掃碼關注北京大學深圳研究生院官方微信

首頁 > 專題報道 > 正文
【菜鳥自提櫃】書架到貨架,成材與成才——新材料學院清潔能源研發中心
日期:2021-05-18 08:04:40 南燕新聞社 點擊:

【菜鳥自提櫃】

2021年,南國燕園已正式步入二十載。二十年間,北京大學深圳研究生院科研創新平台建設穩步推進,科研創新能力持續提升,目前已建和在建的各類實驗室共計30多個。回顧過去,一項項亮眼的科研成績充分彰顯了北大深圳的辦學質量和辦學成果;立足當下,深研院緊貼時代脈絡,深耕人才培養和科研創新;展望未來,深研院將依託科研平台持續發力,在深圳、在中國發出更加堅定的“北大聲音”。不同學科方向、各具專業特色的實驗室充分彰顯了深研院“前沿領域、交叉學科、應用學術、國際標準”的辦學方針,是深研院面向深圳、服務廣東、輻射華南、為地方經濟發展服務的強力助推器。

説起實驗室,首先映入你腦海的,是龐大的設備、精密的儀器、刺鼻的藥水,還是整齊劃一的工位、屏息凝神的面容、伏案疾書的身影?

作為科研產出的依託平台和成果轉化的連通媒介,實驗室承載的不僅僅是一個個基金重點項目、一篇篇高影響因子論文和一項項重大科研成果,更是一位位奠基者的嘔心瀝血、一個個科研人員的精益求精和一份份深思熟慮後的精準抉擇。

透過實驗室,每個學院以自己獨一無二的學科特色在南國燕園大放異彩;立足實驗室,北京大學深圳研究生院堅定地踏出勇毅的步伐,在深圳速度的時代幕布上畫下一筆筆濃墨重彩的奇蹟。

現在,讓我們跟隨南燕新聞社記者的腳步,揭開實驗室的神祕面紗,一窺他後面的人和事吧!


在北京大學深圳研究生院的“科研動態”專欄裏,幾乎每個月都能夠看見類似的報道——新材料學院於二月份在鋰電池無鈷層狀正極材料獲得重大進展,三月份在構建材料知識圖譜研究取得一定突破,四月份基於拓撲數學與機器學習進一步加速對材料結構規律的研究探索……新材料學院的科研團隊擁有濃郁的學術氛圍與豐碩的科研成果,而北京大學深圳研究生院新材料學院清潔能源研發中心正是其中的代表。

 豐碩的科研成果

新材料學院重點開展了基於材料基因組的新型材料學科建設,立足已經建立的國家級“電動汽車動力電池與材料”國際聯合研究中心、廣東省“新能源材料設計與計算”重點實驗室、深圳市“新能源材料基因組製備和檢測”重點實驗室、“納米光電打印材料”工程實驗室和“OLED關鍵材料與器件”工程技術研究中心,以承擔國家重大專項、重點研發專項、省市級重大項目為契機,開展有針對性的學術研究。

清潔能源研發中心下設四個研究方向。聚焦於學科熱點和學術前沿,既包括了材料研究的新範式——材料基因學,又涉及到新材料領域的熱點難點——電池材料的結構排序及其動態演化。放眼於研究發展與未來趨勢,既重點研究高性能鋰離子電池,又探討新型能量轉換機制,從而更好地研發儲能材料,高效地利用清潔能源。

清潔能源研發中心的研究方向

醉心科研,不遺餘力

在一屆又一屆材料人的接力突破下,清潔能源研發中心已是碩果累累。課題組組長潘鋒教授連續六年(2015-2020年)入選“中國高被引學者”榜單,榮獲2016年國際電動車鋰電池協會(IALB)傑出研究獎,2018年美國電化學會(ECS)電池領域技術獎。課題組研究成果《電動車動力電池材料結構及性能的基礎科學研究》獲得2018年深圳市自然科學一等獎,發表在NATURE NANOTECHNOLOGY的論文In situ quantification of interphasial chemistry in Li-ion battery入選2019年“中國百篇最具影響國際學術論文”。

工欲善其事,必先利其器。先進的科研設備對於實驗科學來説必不可少。新材料學院擁有包括TEM、FIB、SEM等多台大型材料測評設備和完備的實驗驗證線和中試生產線,為科研提供完善的支撐服務。學院具備高性能計算與數據庫平台,與國家超算深圳中心保持密切合作。測試中心的材料檢測平台在滿足院內科研需求的同時,也允許對外開放,幫助兄弟單位、企業驗證產品級的新材料、新工藝、新太陽電池產品。南方科技大學、哈爾濱工業大學(深圳)、清華大學、深圳大學等附近院校均是主要的長期客户,對外所得的經費收入又反哺用於維護院內的儀器維護與能源開支,從而相互促進,起到科研設備優化升級的目的。

