趙保丹:在鈣鈦礦的世界尋找科學之美

稿源: | 作者: 日期: 2020-10-10

她是2020年達摩院青橙獎唯一的女性得主

90后女孩趙保丹的生活里有兩個世界。

一個是現實的物理世界,她的身份是浙江大學光電科學與工程學院的一名青年教師,梳著利落的短發,生活里喜歡很少女的藍色和粉色、喜歡追劇和胡歌,“方向感不太好,分不清東南西北”,但是能和跟她幾乎同齡的博士生們“打成一片”。

另一個世界由手套箱、蒸鍍儀、器件表征設備、X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、熒光光譜儀、超快激光光譜儀等構成,借助這些普通人難以想象和理解的精密儀器,趙保丹可以走向充滿鈣鈦礦晶體的微觀物理世界。在那里,她的思維和創意以一片片晶體為原點,向外發散、延展,直至科學探索的邊界。

在前一個世界,她是閃閃發光的元氣女孩,談起“理想型”會害羞。在后一個世界,她是暗夜前行的睿智學者,2020達摩院青橙獎唯一的女性得主。在“30而已”的年紀,少女與硬核,毫不費力地共存著。

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站在杭州湖畔大學的會議室里,趙保丹講起鈣鈦礦帶給她的科研故事。

雖然今年剛滿29歲,趙保丹已經有一張非常漂亮的科研成績單。她參與撰寫過20余篇SCI論文、在《自然》《科學》《細胞》系列等世界級科學期刊上共同發表7篇論文;她突破了“鈣鈦礦LED效率”的世界紀錄,還在2019年獲得《麻省理工科技評論》中國區“35歲以下科技創新35人”的稱號。

趙保丹和鈣鈦礦的緣分要從2014年開始。那年,她在南京大學物理系讀完本科,申請到了劍橋大學的博士修讀機會,加入卡文迪許實驗室,導師是世界知名光電物理學教授Richard Friend院士。

很多申請這個研究院的學生都有碩士經歷,趙保丹是個本科生,年紀就比同級入學讀博的同學們小一點,而且,本科階段更重理論而非實驗,僅僅在實驗室做過一年的研究助理,課余時間參與過一些科學研究,但都比較淺顯。

對于搞研究這件事,用她自己的話形容,“完全是一個萌新”。

那時,趙保丹還不知道在光電物理領域,一場新材料的變革已經悄然興起。

2009年,日本科學家宮坂力團隊首次將鈣鈦礦材料用于染料敏化太陽能電池中,作為吸光材料,獲得3.8%的光電轉化效率。這意味著早在1839年就被發現卻一直難以獲得穩定光電轉化效率的鈣鈦礦有了應用的可能性。之后,鈣鈦礦電池成為國內外頂尖高校物理實驗室的研究目標,還入選美國《科學》2013年十大科學突破獎。也為能源、環保和材料等領域的科研人員提供新的研究方向。

2014年,趙保丹所在實驗室的師兄師姐組成的一支課題小組發表了第一篇鈣鈦礦發光二極管的論文,在世界范圍內獲得了關注。也是因為這件事,趙保丹注意到了鈣鈦礦。

作為一種新材料,鈣鈦礦雖然發光特性表現得優異,但真的要投產使用的話,還有很多有待開發和完善的空間。首先,它不夠穩定,最初在實驗室中,鈣鈦礦LED的發光時長經常不超過十秒,如果要實現應用,這個穩定性還遠遠不夠。另外,鈣鈦礦中還存在有毒物質,鉛,必須通過一定的化學物理手段降低這種材料的毒性,才能讓它得到廣泛的應用。

對于大部分卡文迪許實驗室的研究員們來說,鈣鈦礦都是一個幾乎全新的、陌生的領域,雖然有很多還未開發的空間,但“大家對新的課題和方向還是持有懷疑態度”。趙保丹有股初生牛犢的氣勢,她是一個科研新手,理論上大部分課題對她來說都是“新”的。

她決定加入這個課題小組,投入鈣鈦礦發光的研究。

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那是一個遠比她想象得更豐富的世界。

181年前,德國化學家古斯塔夫·羅斯在俄羅斯烏拉爾山探險時,發現了天然礦物鈦酸鈣,這是人類首次發現的第一種鈣鈦礦。趙保丹說,雖然鈣鈦礦名字叫“礦”,實際上是一類晶體結構的總稱,學術界將滿足ABX3化學式結構的、與鈦酸鈣擁有相同晶體結構的物質都叫做鈣鈦礦。

