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【揭秘云南省重點實驗室】之十一——新材料要靠破舊立新創出來
2019-06-10
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“新材料的科學技術研究是一個永恒變化的課題。”云南省新材料制備與加工重點實驗室主任易健宏說,新材料的研制和應用已成為21世紀最具發展潛力的領域之一。

新材料科學與應用技術數據顯示:2010年,全球新材料市場規模超過4000億美元;2017年,中國新材料產業總產值實現3.1萬億元的利潤,在部分先進基礎材料、關鍵戰略材料、前沿新材料等領域,中國實現了與國際先進水平“并跑”甚至“領跑”。

如果說,鋼鐵和水泥是傳統材料產業的基礎;那么,新材料就是發展戰略性高新技術產業的基石。

隨著科技的發展,新材料的應用領域與日俱增,除了廣泛應用于航空航天等高技術的“高大上”領域,在文體用品、紡織機械、醫療器械、生物工程、建筑材料、化工機械、運輸車輛等“接地氣”的領域也被廣泛應用,一大批來自中國本土的新材料研發行業正在崛起。

云南是礦產資源大省,素有“有色金屬王國”之稱。新材料的研究和發展對云南來說,將對發展云南省高新技術水平,改造和提升傳統產業,實現經濟可持續發展,為云南有色及稀貴金屬等產業發展提供強有力的支持。

“沒有扣子的衣服,再好也穿不了。”易健宏把新材料技術的研發和應用比作是衣服上的“紐扣”,云南有著一件資源豐富的“衣服”,必須配上至關重要的“扣子”。

為充分發揮這顆“扣子”的功能,云南省新材料制備與加工重點實驗室近年來圍繞稀貴金屬材料基礎理論研究,以有色金屬材料先進復合制備與加工技術、新型光電功能材料兩個方向為主線,開展了各類新型高性能稀貴及有色金屬及化合物材料的制備技術研究,為云南的經濟發展提供著源源不斷的“智力支持”。

一代材料,一代產業  用“新材料”解決“老問題”

“稀土永磁材料表面極其簡單,內在卻蘊藏著無數的學科奧秘,窮盡一生的科學研究也不敢說是把它研究通透了。”易健宏認為,做新材料研究也像是在研究人體細胞,是一個不斷篩選的過程。“人體細胞有好有壞,材料分子也是。不是每一個材料分子的項結構都是穩定的,我們在做的僅是選取需要的結構,研究它、控制它,為我所用。”

“現有的硅基太陽能電池只能吸收可見光區域的一部分太陽光,而對于太陽光當中的近紅外和紫外光是利用不到的。”怎樣有效地利用這部分光子?

2015年,結合云南的實際,圍繞省政府材料產業發展目標,實驗室開展了關于稀土發光與新能源材料以及綠色農業方面的研究,大力推進與綠色產業發展密切相關的新材料開發與應用。

進駐在重點實驗室的光電功能材料團隊提出了依據稀土發光材料的上轉換和量子剪裁發光現象,“在太陽能電池的表面與基底上增加適當的光譜調制發光層,對太陽光譜中能量的分布進行調制,使不能直接利用或者被熱能損失浪費的能量得到充分應用,從而在調制太陽能光譜以增強太陽能電池光電轉換效率方面展現出巨大的應用潛力。”

一波接一波的實驗成果涌現,一個又一個的材料科研也在繼續……

“萬物生長靠太陽,植物更是如此。但各種植物在生長過程中所需要的光的波長是不一樣的。”光電功能材料團隊針對云南的特種經濟作物,特別是花卉、三七等植物對光的反應進行了充分研究。

近年,瞄準省政府提出的“三張牌”戰略發展方向,實驗室團隊利用一種叫長余輝的材料對植物進行補光,率先將具有低維結構的長余輝發光材料與LED發光芯片結合起來,創造性地解決了植物日間、夜間不同補光需求的難題,經過補光以后,花卉的花期延長,花苞數量及大小大幅增加,不僅大大降低了產業成本,還產生了很好市場效果。

截至目前,實驗室已充分利用新材料作為光肥介質助力云南特色花卉、中草藥等產業科技化進程,推動云南綠色農業的全面發展。

“古老”技術喚醒材料研究“新途徑”

“粉末冶金是一門既古老又現代的材料新技術。”易健宏說,它是一門制取金屬、非金屬和化合物粉末及其材料的高新科學技術,它能滿足高新技術領域各種特殊環境中使用的特殊材料的要求。

目前,實驗室在材料基因組、稀貴金屬方面,結合云南現有的錫金屬資源開展了一系列以高通量計算技術來研究新材料制備效能的提升,并運用粉末冶金技術在進行零維、二維、三維的材料高通量制備的研究工作。

“不斷開發高性能材料,使云南省的資源優勢變為產業優勢。”易健宏介紹,目前實驗室正朝著高端的錫基焊料研究方向開展探究。“以納米錫粉合成為基礎,開創納米級的錫粉焊料,研制0.1微米以下的粉末,使錫粉焊料的鋪展性提到提升。”

