，因为确实有很多工作有一半工作都是我亲自参与进去的，因为组里就那么几个人，没有第九、第十作者给你挂（手动滑稽）。所以从这个角度来说，虽然和那些博士毕业动辄40多篇文章的博士没法比（其实是因为组大挂名很多，再加上很多人六七年才毕业，一作数量未必多，这种回国找教职也不容易了），也和哈佛、MIT、斯坦福、UT-Austin的天才博士们（那里面也有4、5年就博士毕业的，但人家发的是Nature和Science的正刊+多篇子刊/AM/JACS，本科通常是清北复交的年级top10）没法比，但是我对自己博士期间的努力和取得的成果还算满意。然后，我的导师靠把我4年打包出炉，很快拿到了系里的tenure，算是我给他最大的回报。现在我们关系很好，经常一起在国内碰头，这个后面再说。哦对了，得强调一下。我读的是知乎四大劝退专业之一，生化材环中的材料，所以影响因子虚高，这样大家可能就好理解了。只不过是其中比较热门的纳米、电池、催化等，所以比较容易发文章。但是，我想说的是，看似我的博士生涯很顺利，但其实我人生中最大的历练，经历过最大的痛苦+迷茫+煎熬也是在这段时间。首先，如前面所说，我是组里第一个学生，刚去的时候连实验室都没有。然后我们在化学院（离我们自己的工程学院步行要近10分钟）一个临时实验室过渡。我们自己的实验室当时还在装修，整整花了1年。在我加入之后，半年不到又来了个博后和博士生，因此，第一年我们组就是3个人加导师。在临时实验室，里面可以做些简单的材料合成实验和电池器件的组装，但效果可想而知，很难做出什么实质性的东西。而且当时导师还在申请各种funding，只有启动经费，很多方向不敢随意开展。因此我们试了几个方向，但只是练手，经常变来变去。那段时间压力很大，平时几个人和导师是低头不见抬头见，几乎天天碰面，讨论，做文献综述。然后第一年又是最忙的时候，因为还要上课+做TA。刚去美国的时候，伴随着新鲜感，选了材料、化工系等和专业有关的课，所有的课都认真去听。美国和国内在研究生课程上有很大不同，最后的课程分数不是只靠一个期中和期末考试，而是大概是每周作业：期中考1：期中考2：期末考：project+presentation=15：20：20：30：15的比例。平时留的作业，虽然占据总分数不高，但是总体下来次数不少，有的还需要用到excel ,matlab或mathmetica编程和计算，我也都是很认真的完成。这就导致有些抽象+公式多的课（如Mathemetical Methods in Chemical Engineering这种逆天的课）中，在每个作业提交的前一个晚上几乎都要通宵完成，而且是几个同学一起，否则很难搞定。这样导致了我从读博开始就没怎么保证过睡眠。所以就是为什么说，一个学期选2门课是本分，3门课是学霸，4门课是极限。当然了，并非每门课都那么多计算和公式，也不是都是每周都有作业，也不是都要做presentation。所以呢，选课之前打听好这个课的教授的风格还是很重要的，是不是作业多，是不是打分低之类的。于是，有些课会被归类为水课，如果真的需要在一个学期内赶学分，那就选一些好过的课。总之，全看操作。所以，后面我也学聪明了，每个学期的课只选2门，而且搭配合理。毕竟自己是实验科学，选一些纳米、材料、聚合物等基于实验或经验的课程还是比较轻松的。其实，我还蛮喜欢这种选课机制的，有时候做科研遇到瓶颈，去修相关的课可以充电，对自己的研究也是很有利的。那么回到科研，在过了一年之后，我们自己的实验室终于建设完毕，我们搬回到了工程学院。这样导师办公室、上课教室、我们的实验室+办公室都在一个楼里了，这样导师平时push or怼我们就更容易了。在第一年，导师申请到两个funding，一个做镁电池，一个做聚合物电池。我就参与到了第一个课题，有了具体基金和课题，终于相对来说稳定下来了，不会乱换实验方向。当然了，初步的idea是导师和博后想的，我们一起往下做实验，解决问题，并找到新的突破口。这样，从我们起步建设实验室，申请funding，上课，一晃2年多过去了，后面团队慢慢扩大到7，8人的规模，当然一多半是博后+访学的。这段时间，导师对我们要求很高，毕竟他有拿 tenure的压力，学校给的要求的是5年内15篇SCI。所以我们是强制要求周一到周六上班。每周有一次组会，都要做PPT，每个人上去讲，要么是自己的工作进展，要么是文献进展。如果是自己的工作，有材料的表征、测试、电池性能结果，基本上都要用origin plot出来放到PPT里，每页数据无论好快都要有分析结果，为什么好，为什么不好，可能原因是什么，下一步的计划。