在這個結構式里,A、B、X都可以自由替換,不僅可以是單一離子,還可以是某種有機基團,也就是說,符合這個條件的材料種類是無窮無盡的,對于科研人員來說,鈣鈦礦的豐富性也構成了科研的豐富性。

在熒光顯微鏡下,趙保丹制作出來的鈣鈦礦晶體可以發出各種各樣的顏色,彩虹色色帶上的每一個顏色她都見過。

她經常會想到和Richard Friend院士第一次開會時,導師告訴她的話:“你要多和別人聊天,找到你真正感興趣的事情,劍橋會給你時間、給你自由讓你去做你想做的研究。博士學位是屬于你自己的,你要對你自己的學位負責?!?/p>

在英國讀博的四年,她把大部分時間都貢獻給了實驗室,每天除了吃飯睡覺,她都泡在實驗室里搞科研,是整個實驗室100多個成員里最勤奮的幾個人之一。

部分光學實驗對光的敏感度比較高,科研人員們更傾向于在晚上做實驗,夜晚也更安靜,讓人能更沉下心來思考。趕項目的時候,趙保丹除了看文獻,還曾經連著四五天在實驗室里通宵。

剛到劍橋的時候,趙保丹還是一個看上去比較弱小的中國女孩,她沒有科研經歷,語言上還存在一些障礙,不僅是導師,可能很多人都一度對她沒有特別高的期望。趙保丹的一位師姐曾經特別擔心她在實驗室的狀態,“看上去什么都不會,什么都不懂,怎么適應國外的學術生活?”

但她自己倒是神經大條。和科研萌新合作會比較辛苦,有的人不是那么愿意和沒經驗的博士生一起合作,遇到困難時,趙保丹也總是敢于表達,因此也能得到別人的幫助。在自己的摸索中,趙保丹漸漸找到了科學研究的門路。入學半年后,師姐過來探望她,驚訝于她突飛猛進的成長。

趙保丹在鈣鈦礦領域的第一個代表作,產生于劍橋。她利用鈣鈦礦和聚合物的異質結構,幾乎完全抑制了材料本體和器件界面上的非輻射損失,實現了接近100%的內量子效率。這篇論文撰寫完成后,作為封面論文發表在《自然·光子學》上。

整個研究花了一年半時間,在讀博的第三年,終于問世了。最初看到這些研究數據時,Richard Friend院士表現得非常吃驚,“有一瞬間他可能甚至不相信是我做的”,趙保丹說,“他應該覺得很意外”。

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采訪的過程中,只要聊到科研的話題,趙保丹都表現得極其樂觀。那些讓很多博士生痛苦的論文、畢業、答辯、就業煩惱,好像統統都和她是絕緣的。

倒不是說,她的項目每一個都順風順水。實驗做不出來,效率怎么都提不上去,想了很多辦法依然沒頭緒的日子也有很多,經歷的困難要是真的數也確實很難數清楚,可這些并沒有干擾到趙保丹的心態。

“搞科研就是很快樂?!闭f起這個結論時,趙保丹的語氣會讓你相信她是真誠地熱愛科研。

趙保丹是江蘇人,從小理工科就非常好,喜歡鉆研問題。讀高中的時候,她的數理化成績一直名列前茅。一開始,她最喜歡化學,因為“化學給人感覺很豐富”。到了高三的時候,做題做得多了,她發現化學考試好像更看重細節,“經常給你挖個坑,比如說,寫某個材料的化學式/結構式,一定要看準題目才能做對,規則比較復雜”。

但物理卻給她完全另一種感覺,不僅題目本身是簡潔的,解題到最后,大部分看似復雜的問題都可以指向牛頓三大定律這樣的原理。那種感覺形容起來的話,趙保丹做了一個類比,“就像背古詩,背一首、兩首,后面還有很多。但是物理是,你學得越多,最終統一到很少的幾個公式,反而變得越少?!彼f,“這是很美的一件事”。

