【缘遇恩师藤嶋昭,东渡弟子今日佼】逐梦“石墨烯”——记北京大学博雅讲席教授、中国科学院院士、发展中国家科学院院士、中组部“万人计划”杰出人才刘忠范老师

中日人物往来 2017年10月26日
刘忠范

梦起藤嶋昭研究室——他把“LB膜研究”做成世界级水平

刘忠范1984年10月留学日本,1990年3月获东京大学博士学位;1990年4月至1991年8月、1991年8月至1993年6月,分别在日本东京大学和冈崎国立共同研究机构分子科学研究所从事博士后研究。1993年6月5日回北京大学化学系任教。

从1993年回国到现在,刘忠范院士在北京大学任教已经24年。现在的他已经是中国科学院院士、全国人大代表,身上的头衔数不胜数。时间回溯到1984年10月5日,当时正值改革开放初期,受国家教委公派,刘忠范与其他100余名成绩优异的中国学子赴日本留学。日本横滨国立大学是刘忠范在日本最初的落脚点,在这里经过两年半的学习,取得了硕士学位。

在横滨国立大学,刘忠范的研究方向是生物电化学,这期间虽然在学术上取得了一些成绩,但是离刘忠范想象的科研仍有差距。他想换个新的环境,于是决定离开横滨国立大学,到日本最高学府东京大学继续深造。他慕名找到了日本电化学和光催化领域的知名教授藤嶋昭老师。1987年4月,顺利通过东京大学博士入学考试,刘忠范如愿以偿进入藤嶋昭研究室。在藤嶋昭研究室,刘忠范开启了他真正意义上的学术生涯,这也正是他逐梦开始的地方。

从贫穷落后的中国到发达的日本,刘忠范承载着祖国寄予的厚望和自己对知识的渴望。但在横滨国立大学两年半那段时间里,他总感觉缺少方向感,对自己到底应该从事哪方面研究也毫无把握,这种失落感一直持续到他来到了藤嶋昭研究室。1987年4月,刘忠范来到藤嶋昭研究室,进到实验室首先要做的是选择研究课题。藤嶋老师把他领到一间实验室,指着一台积满灰尘的仪器说:这是LB膜制备设备,现在没人用,你就用它做学位论文吧。就这样,刘忠范就“糊里糊涂”地闯进了LB膜领域。

LB膜研究在当时算是一个很时髦的领域。利用LB膜技术,可以把一种双亲性的分子整齐有序地排列起来。在20世纪80年代,随着分子器件、分子电子学等新兴学科领域的兴起,逐渐受到人们的广泛关注。但是,藤嶋昭实验室的主流研究方向是半导体光电化学,对LB膜领域涉及比较少,先前做LB膜研究的学生已经毕业,刘忠范院士是当时研究室唯一一个研究LB膜的博士生。因此,可以想象,这是一条孤独之旅,充满了挑战和神奇。

藤嶋老师平日里很少具体指导学生实验,在课题刚开始的阶段,藤嶋老师告诉刘忠范多看些文献,看哪个文献比较有意思就重复做一下。就这样,刘忠范阅读了大量的LB膜相关文献,一篇有关偶氮苯LB膜的工作吸引了他的注意。按照藤嶋老师的建议,刘忠范做了重复实验,后来就变成了博士论文的选题。误打误撞的长链偶氮苯分子的LB膜研究让刘忠范感受到了科研工作的无穷乐趣,也给他带来了一个又一个的收获喜悦。他的第三篇文章发表在顶级学术期刊《Nature》上,这项基于偶氮苯LB膜的光电化学信息存储技术引起了人们的广泛关注,富士电视台还做了专门报道。

后来,刘忠范在LB膜领域发表了数十篇高水平科研论文,成为了这个领域名副其实的世界级专家。在2000年德国波茨坦召开的第九届分子有序膜国际会议上,刘忠范应邀做了大会特邀报告。2003年,刘忠范作为大会主席承办了第十届分子有序膜国际会议。多年来,他一直担任该系列国际会议的国际组委会成员。他还与另外两位科学家一道,创立了亚洲有序膜学术会议。在藤嶋研究室,刘忠范真正爱上了科研,是藤嶋老师把他领进了神圣的科学殿堂,让科研成为他一生的事业追求。