科研設備與科研平台

院內最貴的儀器——透射電鏡基本覆蓋了材料測試的功能需求,在國內來説配置也比較齊全。電鏡最核心的一個功能就是採集數據,因此相機是很重要的一個部件。負責維護透射電鏡的趙工程師告訴我們,這台透射電鏡的數據採集系統目前是市面上最好的透射電鏡相機。它的採集速率可以達到300張圖片每秒,用於動態觀察材料在實驗中很快速的一些變化。最高像素可以達到4K*4K,分辨率是0.1納米左右,可以看到一個納米左右的物體。

測試中心的工程師隊伍目前有四名男性,兩名女性。作為一支很年輕的隊伍,每個人對於工作基本上都是隨叫隨到。“人能幹的情況下,儀器設備可以全滿測試,幾乎都是飽和狀態。工作時間設備絕對都有在使用的,大多數非工作時間也都是給了學院內部學生教學科研這塊。”負責測試統計、收費、合同審批的翁工程師如是説。“大家的責任心都比較強,每台儀器都有一個固定負責人。儀器什麼時候出問題,我們都會及時的去解決。每台設備或者是實驗室前面都有負責人的電話,基本上出了問題都可以打電話。如果電話解決不了,我們就會來現場解決。”

透射電鏡

掃描電鏡測試

測試中心的工程師日常主要負責設備維護、學生培訓等。看似朝九晚五工作的背後,其實是早已習以為常的突發狀況。加班變成了日常,從早上九點工作到晚上九點已經是基本的工作時間,偶爾有些公司樣品出問題或者是學校有些文章要返修,考慮到因為生產線一旦停下來損失就會很大,工程師一般都會在拿到樣品之後,不管是週六周天就立馬安排,隨叫隨到。另一方面,學生經過培訓課,在非工程師的正常工作時間如假期或晚上,就可以自己利用設備做測試。如果出現報錯的情況,學生在晚上十二點鐘,凌晨一兩點鐘都會打電話詢問,一般這種情況下工程師也會進行回覆。“我們希望他能夠儘快的反饋,要不然的話這個問題如果存在的話,下一個人不知道或者是他自己去動手的話,那肯定導致這個問題更嚴重。所以我們的要求也是這樣的,出於這個儀器和人身安全,我們肯定是希望他一有問題,就把問題向我們反饋。”

寶劍鋒從磨礪出,梅花香自苦寒來。一次次實驗背後是測試人員的保駕護航,而一篇篇論文背後則是老師和學生們的夜以繼日。“博士名額本來就緊張,能成為潘老師的學生,大家都有一些使命感和緊迫感。老師沒有對在實驗室時長有特別嚴苛的要求,但是作為博士生以及我們這種作為以後要從事科研工作的人,主要是一個自律。”即將畢業的博士生楊同學如是説,“其實按個人來説,每個人的作息習慣都不太一樣。但是我們除了這些個人的自由時間之外,我們都會盡量待在實驗室,比如我個人習慣早睡早起,早上九點以前到實驗室,晚上十點離開。很多師弟的話都非常的勤奮,基本上就是挑燈夜戰,不分晝夜的學習,恨不得一天有二十六個小時。”

雖然沒有特別嚴苛的要求,但是實驗室的學生一般都會在早上九點左右到,保證每天至少十個小時在實驗室。“所有的新生入學之後首先會上課,在上課的同時還會接受實驗室安全培訓,包括儀器的正常使用、基本的化學合成操作、儀器的必要維護以及安全規範等。通過考核之後,才能在博士後或者老師的指導下來開展一些課題。”當提及如何平衡上課和做實驗之間關係時,同時入學的19級直博生冀同學和19級碩士生有着深刻的感受,“上課和做實驗是同時進行的,自己需要學會去協調時間。基本上有時候我們沒課的時候,都是在辦公室忙着做實驗的時候。實驗室的模式就是上課只是學習生活的一部分,不能因為上課所以就不做實驗。”

有機合成

組裝鈕釦電池

“整個科研過程都需要有機的配合,而不是固定機械的幾點到幾點做實驗,幾點到幾點寫文章。”有些間段不連續的實驗,比如給定條件的化學反應,實驗室的學生在操作完實驗步驟,設定好時間之後就會去辦公室看文獻找找靈感、整理數據彙報、交流一些企業商務方面的知識。有些原位實驗,學生就會每一分每一秒盯在那裏,觀察到底有什麼樣微觀現象發生,其間不能移動一絲的細節,而且要隨時調整參數,一旦離開就很有可能造成整個實驗的失敗。就是在這樣零碎的時間中,學生把大多數精力投入到科研之中,像海綿一樣汲取所有的知識作為自己的養分,不斷突破,不斷成長。

