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“石墨烯教父”安东尼奥的产学研之路

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导语: 新加坡国立大学是新加坡唯一一所拥有诺奖得主的高等学府。在国大先进二维材料中心主任安东尼奥教授的引荐之下,诺贝尔物理学奖得主——康斯坦丁·诺沃肖洛夫坐阵国大材料系。10月7日,由诺沃肖洛夫教授和安东尼奥教授联合领导的功能性智能材料研究所正式揭幕成立。《时代财智》专访了安东尼奥教授,听他分享自己的产学研之路,不仅感受到了他对科研的热情,也近距离了解了这位石墨烯教父级人物对科技产业化的看法。

此文刊登在2021年9/10月期新加坡《时代财智》

文:袁琳 编:张军 摄影:蔡清福

中国有句话:山不在高,有仙则名。这正是时代财智专访新加坡国立大学先进二维材料中心(Centre for Advanced 2D Materials)主任安东尼奥(Antonio H. Castro Neto)教授时的心情。在一扇普通的办公室门前,记者一行敲开了安东尼奥教授的门。

“请进来!”随着一声洪亮的回应,安东尼奥教授笑容可掬地开门迎接。与教授顶拳打招呼的一瞬间,仿佛他的精力充沛以及热情洋溢正在通过指缝传递过来。

在新创办世界首个石墨烯中心

安东尼奥教授从事二维材料的研究,是原子级薄材料方面的专家,他在业界以凝聚态理论家而著称,享有“石墨烯教父”(Godfather of Graphene)之盛誉。2010年,在他的领导下,世界上第一个石墨烯研究中心(Graphene Research Centre)诞生于新加坡国立大学。2014年,在新加坡国家基金研究会(National Research Foundation of Singapore)的支持下,石墨烯研究中心升级成为先进二维材料中心(Centre for Advanced 2D Materials),安东尼奥教授受任为该中心主任,负责制定、领导该中心的研究方向以及管理工作。目前,中心约有50名课题组负责人,逾200名研究人员。

1964年出生于巴西的安东尼奥,自从1984年就读坎皮纳斯州立大学 (UNICAMP)开始粒子物理学研究开始,他从此就与物理学研究结下不解之缘。安东尼奥教授天生似乎为科学而生,科学令他感到兴奋,因为这包含了科研的想象力,启发思考并且做出对社会有益的创造。不久前,他与研究团队刚刚发明了一种新型智能材料,称为“二维电解质”(2D-electrolytes),该成果于今年5月12日发表在《先进材料》(Advanced Materials)刊物上。

谈及工作,安东尼奥教授毫不掩饰地说,工作带给他的乐趣!“我能够在这里看到一项新产品开发的整个创新的链条。从实验室里基础的研究开始、到开发新产品、最后再把这个产品推向市场。看到新产品诞生于此,这本身就是一件十分有成就感的事情。”

安东尼奥教授顺便介绍了最新研究成果中的智能材料。这种材料具有二维(2D)材料的结构,但表现得像一种电解质,可以将原子在不同溶剂中解离,并产生电荷。此外,这种材料的排列可以受到酸碱值(PH)和温度等外部因素的控制,可以在不需要任何传感器的情况下,对周围的环境变化做出自我调整的反应。

教授以在轮胎的橡胶中使用这种材料做举例说明。当在行驶过程中遇到雨雪天气,轮胎与地面的附着力就会发生改变。在正常情况下,为了确保安全行车,司机必须停下来更换合适的轮胎。但如果在轮胎中加入‘二维电解质’这种智能材料后,通过自动调整轮胎对路面上的沥青的反应方式,就可以增强轮胎的抓地力,保证汽车的制动性。

除此之外,这种智能材料也可以应用于生活中更广泛的领域。教授介绍了更多的运用场景,用于设计可自愈合的手机屏幕、形状变化的飞机机翼,以及用于有针对性的药物输送。尤其是在医学领域,对于癌症患者而言,使用这种智能材料可以将药物运送到体内的癌细胞部位,因为智能材料只在检测到癌细胞存在时才会释放药物的有效载荷,从而不会影响到健康的细胞。

“目前,我们计划建立一个新的研究所——功能性智能材料研究所(Institute for Functional Intelligent Materials),旨在研究智能型新材料的应用场景。而‘二维电解质’的发明与应用将成为我们的第一个项目。这个研究所将由我与获得2010年物理学诺贝尔奖的诺沃肖洛夫教授(Konstantin Novoselov)联合领导,目标是利用人工智能和机器学习去创造这些新材料。”安东尼奥教授说道。

10月7日,国大功能智能材料研究院在教育部长陈振声的见证下正式揭幕。

国大功能智能材料研究院是全球首个致力于设计、综合和运用功能智能材料的研究院。根据教育部文告,这是本地的第六所卓越研究中心(Research Centre of Excellence),也是在新加坡国立大学设立的第四所卓越研究中心。

据了解,新加坡教育部为该研究院提供了1亿新元的核心资金,国大也为其提供了1亿新元的相应投资,作为其在10年内的研发经费。

为国大引入诺奖得主

谈及诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)教授,安东尼奥教授露出了亲切而自豪的笑容。原来这两位教授不仅是学术战友,也是相识17年的“死党”朋友。