刘忠范院士在LB领域发表高水平文章

刘忠范院士在LB领域发表高水平文章

2008年1月8日刘忠范院士在国际会议上做大会报告

2008年1月8日刘忠范院士在国际会议上做大会报告

梦里不知身是客——他与“造梦大师”的深度交集

在刘忠范院士的逐梦过程中,把藤嶋老师比作“造梦大师”一点不假。刘忠范一个个梦想都是藤嶋老师的引导下逐步产生的,而又最终变成现实的。

这里有一个关于啤酒券的故事,20世纪80年代末,正值日本经济如日中天之际,作为知名教授的藤嶋老师经常会收到企业赠送的啤酒券,通常一张啤酒券上有四瓶啤酒。藤嶋老师常常把这些啤酒券送给学生作为激励手段。喜欢喝点儿小酒的刘忠范经常是受益者,“是不是实验不顺利了?给你几张啤酒券找朋友喝酒去吧,回来接着干”,这些看似不经意的鼓励让刘忠范至今仍记忆犹新。

尽管具体的实验指导并不多,但藤嶋老师的学术视野和对科学问题的把握能力堪称学术大师。他对实验数据非常敏感,能够从杂乱无章的数据中发现有价值的线索,鼓励学生向前推进。他会给学生们充分的自由发挥空间,让学生们自己去体会和琢磨,去体会科研的乐趣,找到适合自己的工作和学习方法。在藤嶋研究室里,你感受到的只是科研工作本身的乐趣,而不是其他功利性的东西。在学生们购买实验设备和耗材方面,藤嶋老师也是非常豁达的,总是会尽量满足学生们的需求。

平日里藤嶋老师非常忙,但还是会抽出时间来鼓励学生、帮助学生,尤其是与中国留学生一直亦师亦友,并且这种关系延续至今。博士毕业之后,刘忠范想去美国继续深造。第一次办理赴美签证遭到拒签,理由是有移民倾向。第二次去美国驻东京大使馆签证时,藤嶋老师竟然决定亲自去作证担保,让刘忠范感动万分。尽管依然遭到拒签,藤嶋老师对学生发自内心的关爱和支持却深深刻在刘忠范的记忆里,并影响到他此后一生的为师态度。

签证被两次拒签,刘忠范的美国深造计划被打断,在藤嶋老师的建议下继续留在研究室工作。1991年8月,在藤嶋研究室呆了将近五年的时间后,刘忠范希望换个环境,学点新的东西。于是跟导师提出去日本国立分子科学研究所,追随著名化学家井口洋夫先生从事生物有机半导体材料研究。藤嶋老师尊重了学生的选择,并表示“如果井口洋夫教授不接受你的话,就回来继续做”。后来,刘忠范如愿以偿,在井口洋夫先生指导下开始了新的领域探索。在此期间,他们依然保持密切的联系,藤嶋老师更是毫不吝惜地给予刘忠范力所能及的帮助。

在关键时刻,藤嶋老师总能站在学生的角度考虑问题,给予尽可能的帮助和支持。直至今日,依然深深地影响着刘忠范院士。从日本回国24年来,作为中科院院士、北京大学教授,他的课题组也有不少外国留学生,他亲身体会到由于语言和生活习惯上的差异,在指导留学生上远比本国学生操心。作为知名教授,藤嶋老师能够做到这一点实在难能可贵,尤其亲自陪留学生去大使馆办签证,更是超出常人想象。刘忠范院士至今还记得,每年元月三日下午在藤嶋老师家里的例行聚餐活动,丰盛的日本料理、香醇的日本清酒,有时还有唱歌跳舞的即兴表演,给每个身在异乡的留学生都留下了美好的回忆。

留学期间研究室聚会:藤嶋老师(左一)、刘忠范(右三)

留学期间研究室聚会:藤嶋老师(左一)、刘忠范(右三)

留学期间研究室活动:藤嶋老师(左一)、刘忠范(左三)

留学期间研究室活动:藤嶋老师(左一)、刘忠范(左三)

1993年6月5日,刘忠范从日本回北京大学化学系任教。为支持刘忠范尽快在北大建立起自己的实验室,藤嶋老师与井口洋夫先生一道,赠送了足足一卡车的仪器设备。这在当时几乎是史无前例的事情,引起中国驻日大使馆和原国家教委的高度重视,安排“向阳红号”科学考察船运回了这些先进科研设备。中国驻日大使馆还为刘忠范举行了欢送会,原国家教委留学生司和北京大学相关领导亲自到首都机场迎接。1993年10月底,藤嶋老师还专门在北京大学召开了“中日双边光电智能材料与分子电子学研讨会”,让刘忠范担任会议主席,支持他在中国发展自己的科研事业。藤嶋老师带领数十位日本学者参加会议,还拉了不少会议赞助商出席。这个系列会议一直持续至今,会议规模也从最初的数十人到现在的数百人,已经成为藤嶋老师支持中国弟子发展的一个品牌性学术活动,这些弟子包括姚建年院士、江雷院士、顾忠泽教授、只金芳研究员等等。尽管藤嶋老师事务繁忙,他每次都亲自参加会议,弟子们也都积极参加这个亲情满满的学术聚会。

