近年來，石墨烯因其獨(dú)特的單原子厚度二維結(jié)構(gòu)以及在強(qiáng)度、柔韌性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等方面的優(yōu)異表現(xiàn)而備受關(guān)注，在材料、能源、信息、環(huán)境等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。面向以工業(yè)4.0為代表的新工業(yè)革命，關(guān)于石墨烯的制備、開發(fā)和應(yīng)用研究面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
2017年1月，在人民大會(huì)堂舉行的國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，石高全和他的團(tuán)隊(duì)?wèi){借“化學(xué)修飾石墨烯可控組裝與復(fù)合的基礎(chǔ)研究”這一項(xiàng)目獲得2016年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。該項(xiàng)目主要研究了化學(xué)修飾石墨烯的大分子行為，建立了石墨烯化學(xué)修飾、可控組裝與復(fù)合的新方法，研制了系列石墨烯功能材料并探索了其在能源領(lǐng)域中的應(yīng)用，為揭示化學(xué)修飾石墨烯結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系、構(gòu)建新型石墨烯功能材料、推進(jìn)其工業(yè)化進(jìn)程提供了重要的知識(shí)積累、理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。
十年長(zhǎng)路 求索不止
石墨烯本來就存在于自然界，但卻難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，而單層石墨烯的性能與石墨卻有著天壤之別。如何剝離出單層的石墨烯，在十多年前面臨著重重困難。
石高全與石墨烯結(jié)緣是在一次學(xué)術(shù)會(huì)議上。一位物理學(xué)家在會(huì)議上介紹了物理剝離石墨烯的方法：先從石墨中剝離出石墨片，然后把薄片的兩面粘在特殊的膠帶上，撕開膠帶就能把石墨片一分為二。如此反復(fù)多次，薄到只有一個(gè)碳原子的厚度時(shí)，石墨烯就制成了！斑@種制備方法成本十分高昂，我開始思考能不能用化學(xué)方法制備石墨烯”，石高全說。石高全后來查閱文獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)已有的化學(xué)制備方法主要運(yùn)用氧化剝離的方法，但這種方法制備出的石墨烯不能在溶劑中分散和溶解。博士階段專注于一維共軛高分子材料研究的石高全敏銳地發(fā)現(xiàn)，石墨烯從結(jié)構(gòu)上可以看成是二維共軛高分子。于是，石高全及其團(tuán)隊(duì)將石墨烯作為二維共軛高分子進(jìn)行研究的漫漫長(zhǎng)路就此開始。
對(duì)共軛高分子的研究從一維轉(zhuǎn)向二維層面，既是石高全對(duì)自己研究領(lǐng)域的拓展，又面臨著巨大的挑戰(zhàn)！白鲅芯繘]什么特別的，我們一步一步向前走，以解決基本的科學(xué)問題為目的”，石高全回憶十年來對(duì)石墨烯的研究時(shí)說。石高全團(tuán)隊(duì)對(duì)石墨烯的研究從2007年開始，2008年團(tuán)隊(duì)在國(guó)際期刊發(fā)表了第一篇研究論文。十年來，團(tuán)隊(duì)發(fā)表與石墨烯相關(guān)的SCI論文115篇，論文被引用15000多次，申請(qǐng)相關(guān)專利6項(xiàng)，已授權(quán)3項(xiàng)。然而在石高全看來，論文發(fā)表只是研究實(shí)現(xiàn)突破的客觀結(jié)果，不必刻意追求，真正支撐他堅(jiān)持至今的有更深層的動(dòng)力。他說：“石墨烯結(jié)構(gòu)獨(dú)特，性能出色，一直吸引著我不斷去探索。而作為二維的分子，大家對(duì)石墨烯的認(rèn)識(shí)還不是很清楚，它的應(yīng)用還有賴于基礎(chǔ)研究的突破，所以我們要一直做下去！
精誠(chéng)合作 薪火相傳
石高全組建了一支以研究生為主干力量、充滿活力的年輕隊(duì)伍。談起研究取得突破的訣竅，他說：“一個(gè)團(tuán)隊(duì)就像一個(gè)家庭，精誠(chéng)合作、氛圍融洽十分重要！
石高全的團(tuán)隊(duì)正是這樣一支精誠(chéng)合作的團(tuán)隊(duì)！罢n題組每個(gè)學(xué)生的課題都不一樣，不存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而是互相關(guān)聯(lián)、互相配合。從石墨烯的制備、修飾到石墨烯在傳感器、催化劑、驅(qū)動(dòng)器件的應(yīng)用等，每個(gè)人都有明確的分工”，石高全說。