“以前的錫粉分子均是微米級的,開創納米級的錫基焊料成為實驗室的新創項目之一。”易健宏說,材料的制作越精細,技術難度也就越大。那么精細的粉末怎么制作?怎么收集?怎么解決它的團聚與分散?“目前,已經成功攻破了制作與收集的難題,正在著力進行技術攻克的是粉末與有機溶劑的分散和團聚難題。”

易健宏談到:“控制粉末分子生長的速度和時間,其實是一個掌控分子溫度的過程。”同一種材料,溫度越高,粉末分子長大的能力就越大。怎么掌控一個合適的溫度,讓分子的生長具有穩定的溫度區間?目前,針對錫基焊料的分子研究,實驗室發現“球形”的分子能使該種粉末具有更好的穩定性和鋪展性。

“科學研究是一個其路漫漫的過程。”僅是一個“球形”分子結構的研發就花費了實驗室研究團隊3年的研發時間。“成千上萬次的觀測、檢測、實驗,運用溫度控制其分子介質比熱,在其冷卻過程中充分高效的收縮體積的過程也是反復進行了無數次。最終確定錫基焊料的球形分子結構具有最好的穩定性,并能在其材料運用中發揮它的高性能和附著性能。”目前,該項技術還處于進一步的完善研發過程中。

“材料科學是沒有邊界的學科,它永遠有提升的空間,它永遠給予科學家紛至沓來的挑戰,并激發他們源源的科學熱情。”

易健宏說,歲月不老,科研奮斗事業就不息。材料學研究不僅要在基礎研究方面緊跟國際學術前沿,圍繞國民經濟發展和國防建設重大需求開展前沿性基礎研究;還要將科研成果轉化為產品,在科研成果產業化方面扎的深,做的好。

云南是有色資源王國,鉛、鋅、錫及磷礦的保有資源儲量在全國具有絕對優勢,有色金屬資源儲量也位于全國前列。

“然而,云南面臨的問題是如何把資源優勢轉化為產業優勢?”易健宏說,這種轉化要依靠技術、依靠創新和依靠人才。近年來,實驗室在新材料研究方面培養了一批人才,組建了一支研究隊伍,凝練出一些研發項目。

未來三年,重點實驗室將進一步調整、整合現有學科資源和科研力量,加強學科間的融合與交叉,加強校內學科基地、重點實驗室與國內外著名大學、科研機構和大型企業集團的聯合,形成具有研究特色鮮明、科研競爭實力雄厚的實驗基地,通過不斷提高重點實驗室的科學研究和科技創新整體水平,增強服務地方經濟社會發展的能力。

與科學家聊一聊

“至傻方入境,平淡本為真”這是易健宏時常用來勉勵學生,也是用來勉勵自己的話語。“科學研究要做就做到癡迷的程度,方能進入真正的學有所用的境界;而做人,要做平淡謙和的人,與人相處。”易健宏這么說,也身體力行一直這么做。

從事材料學研究37年,易健宏仍然對材料科學研究抱有極大的熱情。最初的科學啟蒙是在初二的物理課上,一題“求水下冰山體積”的練習題讓他對未知的科學世界充滿了好奇,激發了對科學的興趣。

“用已知的探索未知的,這就是材料科學如今正在做的事情。”易健宏說,做科研,用最平凡的話語總結起來就是三個階段:興奮萬分、痛苦萬分、幸福萬分,這是一個從理想到實踐,再從實踐到取得成果的過程。這個過程可能是三年,可能是十年,也可能是30年才能完成。“做科研最關鍵的是要有興趣,有了興趣才能堅持下去。”

干一行愛一行,干一行精一行,易健宏身上還留有當初投身材料學科研究在實驗留下來的高溫濺傷帶來的“印記”。但正如他自己所說:“材料科學這門學科沒有邊界、沒有終點,我也已經做好準備,讓往后的科研歲月‘深陷’其中,既仰望星空,又腳踏實地。

【實驗室名片】

云南省新材料制備與加工重點實驗室19993月經云南省政府批準,依托昆明理工大學建設而成。實驗室的研究方向主要以材料先進復合制備與加工技術和材料微觀設計與成型虛擬仿真為主要研究方向,重點開展金屬材料制備、功能薄膜制備、光電薄膜的Sol-Gel技術、超細微粉固化致密和材料先進加工技術,以及材料微觀設計理論、計算機模擬表征與動力學模擬,凈型成形加工過程虛擬仿真的應用研究。

目前,實驗室已在金屬材料及加工等領域取得了豐碩的研究成果,成果產業化也受到了國內外有關企業、研究院校的高度評價和廣泛關注,成為云南省新材料制備與加工的科技開發、研究、人才培養和國內外新材料科技合作與交流的中心。

重點實驗室目前的在研項目共有14項;十余個課題組進住重點實驗室,其中有國家863計劃項目、國家科技攻關、云南省科技攻關、省基金等18個項目。主要任務是根據國家和云南省的科技發展方針,圍繞國家及地方的發展戰略目標,針對學科發展前沿和國民經濟、社會發展及國家安全的重大科技問題,開展創新性研究。

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