1998年5月4日北京大学百年校庆撞钟仪式;左起:季羡林、李岭、王选、刘忠范

1998年5月4日北京大学百年校庆撞钟仪式;左起:季羡林、李岭、王选、刘忠范

第一届中日双边光电智能材料与分子电子学研讨会
第一届中日双边光电智能材料与分子电子学研讨会
第一届中日双边光电智能材料与分子电子学研讨会
第一届中日双边光电智能材料与分子电子学研讨会

第一届中日双边光电智能材料与分子电子学研讨会

“梦之队”闪亮登场——他不是一个人在战斗

刘忠范院士身后站着的是一个有梦的团队。

1993年回国之后,刘忠范立即动手组建了自己的科研团队。受藤嶋老师的深刻影响,刘忠范院士特别重视团队文化建设和对学生的培养。每周一次的学术讨论会、新年联欢会、五一春游、还乡团活动等都是团队文化的具体体现。刘忠范对学生的倾心付出结出了累累硕果,从刘忠范研究室走出的学生已经有44位教授或研究员,还有众多的副教授或副研究员,遍及国内外知名学府和科研院所,仅北京大学就有三名教授出自他的门下。这些毕业生很多都已成为业界精英,其中包括4名大千人、7名青年千人、3名万人计划学者、5名杰青、7名优青、4名长江学者等。刘忠范还培养出了一批商业精英,包括8位企业董事长或CEO,其中4人在刘忠范研究室设立了奖学金。这些都传承了藤嶋老师重视人才培养的优良传统。

为了拓宽学生视野,刘忠范院士借助日本振兴科技机构(JST)发起的樱花计划(向中国、东南亚等亚洲国家提供资助,促进亚洲科技交流),与藤嶋昭研究室进一步加强联系。2016年2月,百忙之中抽出时间带领刚刚进入研究室的数名学生到东京理科大学的藤嶋研究室进行学习交流,感受日本的科研文化,让他们学习日本人的学习态度,促进学生们养成好的学习和科研习惯。

在走过二十四年旅程的今天,刘忠范的研究团队已经发展到120人,成为北京大学最大的学术团队,也是享誉世界的纳米碳材料研究团队。这些年来,刘忠范创立了许多个中国第一:第一个跨院系、跨学科的北京大学纳米科学与技术研究中心,第一个北京大学纳米化学研究中心,第一个北京市低维碳材料科学与工程技术研究中心,第一个北京大学-东京大学纳米碳材料卓越创新中心,第一个中国化学会纳米化学专业委员会,第一批中组部万人计划“科学家工作室”。为了强化实用性技术的研发工作,他还创建了北大-凯盛石墨烯研究中心、北大-宝安烯碳科技联合实验室、以及北京石墨烯研究院。刘忠范院士认为,这些成绩的取得都与当年藤嶋老师的精心栽培密不可分。

与梦同飞——他把“石墨烯研究”引向一个更高的高地

石墨烯号称“新材料之王”,是由单层sp2杂化的碳原子堆积而成的二维蜂窝状碳材料。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov使用透明胶带对定向石墨进行反复粘贴与撕开,首次制备出单层石墨烯。石墨烯具有独特的零带隙能带结构,拥有极高的载流子迁移率,导电性能超过金属银,并拥有迄今为止最高的热导率,强度是钢的200倍,被称为“黑金”,是一种具有广阔应用前景的战略新兴材料。两位先驱也因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。从此,石墨烯成为学术界和产业界的新宠,世界范围内兴起了石墨烯的研究热潮。

刘忠范团队是2008年进入石墨烯领域的。在刘忠范院士的办公室里,摆放着石墨烯的结构模型,如今他已经是石墨烯领域鼎鼎有名的大专家了。
石墨烯原材料制备是未来石墨烯产业的基石,也是石墨烯领域的研发重点之一。刘忠范团队是石墨烯薄膜材料生长方面的旗手性角色,在化学气相沉积生长方法研究方面取得了一系列开拓性和引领性成果。

在日本的求学经历让刘忠范院士特别注重脚踏实地地做真正有用的东西。尤其是近些年,中国学术界太过于关注文章,研究成果转化率极低,大多华而不实。刘忠范院士认为,需要尽快改变这种炒作式的科研文化,做点真正有价值的工作,或者对科学本身有用,或者对国计民生有用。日本人做事朴素扎实,能够用心去做对科学或社会有用的东西,这也是日本人过去二十年来诺贝尔奖井喷现象的根源所在。

