研究在學(xué)科交叉點上開啟材料新世界論文

　　材料世界是神奇的。從自然生成的煤到人類智慧杰作的電子元件,從廉價的木材到貴重的金屬,每個“高大上”的宏偉工程,都有著看似“細(xì)小微”新型材料的支撐,為我們在絢爛生活中開啟“新世界”的大門。

　　而清華大學(xué)材料學(xué)院教授周濟(jì)，則是這樣一位手握“新世界”鑰匙的“魔法師”，他30 余年沉醉于探索新材料的世界里，化“平庸”為“神奇”，將外人眼中的“不可能”變成“可能”。在2016 年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，周濟(jì)和他的團(tuán)隊?wèi){借“非金屬基超常電磁介質(zhì)的原理與構(gòu)筑”這一項目獲得國家自然科學(xué)獎二等獎。該項目在“超材料與自然材料融合”的思想指導(dǎo)下，借助非金屬材料中豐富的電磁極化機(jī)制，初步創(chuàng)建了非金屬基超常介質(zhì)的原理框架和構(gòu)筑策略，為超常介質(zhì)這類新世紀(jì)出現(xiàn)的新型材料的系統(tǒng)探索和器件應(yīng)用提供了新的范式。

　　讓“不可能”成為現(xiàn)實

　　超常電磁介質(zhì)的探索最初始于20 世紀(jì)60 年代前蘇聯(lián)科學(xué)家韋謝拉戈提出的一個思想實驗。韋謝拉戈發(fā)現(xiàn)，假如有同時具備負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的物質(zhì)，世界將會發(fā)生一系列根本性改變。然而，這類“天方夜譚”似的想法在當(dāng)時并未得到人們的過多關(guān)注，此后30 年中也幾乎被人遺忘。直到上世紀(jì)90 年代末，一位英國科學(xué)家提出利用金屬人工結(jié)構(gòu)陣列實現(xiàn)這一想法，并于世紀(jì)之交被實驗驗證，超常電磁介質(zhì)才自此誕生。短短幾年中，這類新型人工材料發(fā)展迅速，被評選為材料領(lǐng)域50 年10 項重大突破之一。然而，受制于金屬基體的固有特性，高損耗、各向異性、難以調(diào)控，以及光頻材料難于制備成為了困擾此類材料發(fā)展的壁壘。

　　作為較早進(jìn)入超常介質(zhì)研究的團(tuán)隊，周濟(jì)說，他們一直是“非主流”。團(tuán)隊在研究之初選擇了一條獨辟蹊徑的路線——利用超材料與自然材料的融合，發(fā)展非金屬基超常電磁介質(zhì)來解決金屬超構(gòu)材料面臨的難題。這在當(dāng)時的學(xué)術(shù)界看來，普遍認(rèn)為“不可能”。然而，歷經(jīng)十余年的努力探索，周濟(jì)團(tuán)隊取得了突破性進(jìn)展。

　　2008 年，在西班牙小鎮(zhèn)潘普洛納，周濟(jì)見到了仰慕已久的韋謝拉戈教授，他向其介紹了自己團(tuán)隊正在進(jìn)行的研究，“老先生聽后第一反應(yīng)是質(zhì)疑，然后是驚愕，最后是連連贊許”，周濟(jì)回憶道，“韋謝拉戈教授最初的思路也是在傳統(tǒng)介質(zhì)中實現(xiàn)超常電磁響應(yīng)，當(dāng)時他和很多專家討論過，只是最終得出的結(jié)論是不可能”。但令韋謝拉戈難以想象的是，他曾經(jīng)被認(rèn)為“不可能”的這個想法多年后在一群中國科研者手中成為了現(xiàn)實。

　　科研原野上碩果累累

　　超常電磁介質(zhì)研究團(tuán)隊起源于由李龍土院士領(lǐng)導(dǎo)的功能陶瓷研究團(tuán)隊，目前也是這個大團(tuán)隊中的一部分。“李老師是一位嚴(yán)謹(jǐn)、包容、思想活躍的學(xué)術(shù)大師，他積極支持和鼓勵我們不斷探索新的研究領(lǐng)域。我們的研究從常規(guī)介質(zhì)走到超常介質(zhì)，有應(yīng)用需求的拓展、學(xué)科方向的演進(jìn)，更有學(xué)術(shù)思想的傳承�！敝軡�(jì)說。團(tuán)隊成立之初，資料匱乏是他們遇到的一大難題。“這完全是一片沒有前人涉足的荒漠，需要我們自己動手開疆?dāng)U土�！被貞浧甬�(dāng)年尋找創(chuàng)新點的情景，周濟(jì)難掩興奮，對于他和團(tuán)隊來說，這是一段寂寞的旅程，亦是一個創(chuàng)造樂趣的過程。