放手讓學(xué)生去做研究是石高全培養(yǎng)學(xué)生的一貫作風(fēng)。在對(duì)學(xué)生進(jìn)行一系列訓(xùn)練后，便充分發(fā)揮學(xué)生的積極性。石高全把他的團(tuán)隊(duì)比作一支足球隊(duì)：“老師要扮演的角色是足球隊(duì)的教練，他不會(huì)在場(chǎng)上踢球，但要有發(fā)現(xiàn)問題的敏銳性和把控方向的能力。學(xué)生要沖到第一線，處理每一個(gè)細(xì)節(jié)，比如觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并清楚它的意義等。作為老師，我們會(huì)及時(shí)糾正學(xué)生在研究方向上的錯(cuò)誤，適當(dāng)改變他們的研究策略，防止他們走彎路。”
憑著齊心協(xié)力、勤奮鉆研的干勁兒，石高全團(tuán)隊(duì)攻下了石墨烯領(lǐng)域一個(gè)又一個(gè)科研難題。每天8點(diǎn)之前到實(shí)驗(yàn)室，每星期工作6天，石高全堅(jiān)持嚴(yán)格執(zhí)行這樣的作息時(shí)間，帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)不斷奮進(jìn)。每天十幾個(gè)小時(shí)的科研時(shí)間里，石高全并不要求學(xué)生一直做實(shí)驗(yàn)，“我常跟學(xué)生們說，希望你們用一半的時(shí)間去思考，沒有思考的研究往往會(huì)犯很多錯(cuò)誤。不能做原理不通或者一味求新的實(shí)驗(yàn)。做實(shí)驗(yàn)之前一定要問，做了之后誰會(huì)受益，意義何在！
在攻堅(jiān)克難的過程中，石高全十分重視對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)。“老師最大的動(dòng)力和幸福感來源于培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力”，石高全說。據(jù)了解，石高全有二三十個(gè)學(xué)生從事教學(xué)科研工作，還有的學(xué)生在工業(yè)界發(fā)揮著重要作用。
基礎(chǔ)研究 魅力無限
團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年的悉心灌溉，終于收獲了創(chuàng)新的果實(shí)。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了具有共軛結(jié)構(gòu)小分子或高分子非共價(jià)修飾制備水溶性石墨烯的新方法。簡(jiǎn)而言之就是采用非共價(jià)修飾的方法在石墨烯的表面修飾一些基團(tuán)，讓它從不溶解的狀態(tài)變成可溶的狀態(tài)，同時(shí)保留石墨烯本身的性能和結(jié)構(gòu)，并賦予它新的功能。這一新方法為發(fā)展和完善可溶性石墨烯制備技術(shù)提供了新思路。
同時(shí)，團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先開展了化學(xué)修飾石墨烯溶液組裝行為、三維組裝結(jié)構(gòu)與性能的研究，制備了系列具有多維度、多級(jí)次微結(jié)構(gòu)的石墨烯塊體材料，并探索了其應(yīng)用！鞍咽┳鳛榻M裝的基元，搭成三維組裝的結(jié)構(gòu)，最大限度地保持它的比表面積和單片的性質(zhì)，可以做成薄膜、水凝膠、柔性電子器件等，這在國(guó)際上也是具有開創(chuàng)性的”，石高全說。
項(xiàng)目的成果不止于此。團(tuán)隊(duì)還建立了制備化學(xué)修飾石墨烯復(fù)合材料的新策略，揭示了復(fù)合組份與石墨烯片間的協(xié)同作用機(jī)理。團(tuán)隊(duì)將石墨烯和其他組分組裝復(fù)合，再加工成型，使其性能最大化。此項(xiàng)突破為開展石墨烯復(fù)合材料研究開辟了新方向，也為推動(dòng)石墨烯材料在能源器件中的應(yīng)用作出了重要貢獻(xiàn)。
雖然取得了矚目的成績(jī)，石高全仍在石墨烯的研究領(lǐng)域深耕不輟。談及原因，石高全說：“現(xiàn)在要做的事情還有很多。將實(shí)驗(yàn)室的成果與現(xiàn)有的工藝結(jié)合起來做成產(chǎn)品的過程中會(huì)遇到很多問題，比如新的材料不能完美適應(yīng)現(xiàn)有的工藝、性價(jià)比不高等。原材料和工藝都要建立一套新的體系，而最重要的是從原材料本身進(jìn)行研究和控制。”
團(tuán)隊(duì)關(guān)于石墨烯的研究是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)研究，也就注定取得突破需要長(zhǎng)時(shí)間的付出。基礎(chǔ)研究可以說貫穿了石高全到目前為止的整個(gè)研究生涯，并將一直延續(xù)下去。石高全說：“基礎(chǔ)研究無止境，任何時(shí)候都不能說已經(jīng)把事物都認(rèn)識(shí)透徹了，F(xiàn)在石墨烯的應(yīng)用不夠完善的原因，恰恰在于它的基本問題沒有被解釋得很清楚。只有在基礎(chǔ)研究完善的情況下才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的突破，因?yàn)榛A(chǔ)研究是知識(shí)創(chuàng)新的源頭！
“板凳一坐十年冷”，帶著對(duì)基礎(chǔ)研究的執(zhí)著與熱情，石高全和他的團(tuán)隊(duì)又像往常一樣，在實(shí)驗(yàn)室里開始了新一天的探索。下一個(gè)十年，讓我們期待在這樣一個(gè)簡(jiǎn)單純粹、勤奮踏實(shí)的實(shí)驗(yàn)室里，誕生出新的推動(dòng)基礎(chǔ)研究進(jìn)程的重大科技成果。