基础研究的产业化需要时间和耐心,碳纤维的发展史是个典型的例子。从二十世纪七十年代初日本东丽公司开始碳纤维材料的工业量产至今,已经经历了近半个世纪的历史。当初的碳纤维只能做钓鱼竿和高尔夫球杆,而今天的碳纤维则已成为航空航天和国防领域的支撑材料。东丽公司在碳纤维原材料制备方面的不懈努力和坚持是今日碳纤维产业的重要推手。刘忠范院士认为,未来的石墨烯产业将走类似的发展道路,绝非一蹴而就,需要耐心和坚持,尤其需要像东丽公司那样的工匠精神。刘忠范强调,他的团队愿意担当起这个历史重任。他的团队在高端石墨烯薄膜生长方面做出了巨大的努力,也已成为该领域的中流砥柱。2008年以来,刘忠范团队在石墨烯领域突破不断,标号石墨烯薄膜、超洁净石墨烯、超级石墨烯玻璃、超级石墨烯光纤、新一代石墨烯基半导体照明技术等,都代表着石墨烯研究的发展前沿。

刘忠范院士在实验室
刘忠范院士在实验室

刘忠范院士在实验室

刘忠范和他的团队并没有满足于这些实验室研究成果,在推进未来石墨烯产业发展方面也做了大量的探索工作。在北京市政府的支持下,刘忠范推动成立了“北京石墨烯研究院”,打造全球石墨烯创新中心,并亲任院长。研究院十年总投资20亿元人民币,一期实验室面积2万平方米,专职研发人员300人。研究院的定位是,引领未来石墨烯产业的核心技术策源地、政产学研协同创新机制和创新文化建设示范区、以及全球高端人才汇聚地和创业基地,现在已被纳入国家科技创新中心“新型研发机构”试点基地。鉴于产学研有效结合一直是中国高科技产业发展的短板,刘忠范提出了“企业研发代工”的概念。根据这一新的理念,刘忠范在北京石墨烯研究院设置了多个针对特定企业的专业研发团队,担当着该企业的石墨烯应用研发机构的角色。刘忠范表示,这种新的产学研结合模式一方面为研发团队提供了明确具体的应用目标牵引,另一方面也解决了研发成果的产业化落地问题,确保研发人员和企业充分发挥各自的优势,同时也为高技术研发提供稳定的资金支持。北京石墨烯研究院成立不久,就已经产生了巨大的吸盘效应,引起国内外同行们的广泛关注。此外,刘忠范院士还牵头成立了“中关村石墨烯产业联盟”,担任理事长;推动成立了“北京市石墨烯产业创新中心”等等。这些重要举措,为中国未来的石墨烯产业奠定了坚实的基础。

北京石墨烯研究院
北京石墨烯研究院

北京石墨烯研究院

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刘忠范院士出席北京石墨烯创新中心授牌仪式

刘忠范的个人名片:

刘忠范1984年10月留学日本,1990年3月获东京大学博士学位;1990年4月至1991年8月、1991年8月至1993年6月,分别在日本东京大学和冈崎国立共同研究机构分子科学研究所从事博士后研究。1993年6月5日回北京大学化学系任教同年晋升教授。1994年获首批国家自然科学基金杰出人才基金资助,1999年首批受聘“长江学者奖励计划”特聘教授,2013年首批入选中组部“万人计划”杰出人才。主要从事纳米碳材料、二维原子晶体材料和纳米化学研究,在石墨烯、碳纳米管的化学气相沉积生长方法研究领域作出了一系列开拓性和引领性工作,是国际上公认的纳米碳材料代表性研究团队之一。发表SCI检索学术论文500余篇,申请中国发明专利70余项。曾任国家攀登计划(B)、973计划和纳米重大研究计划项目首席科学家、国家自然科学基金“表界面纳米工程学”创新研究群体学术带头人(三期)。

现任北京石墨烯研究院院长、中关村石墨烯产业联盟理事长、中国国际科技促进会副会长、北京大学纳米科学与技术研究中心主任、教育部科技委委员及学风建设委员会副主任和国际合作学部副主任、北京市人民政府专家咨询委员会委员。“物理化学学报”主编、“科学通报”副主编。英国皇家化学会会士、英国物理学会会士、中国微米纳米技术学会会士。

第十二届全国人大代表、九三学社第十三届中央委员会委员和院士工作委员会副主任、北京市九三学社第十三届委员会主任委员。曾任北京市科学技术委员会挂职副主任。

刘忠范院士(右二)获国家科学技术二等奖

刘忠范院士(右二)获国家科学技术二等奖

2013年3月9日刘忠范院士在第十二届全国人大代表团会议上发言

2013年3月9日刘忠范院士在第十二届全国人大代表团会议上发言

文/客观日本编辑部

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