然后最后都要有综合的结论和下周to do list。为此，几个学生经常被“教育”。导师经常回国参加会议，有的时候上午刚从国内十几个小时飞机回来，时差都不倒，下午直接参加组会，我只能说，佩服。他自己随身总带着个本子，里面总是记得满满的，是外出会议，或者拜访别人时记录的各种科研成果，进展和idea，当然还有我们组会上的内容。几年来下来，做科研风格PPT的能力是get到了，关键是要有逻辑，有分析和结论。此外，就是实验记录本。导师要求我们实验记录本，必须有时间，实验目的、元材信息，实验流程，现场，参数，结果，甚至要把相应的结果粘贴出来。导师举了个例子，说曾经有两个实验室，同时做出了一个成果，然后在争知识产权，后面相关机构去调查，发现A实验室的实验记录本记录详细，时间早于另一个实验室，于是判定知识产权属于A。下图是一个例子，这个是后来我们组的一个博后的实验记录本回过头来看，虽然当时可能挺繁琐的，但是真的有助于科研。能让你从失败的实验中找到原因，从已有的结果中深度挖掘有意义的数据，还有方便日后做新的实验和写文章时候回头查找。对于留学生来说，除了上课+科研，在自由的美帝，权利永远和义务对等，你需要锻炼非常强大的独立精神。比如考驾照，买车，租房，修车，修房子，组装家具，搬家，做饭。。。统统都要在你去的第一个学期就开始get，然后一直伴随，虽然可以叫朋友帮忙，但是大部分情况都需要你一个人完成。美国大学食堂一般都是快餐店，如麦当劳、Pizzahut，Taco Bell, Jack in the box，外加各种伪印度餐，伪中餐如Panda Express等。食堂以外的餐厅通常都要开车出去吃，而且不便宜。所以就导致我们都要get自己做饭这项技能，否则顿顿吃快餐会让人疯掉。至于说为啥一定要买车，因为马路上看不到人，学校里面宿舍太贵，外面租房会便宜一半，而且不开车非常不安全，去买个菜开车都可能花费几十分钟。再一个，美国二手车很便宜。基本上除了纽约和芝加哥市中心，感觉美国大部分地方都要以这种方式生活。有的大学是在乡下的镇or村里（如UIUC，康奈尔，普渡，TAMU），这些学校的中国留学生们有时候周末宁可开3个小时以上去附近的大城市就为了吃顿饭都很正常。在租房过程中，需要和各种狡猾的公寓agency们讨价还价，后面还要选择不同的电力公司的电力服务。总之英语能力瞬间飙升，因为要经常和别人沟通甚至发飙。以至于我后来选择不同的aparment非常有经验，后面加入实验室的博后博士们还有访学的，好多都是我帮找的房子，让他们一度觉得我可以做房产broker了，哈哈。但是这也导致了很大的负面作用，就是需要花费太多精力时间在和科研不相关的事情上。反观国内的同学，吃饭三餐都可以在食堂，住宿有便宜的宿舍，宿舍到实验室可能步行就OK了，完全可以实现宿舍-食堂-实验室三点一线式的生活。晚上想加个班去补个实验随时可以过去实验室。然后我们这边呢，早上晚上都要开车通勤，回家要在外面吃饭或做饭，晚上即便在家里也经常是读文献，但是实际做实验可就没那么方便了。总而言之，其实从做科研角度来说，是不如国内方便的。这里说说我们为什么做镁电池。因为做锂离子电池的人太多了，想发高档次文章竞争会很激烈，基本上被世界主流的课题组垄断，即便有新生代年轻教授也是从这些组里的出来的。相比之下，镁电池比较新颖，其二价离子的性质可以存储更多能量（其实是伪命题）。但是研究难度也很大，没有多少合适的正负极材料和电解液能让镁电池工作。全世界做的有点名气的课题组应该是个位数。所以我们老板就用这个当作一个研究课题，并拿到了一个大funding，持续几年，可以让我研究到毕业。所以我后面开始做镁电池，用的材料是二硫化钼，取得了不错的进展。虽然主要材料和测试是我做的，但是因为idea是博后想的，镁电池的基本平台也是他们搭建的，所以后来写文章，一作是他们，我就是二作三作。但是我发现二硫化钼是个神器材料，润滑、光电、发射器、半导体、锂电、催化，啥都可以来一腿。而且其本身是二维材料，就和石墨烯一样，那几年又是二维材料爆火的年代。于是我就把这个材料稍微拓展了下，应用在了另外一个有趣的方向，钠离子电池。钠离子电池和锂离子电池本质上机理是一样的，但是钠离子半径大一些。而我们对这个二维材料的合成优化方法是层间距调控法，其实刚好适合通过调整层间距来容纳半径更大的钠离子，从而得到更好的钠电池性能。但其实科研工作进行的并不顺利。这个材料从博一的13年暑假，实验室刚装修好就开始做了。整个暑假我都在不断的合成、失败、优化、重复，终于得到了想要的结果（层间距可调控，相纯，而且可梯度控制）。