言傳身教,授業解惑

“其實潘老師也是我們的一個模範,他也是除了科研就沒有太多其他的事情,基本上把90%的精力都投入到科研上,所以在他的引導感染下,我們也是自發的把精力投入學習。”在採訪學生的過程中,老師和師兄師姐的引領作用被不斷地提及。不論是潘鋒老師沉迷科研的精神,還是他對於工作的熱情,甚至是思維的方式與解決問題的方法也都對學生們產生了潛移默化的影響。“我覺得老師思考問題的方式跟我們學生想的不一樣,我們很多人做實驗都是試一下,或者跟文獻學習然後稍微改造一下,但是潘老師真的是從原子分子尺度上去想怎麼解決問題,然後設計新的實驗方案。”對於學生來説,經常在實驗數據裏找不到一些關鍵信息,但是潘老師總是能抓住問題的本質。所有的潘老師組都經常會出現這樣的現象,“潘老師提出了某個方向,但是我們學生可能覺得跟文獻中設想的不一樣,實驗比較難做,然後就慢慢擱置了,但是不久之後有很多高質量的文章發出來,的確就是像潘老師想的一樣,只是我們沒有實現而已。所以我們覺得潘老師在想問題的深度和廣度方面是要比我們學生強很多的。”

師者,所以傳道受業解惑也。其實不僅僅是潘鋒老師,新材料學院許多的老師也都是如此。2016年3月份入職的專職科研老師楊老師日常的一天是從學生彙報科研進展開始的,“老師和學生之間都會有一些那個特定的項目課題在做。每天早上學生會彙報一下他們的進展,然後我們會指導下一步往哪裏做。如果中間出現什麼問題,我們會提供一些如何解決的建議。如果有些他們不明白的話,我們就會親自帶着去做。”就像是一艘平穩行駛的大船,當老師定好科研進展前進的方向之後,學生就會動手實施,向前推進。當遇到問題的時候,老師就會和學生一起找出問題所在,調整行駛的方向,提出解決問題的方案。“哪怕如果在校內學不了的,像我們就可以在校外為學生們找一些其他的測試方法或製備流程。”

三人行,必有我師焉。不同的項目組在有不同分工主題的同時,不同的研究方向之間也存在着頻繁的溝通與交流。每個月實驗室會有一個大組會,每一週大組長都會就大家近期工作內容進行一個彙報。彼此之間相互溝通,將各自成果之間的啓發、做實驗的一些方法都借鑑到各自的實驗當中。更常見的是課題組內部的交流——每個課題組之間都對彼此的方向,特長十分熟悉——當學生清楚自己的問題需求時,就可以直接找到對應的人,就小問題進行的私下交流。當問題解決不了需要協調的話,各個大組長再進行溝通。

除了老師的答疑解惑,前輩的帶教氛圍也是實驗室的一大特色,實驗室的每一個人都在為更好的實驗室而付出努力,這種付出精神得到了很好的延續和傳承。18級博士三年級的宋同學講述了在實驗室中最難忘的經歷,在做畢業設計的時候,他的師兄主動承擔起了一些實驗室儀器維護的工作。“有一次學院通風櫥的風機壞了,維護的工程師當時很忙,師兄就聯繫工程師,讓工程師進行遠程指導,由師兄把風機修好。這雖然不是學生本職的工作,但是師兄為了實驗室能夠正常的運行能夠主動去承擔,這讓我感觸很深”。在師兄去英國做博士後之後,宋同學就接手了師兄的工作,主動解決實驗室的風機、泵油等儀器出故障之後的問題。“感覺畢竟師兄帶的我,我就要把它傳承下去。”

作為全職博士後,秦博士的日常跟學生們的工作大體上也是相同的——以做實驗解決產業關鍵基礎科學問題發“有用”文章為考核標準,“學生工作彙總到我們博士後這邊,然後我們博士後再彙總給老師,起到中間橋樑的作用。” 在起到橋樑作用的同時,經過博士生完整體系培養的博士後,具備嚴密的邏輯思維和較強的文章寫作能力,因而也會在平時交流中進行思想的輸出。而正是在前輩們的帶領下,新材料學院也在源源不斷地輸出高質量的文章。

才下書架,又上貨架

2021年4月10日,北京大學納米科學與技術研究中心主任劉忠範院士在北大南燕講座中鼓勵科研工作者找準方向、不懈堅持,做能寫到教科書中的對科學有用的東西,或者以“工匠精神”突破“卡脖子”技術,實現產業應用轉化,“做點真正有用的東西、或者上貨架、或者上書架”。