發現了這個“奧妙”之后,她物理題做得就越來越快,準確度也非常高。幾乎是在那一刻,趙保丹就決定了大學就選擇了物理方向。

在研究風格上,趙保丹也是比較務實的那一派。南大的物理系就比較注重理論和實踐的結合。而博士生導師Richard Friend院士更是一個把基礎研究和實際應用都做得非常好的科學家,他不僅有學術水平超一流的論文與發明,影響了整個學術界,而且還推動把聚合物光電子器件用于實際應用,推動了產業的發展。

博導是趙保丹最敬佩的科學家。

回國后,趙保丹加入了浙江大學,成為一名年輕的博士生導師。她想延續自己老師的風格,不給學生設限,讓每個人保持對科學的好奇心和創造性。在趙保丹看來,科學是需要創造力的,就像藝術一樣?!翱茖W也需要靈感,需要傾注心血去反復打磨,最終獲得一個完美的作品?!壁w保丹說。

成為博導是一個新的挑戰,她不僅要指導學生,還要管理實驗室,這些構成一個更復雜的系統,需要她在其中組織和協調。以前,她有很多時間自己去做實驗,現在幾乎不能親自泡在實驗室了。但她的科學夢想一直還在。

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8月,趙保丹參加了一場由阿里巴巴達摩院主辦的學術答辯會。9月9日,達摩院對外公布2020年“青橙獎”評選結果——本年度最具科研潛力的10位中國青年科學家。其中唯一的女性就是趙保丹。

青橙獎是達摩院在2018年設立的公益性學術評選,目的是選拔和支持35歲及以下的優秀的中國青年科學家。在科研這個注定只有少數“天選之子”才可踏足的深幽領地,青橙獎名單透露出中國青年學術圈令人望而生畏的金字塔光芒——10位選手,平均年紀31.9歲,“人均履歷”是教授、副教授、研究員,“人均成就”是普通人讀不懂的頂級論文、重大突破和世界紀錄。

趙保丹在鈣鈦礦領域的研究,讓她在20位候選者中脫穎而出。她答辯的時候,候場的選手們屏息聆聽,目露欽佩之意。答辯結束,她覺得與評委們相談甚歡,自己給自己鼓勁:“可可愛愛丹丹子沖鴨!”

在這個看似嚴肅的場合,她也并不掩飾自己的天性,并不擔心她的“少女態”會觸發什么不利于她的社會成見??茖W家是用專業說話的。趙保丹用一個科研版的“女性力量”故事,打破了很多人對科學家的刻板印象。

事實上,出現在青橙獎名單上的新一代中國科學家,都表現出了某種消解成見的“破壁”特性??茖W家不一定兩耳不聞窗外事,山東大學教授聶禮強要求他的博士生“做社會需要的人”,會開車、會做飯、會戀愛,博士畢業之前跑完半馬;研究工業控制軟件的清華大學副教授姜宇,曾經也是認真追劇的“宅宅”,劇目名單上有《捧日之月》、《來自星星的你》、《藍色生死戀》;北大楊詩武曾是湖北黃岡著名的奧數金牌得主,并且成長為了世人想象中的數學家,當他投身深不見底的宇宙和黑洞研究之時,仍然不忘為普天下的“天才”說話:不是每個天才都有義務走科研道路,人最重要的是按自己的而非別人的意愿生活。

達摩院給了每位獲獎者100萬獎金,阿里承諾對他們開放所有科研資源。達摩院院長張建鋒說,達摩院支持青年科研人才不求回報。100萬獎金不一定要投用在科研項目上,想怎么怎么花,科學家們甚至可以拿來買房、付首付、改善生活。

這也是在打破長久以來的社會偏見:做科研的人一定要清苦、要奉獻、要犧牲自我。達摩院說,不是這樣的,人是一切的基礎,作為人的科學家才是社會創新的源動力所在。支持科學家的自我發展,就是支持科研。

對于趙保丹來說,這筆獎金意味著,她在很長一段時間里,不需要為了增加收入而去做自己不喜歡的研究。

在科研的世界里,你做的妥協越少,你離夢想就越近?,F在,全世界的發光二極管知識產權大多被美國、歐洲、日本和韓國壟斷,“研究新興的材料其實也是為了打破這些壟斷,在這個領域中占據知識產權的優勢?!壁w保丹說。

鈣鈦礦的世界還有很多未知等待她去探索。她堅持不懈做好自己,就是做好科研。

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南方人物周刊 2020 第31期 總第649期
出版時間:2020年10月19日
 
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