　　在科研的原野上，辛勤勞作必將收獲豐碩。項目組經(jīng)過十余年的悉心灌溉，終于收獲了創(chuàng)新的果實。

　　團(tuán)隊提出了超構(gòu)材料與常規(guī)材料融合構(gòu)造非金屬基超常電磁介質(zhì)的原理和方案，突破了金屬基超構(gòu)材料所固有的高渦流損耗、各向異性、難以調(diào)控、以及光頻材料難于制備等困擾其發(fā)展的壁壘;率先研制出多種新型陶瓷基超常電磁介質(zhì)材料與器件，其中部分元器件已經(jīng)獲得實際應(yīng)用;成功發(fā)展出了多種可調(diào)電磁超常介質(zhì)，突破了困擾超常介質(zhì)器件化的關(guān)鍵難題�；叵肫鹂蒲泄�堅的那段日子，給周濟(jì)留下最深印象的是兩條經(jīng)驗：一是學(xué)科交叉，把相關(guān)學(xué)科的精髓原理巧妙應(yīng)用到本學(xué)科中來;二是要敢于打破常規(guī)，嘗試別人認(rèn)為不可能實現(xiàn)的目標(biāo)。

　　十余年間的艱難困苦和心血汗水，周濟(jì)視之淡然。“每位從事科學(xué)研究的人，都已經(jīng)習(xí)慣了不斷遇到問題、不斷解決問題、進(jìn)而不斷探索的過程。在科研中不斷積累經(jīng)驗和加深認(rèn)知可以幫我們形成大致的方向感，一步一步不斷有所進(jìn)步和發(fā)現(xiàn)�！敝軡�(jì)表示。

　　團(tuán)隊合作助力成功

　　在團(tuán)隊成員們看來，項目取得了一些成績主要得益于清華良好的科學(xué)研究平臺和氛圍、優(yōu)秀的研究群體以及中國材料工程高速發(fā)展所提供的難得機(jī)遇和挑戰(zhàn)。這是一個典型的跨學(xué)科團(tuán)隊，負(fù)責(zé)人周濟(jì)本科學(xué)電子、碩士學(xué)物理、博士學(xué)化學(xué)，之后轉(zhuǎn)戰(zhàn)到材料領(lǐng)域多年，團(tuán)隊中的幾位主要成員也各有所長、分工明確——第二完成人趙乾是應(yīng)用物理學(xué)博士，為介質(zhì)Mie 諧振為基礎(chǔ)的陶瓷超構(gòu)材料設(shè)計與構(gòu)造作出了主要貢獻(xiàn);第三完成人李勃是材料學(xué)博士，有效推動了可調(diào)陶瓷超常介質(zhì)的研究進(jìn)展;第四完成人孫競博有著電子學(xué)背景，他率先發(fā)現(xiàn)了一些本征型超常介質(zhì)體系;第五完成人宗瑞隆是化學(xué)背景，創(chuàng)新地提出了利用自下而上的方法制備超常介質(zhì)這一新路線。

　　在討論項目時，團(tuán)隊成員打破長幼輩分之別，為追求一個共同的理想常常廢寢忘食、全身心投入。在十余年的科研攻堅階段，項目組不斷有博士生、碩士生加入，他們有的思維活躍、理論分析能力強(qiáng)，有的心思細(xì)密、動手能力強(qiáng)，大家充分發(fā)揮各自所長，擰成一股繩，勁兒往一處使，最終澆灌出了知識創(chuàng)新的“參天大樹”。而在團(tuán)隊成員看來，周濟(jì)則是當(dāng)之無愧的“靈魂”與“船長”�！爸芾蠋熋翡J的科學(xué)思維，綜合物理、化學(xué)、材料以及電子信息的學(xué)科背景，乃至良好的人文素養(yǎng)和辯證的哲學(xué)思維都保證了研究團(tuán)隊能夠排除各種干擾和追逐熱點的誘惑，沿著具有特色的研究方向不斷深入挖掘，十余年如一日地專注于在該領(lǐng)域深耕細(xì)作，使課題組的工作能夠引領(lǐng)介質(zhì)基超構(gòu)材料的發(fā)展�！壁w乾表示。談及多年來從事材料研究的體會，周濟(jì)認(rèn)為：“做科研，首先要有科學(xué)精神，要有獨立思想。不要盲從文獻(xiàn)，不要迷信權(quán)威，也不要有功利目的�！薄爸袊�正在經(jīng)歷從科學(xué)大國向科學(xué)強(qiáng)國的轉(zhuǎn)折點上，過去我們做科研總是跟別人的后面做，今后這種跟風(fēng)式的研究已經(jīng)沒有多大意義了。只有在很多領(lǐng)域都做出原創(chuàng)性成果，才能成為真正意義上的科技強(qiáng)國�！敝軡�(jì)說。十余年來，這位在材料戰(zhàn)場里的“老兵”，帶領(lǐng)著他的團(tuán)隊，為“中國材料”走向世界，烙下濃重一筆。然而周濟(jì)謙虛地說，他和團(tuán)隊未來的路還很長，還需要不斷探索、探索、再探索，去打開更多“新世界”的大門。

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