而在新材料學院清潔能源研發中心實驗室,在負責科研成果的同時,博士後還需要承擔產業化的重大的任務,負責和企業對接,將科學成果轉化成產品,將高質量的文章要逐步的落地,把一些深刻的機理、發現的一些新材料、新手段轉化成能夠推動這個社會發展的實際產品,實現從書架到貨架的轉化。

超快材料成像測試儀

新材料學院圍繞節能和清潔能源體系這一核心研究方向,開展原子、能量、信息、生命融合的基礎研究,實現新材料、新能源與信息技術的交叉研發和創新。學院以產業化為科研發展目標,從產業革命的技術瓶頸和科研需求出發,探索新型產學研模式,力爭成為新能源關鍵材料基礎研究到應用協同創新的樞紐和支撐平台,協助實現國家對大灣區“打造全球創新高地,提升我國材料科學開拓性創新性和材料產業”的目標規劃。

潘鋒教授認為,材料是基礎,工藝是關鍵,基礎研究到應用協同創新需要高層次專業和工程工藝技術人才;材料與化工領域注重功能材料智能化、材料與器件集成化、製備和使用過程綠色化的研究,需要與地方企業密切合作,培養與技術應用深入關聯的專業級人才。

由於學科特殊性以及鋰電池產業化的現狀,實驗室進行的一些基礎研究與理論研究,也帶上了應用層面的最終目標,在應用大框架下,所有的基礎研究都是以需求為導向。在新材料學院工作了四五年的張老師這樣描述個人的感受,“因為我們這個課題組算是比較新的一個課題組,所以説我覺得我們課題組這幾年的進步是非常巨大的,不管是從文章上還是對科學認知,包括往產業化地慢慢推進,這個進步速度都是肉眼可見的。我也很開心自己能夠見證這樣的一個過程。”

測試鋰電池的實驗室

完全人格,首在體育

蔡元培先生主張“完全人格,首在體育”。實驗室學生的生活以科研為主,但也絕不僅限於科研。新材料學院每天會組織跑步活動,面向整個深圳研究生院,跑完指定公里數就可以領一瓶酸奶。跑步活動已經堅持了兩年,就是提倡大家在保證精力充沛的前提下去做高強度的科研工作。學生告訴我們,潘鋒老師也提倡把身體素質培養好,然後在此基礎上才有更多的精力和實力,高效地投入科研。實驗室也會組織一些素質拓展活動,比如攀巖、遠足、宿營,通過這類活動來促進同門之間的情誼,張弛有度。

新材料學院注重在校學生的實踐能力培養,強化校企聯動培養機制,深耕粵港澳大灣區,與華為、華星光電、欣旺達、貝特瑞、OPPO、中興通訊等公司在人才輸送、技術研究方面長期合作,從而培養學生全面發展,適應社會及相關行業廣泛而多樣化的需求。

三軍同力,未來可期

如果將新材料學院清潔能源研發中心比作飛馳的汽車,那麼工程師、教師、博士後、博士生、碩士生都是這輛汽車上緊密咬合的齒輪。每一個零件看似微小,但是成為缺一不可的整體,才能在康莊大道上平穩運行,正所謂上下一心,三軍同力,是以百事成,而功名大也。無論是年輕且拼命乾的工程師隊伍,在科研方向上穩定而持續推進的學生,還是諄諄教導關懷備至的師長,每個人都喜歡自己正在進行的工作,從而不斷深入,形成長年累月堅持的動力。

新材料學院成立於2013年,隨着科研實力,科研隊伍的不斷壯大,現在的實驗室空間已經近乎飽和,未來將會進一步擴展空間區域,優化升級設備,加大力度引進國內外優秀人才加盟團隊,碰撞出新的火花。正如潘鋒老師所説,任何製造業的升級換代都離不開材料,材料行業始終是國家戰略發展的基礎,也是地區發展的深耕重點。北京大學深圳研究生院作為北京大學在大灣區進行產學研戰略性佈局的基點,當然應該發揮出帶頭作用,以耕耘奮鬥的精神與創新突破的思想,在深圳這片創新、創業的土壤上,培養出專業知識豐富,綜合素質強,有社會責任擔當的新時代人才。


南燕新聞社“走進實驗室”專題報道組出品

策劃:鄔紫荊

記者:錢韻

攝影:譚羲

聯絡人:楊盧奕、趙曉卉

指導老師:王可佳

南燕講座:中國科學院院士馬大為教授到訪化生學院
  • 2021-05-13
    我院連續九年蟬聯校運會冠軍總結表彰大會隆重舉行
  • 2021-05-10