说到这里，得提一下，因为平时要上课，所以平时其实无法全职做科研，暑假因为没有课，所以是做科研的最佳时机，导师也鼓励这样做，意思是没事的话不要回国了，回国的话办理签证还要check一个月，多麻烦（手动滑稽）。所以我整个读博士期间都没有回国，父母也怕影响我前面几年也没有过来过。然后这个材料后来是做成功了，但仅仅是合成成功，后面还要做器件，性能有好有坏。整整过了一年，到了博二的暑假，镁电池才取得不错的性能。钠电池是一直性能都不行，或者有了好的性能，就是重复不出来。但这个是我计划作为一作文章的工作，所以硬着头皮都要做。所以那个时候我很焦虑：两年多过去了，忙忙碌碌，科研没有太明显的成果，也没有发文章；周六因为上班错过了和朋友们的很多娱乐活动（自驾郊游，BBQ烧烤，hiking，钓鱼，party），只有周日的活动我才能参加，但问题是周日是主日，一般大家很少把这种活动放到周日，所以很是羡慕那些双休的博士同学（不同专业的都有，同一个时期的留学生关系总是有很好的一拨），羡慕他们有个白人老板或者已经拿了 tenure 的华人老板，不那么管他们所以可以朝九晚五周末还可以浪；然后当然我更没有时间谈女朋友；国内同班的同学大部分在国内读博，也有不少在国外的，看着他们第一年就发了不错的文章，然后第二年还能继续发，心里自然很是有紧迫感；刚好那时候微信朋友圈兴起，每天拿着手机刷，就看国内的朋友生活好奢靡快活，然后我们留学博士们好山好水好无聊寂寞。总之，负面情绪满满，经常怀疑人生。不过我韧性一向很好，从来不会失眠，越是遇到挫折就越想着抓紧时间干，或者干点啥有意思的事情。终于在博三的时候出现了转机。到了15年1月份的时候，做的材料性能总算是稳定下来了，有好的性能终于也重复出来了。这时候终于敢拿着稳定的材料去做各种表征了，包括XRD，SEM形貌、容量、倍率、能量、电导率、TEM等。因为材料不稳定，不能重复的话，表征的数据互相对不上，没有意义。于是就在这一个月内把所有数据就补全了，然后很快初稿写好。与此同时，镁电池因为本身做的更早，推进的也相对顺利，文章已经改了几遍，投稿Nature Nanotech.被拒，然后转投别的，在2月份终于被Nano Letters接收。然后3月份，我自己的钠电池的文章改了差不多第20遍，投稿Nano Energy，返稿，修改，到4月份被接收，全程大概一个多月时间。然后呢，在这个过程中，对这个材料其实我有试过很多不同的处理和改性实验，得到了些类似但有些许区别的纳米材料，于是就把它们用于很多其他地方，如：1）超级电容器，后来我们组一个韩国博后用这个工作又发了篇Wiley旗下的小文章，我是二作。平时我很喜欢研究绘图技能，所以我就亲自用PS+AI+3D软件画图，中了那个杂志当期issue的cover image；2）我们实验室楼上就是环境工程学院，有个巴西女教授，很有意思，走路永远自带桑巴风，每天都很开心的样子。我老板就和她合作，把我这个材料（拆层粉末，单层分散溶液，烧结处理后的粉末等）用于他们环境领域的杀菌实验。发现这个材料在被拆层以后确实有不错的杀菌效果，也做了机理分析，和这个材料的光电性质有关。最后文章发表在了RSC旗下的一个环境领域的IF=7点多的杂志，我又是二作；3）还有计算，找了化工系的一个专门做计算的德国教授。针对这个材料在锂电、钠电、镁电的性能，让别人用DFT方法做了计算和机理分析，又搞了篇文章，当然这是后话，实际是16年才见刊。紧接着，我又做了很多其他材料，如各种氧化物，有做二维插层的，也有做纳米化的，也有就是单纯试验某些其他领域的新材料拿过来用在电池中，也都取得了不错的结果。在过去的几年间，导师经常给我们机会让我们出去开会。包括新奥尔良的ACS大会，波士顿的MRS大会，还有阿贡和橡树岭国家实验室搞的锂电或射线表征的会。事实证明，出去开会收益真的很多。首先是开拓眼界，能见到很多文章里的大佬，了解领域内的最新进展。可以认识很多同行和前辈。除了有oral presentation，还有poster展示，都可以现场提问或者晚宴交流，非常锻炼口语和有助于寻找idea。我也还见过，有些快毕业的博士，去听大佬们报告，然后等报告结束的时候，利用这个机会，向大佬提交简历，争取博后的职位。我感觉这招还是比较高效的，大佬演讲者通常都比较nice，都会接收他们的简历，毕竟现场见过总好过网上看到的干巴巴的简历。还有，尽量提交会议论文，申请在这种大会上演讲或做poster，一来锻炼presentation和现场问答的能力，二来还有可能拿奖。所以这点上来看，我们还是非常感谢我们导师的，原因花钱送我们到各地开会。