在安东尼奥教授2008年移居新加坡后,他自然没有忘记他的朋友诺沃肖洛夫。于是,他力邀好友来新加坡和他一起工作。2010年,诺沃肖洛夫教授获得了诺贝尔物理学奖。安东尼奥教授为朋友高兴之余,又等了几年,直到2019年,诺沃肖洛夫正式加入新加坡国立大学的材料系,并在安东尼奥教授管理的先进二维材料中心从事研究工作,这使得新加坡国立大学成为本地首个拥有诺奖得主的大学。

谈及诺沃肖洛夫教授的诺奖研究,这位“石墨烯教父”分享了这个伟大发现背后的故事。在诺沃肖洛夫教授2010年发现石墨烯(graphene)之前,尽管石墨烯已经被科学家广泛熟知,但它始终被认为是一种假设性的结构,原因是石墨烯是难以剥离出单层结构而独立存在的。

早在2004年,当时还是曼彻斯特大学研究员的诺沃肖洛夫与其导师安德烈·海姆(Sir Andre Konstantin Geim)以非常偶然的方式从石墨中分离出了石墨烯,证明了石墨烯是可以单独存在的。在2010年获得诺贝尔奖时,诺沃肖洛夫只有36岁,是1971年至今最年轻的诺贝尔物理学奖得主,也是1992年以来最年轻的诺贝尔奖得奖者。

正所谓伟大的发现往往出自平凡,但偏偏平凡却能造就伟大。石墨烯这个被誉为是“改变了21世纪的材料”,竟是两位科学家通过“撕胶带”这样“朴素”的方法获得的。2004年,海姆和诺沃肖洛夫领导的研究小组,将石墨片黏在两片特殊的胶带之间,撕开胶带,石墨片就被减薄,一分为二。如此反复操作,薄片越来越薄,最终,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。

石墨烯是二维材料的代表,由于它的轻薄小巧,灵敏度高,在力学、光学、磁学等领域具有重要性能,被认为是“智能材料”。石墨烯中的导电电子能在晶格中高速无障碍地移动,远远超过了电子在金属导体或半导体中的移动速度。还有,其导热性、光学特性、溶解性和熔点都表现优秀。因此,在电子、航天军工、生物、新能源、半导体等领域都存在应用潜力。

这样一种接近“完美”的材料,其生产与制备的成本如何呢?安东尼奥教授透露道,像诺沃肖洛夫教授那样的制备方法提取到的石墨烯质量高,但尺寸较小,且极费人工、成本很高。经过了17年的发展,他们目前已经掌握了最先进的生产方法。

他告诉记者,“现在,我们在新加坡的生产公司每年可以达到12吨的量产规模。从毫克到吨,我们只花费了5年的时间。这是一个巨大的进步。” 

教授也表示,当用户已经习惯传统产业链条,不轻易更换原材料,除非在必须达到政府倡议的节能环保要求的情况时,他们才会选择使用智能新型材料。新型材料的商业和工业化仍有很长的路要走,对大众的教育和推广仍显得重要。

《时代财智》团队参观安东尼奥教授位于大士的生产公司2D Material

大学是创新的摇篮

安东尼奥教授不仅是二维材料行业内深耕多年的科研先驱者,更是集结教书育人、创新创业三重事业于一身的跨界学者。对于下一代的研究者,安东尼奥教授十分鼓励学生们将科研成果商业化。

在他看来,大学的环境具有天然的优势,有最好的人力资源、创业环境,秉着开放式的管理以及对科学技术的支持,也是培养有创新精神的创业家摇篮。“大学不仅要培养工程师与科学家,还要培养企业家,这是绝对必要的。”

从基础科学到创新创业,大学有得天独厚的桥梁连接优势环境。安东尼奥教授表示,这其中包括应用性研究研发新产品,技术产业化和商业化运营。

谈到到技术的产业化,安东尼奥教授透露,他也是2D Materials公司的联合创办人。该公司成立于2017年,公司网站显示,另位联合创办人Ricardo Oliveira教授,也是新加坡国立大学工业发展实验室的经理,诺沃肖洛夫教授担任该公司顾问。教授解释说,虽然他是联合创办人,但是不能直接参加公司的经营管理决策,但是他可以持有股份,从公司成长中分享回报。

2D Material生产石墨烯的独家技术由新加坡国立大学授权,致力于以更具成本效益,产出高质量的石墨烯。据教授介绍,2D Material的石墨烯转换率高达70%。

在教授的带领下,记者亲自参观了这家位于新加坡大士(Tuas)的工厂。这里没有印象中那些黑黑脏脏的石墨,而是清洁有序的生产设备。负责生产的副总裁 Chen Chon Fook介绍到,工厂的生产能力并未受到疫情影响。若以石墨烯市价$10美元/克估算,12吨目标产能的市价为1亿2000万美元。

今年6月,2D Material 与日本双日集团(Sojitz Group)签署投资协议,获得资金用以提高石墨烯产品新应用的生产和开发;7月,又与Extreme E达成协议,在其St Helena轮船上,展开防腐船用涂层材料的测试研究。另一个科技独角兽企业呼之欲出!

栽好梧桐树,凤凰自然来!严谨宽松,设施齐全,政府支持,是新加坡成功吸引到世界顶级发展高端科研,变现技术产能的原因。在访谈的末尾,仍然感受到科学给安东尼奥教授带来意犹未尽的快乐。他说,在这里工作的每一天,他都是开心且充满活力的,因为热爱,让他坚持;也因为热爱,不觉艰辛。“科学令人兴奋,能够从事自己热爱的科研领域,通过科研改变世界,并以此为生,这就是我的人生意义所在。”