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发nature 这位博士小姐姐又美又飒,发完Science发Nature

2010年10月5日,诺贝尔物理学奖揭晓,曼彻斯特大学的科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因其对石墨烯的贡献而获奖。此后,石墨烯迅速成为科学研究的焦点。那一年,西南交通大学材料科学与工程学院的大二学生杨千,从没想过自己有一天会加入诺贝尔奖获得者安德烈·海姆的团队。杨千,土元西南交通

2010年10月5日,诺贝尔物理学奖揭晓,曼彻斯特大学的科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因其对石墨烯的贡献而获奖。此后,石墨烯迅速成为科学研究的焦点。那一年,西南交通大学材料科学与工程学院的大二学生杨千,从没想过自己有一天会加入诺贝尔奖获得者安德烈·海姆的团队。

杨千,土元西南交通大学新闻网

七年后的2017年,当时的杨千绝不会想到自己的名字也能登上国际顶级期刊《科学》和《自然材料》。“埃尺度载玻片上离子输运的尺寸效应”对他的母校意义重大。正如时任西南交通大学校长的徐飞在会上所说:“这是一件载入史册的事情”。这标志着该校在国际三大期刊中的“零突破”。

2020年12月10日,西南交通大学博士研究生杨千作为第一作者,在国际顶级学术期刊《自然》上发表了题为《原子尺度凝结下的毛细凝结》的文章。他研究并报道了纳米约束毛细凝聚的新理论,修正了传统的开尔文公式,更好地描述了亚纳米尺度的毛细凝聚现象,为解决毛细凝聚百年难题提供了解决方案。

这位打破西南交大历史,出版了第一本《科学》,最近又出版了《自然》的美丽博士和姐姐,走的是怎样的科研道路和感悟?

01

“零突破”记载于西南交通大学编年史

据西南交通大学新闻网报道,2017年10月,杨千参与的论文《埃尺度狭缝离子输运中的尺寸效应》在国际顶级学术期刊《科学》上发表,实现了西南交通大学的“零突破”。该研究由西南交通大学名誉教授和曼彻斯特大学安德烈·海姆教授领导。11月13日,西南交通大学博士生杨千的一篇题为《精密分子筛和超快速溶剂渗透的超快速基膜》的文章首次在《自然》杂志(Nature Materials)副刊上发表,发现了一种基于氧化石墨烯的高通量分子分离膜。杨千介绍说,这两项成果主要在英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所完成,研究持续了两年。正如时任党委副书记、大学校长徐飞在西南交通大学国际化工作会议上所说,这是“一件名垂青史的事情”。这标志着该校在国际三大期刊中的“零突破”。

02

《熊猫女孩》坦言:

“薄一波两岁的时候,科研不是很自信,羡慕别人发文章。”

西南交通大学材料科学与工程专业2013届毕业生杨千作为我校材料科学学院周作万教授的直系学生,以第一份专业成果开展碳基纳米材料研究。2015年1月22-24日,应周作万邀请,诺贝尔奖获得者安德烈·海姆教授访问交通大学,并被聘为西南交通大学名誉教授。在安德烈·海姆教授访问期间,学校提出派一名同学去曼彻斯特大学进行联合培训。杨千凭借其出色的英语基础和专业知识成功获得了这一资格,并获得了国家奖学金委员会和国家自然科学基金的资助。同年9月,杨千前往曼彻斯特大学安德烈·海姆教授的研究小组进行联合培训,并开始了他在英国的学习时间。

安德烈·海姆教授

“熊猫女孩”!

当杨千来到曼彻斯特大学的实验室时,她发现安德烈·海姆教授亲切地叫她,她的同事们似乎都很熟悉这个名字。后来,在与同事的交流中,杨千了解到安德烈·海姆教授非常喜欢中国的熊猫。他从交大访问回国后,多次向同事提到,他不仅在国内看到了熊猫,还带回了一个“熊猫女孩”。在与诺贝尔奖导师一起学习的过程中,杨千深深地感受到导师的思维是活跃而独到的。“他对科研的态度更为享受,长期在这方面的研究让导师的思路更具原创性。”。杨千也觉得实验室拥有一流的设备和优秀的团队,尤其是她身边的同事都很优秀,都处于自律的状态,她会不自觉的想要提升自己。

当杨千在英国学习的时候,

在接受华阳研究生新闻中心采访时,杨千坦言自己对科研没有信心,没有足够的研究思路。看到别人的文章,通常只是羡慕,觉得自己没有机会在顶级学术期刊发表文章。经过该专业顶尖团队两年的科研训练,杨千更了解研究所需要的态度和方法。

“国内和国外的实验室差别不大,硬件设备可能有一定差距,但是科研人员个人能力、科研精神、科研态度都是一样的。真正优秀的科研人员都是很有激情的,追求自己的专业。”杨千谈到了安德烈·海姆教授,“安德烈非常热爱科学研究,这几乎是他的生活和休闲方式之一。不断挑战自我,超越自我,与同龄人交流竞争,是他的乐趣。"

论文的发表是可喜的,但前期的主要工作是两年的反复实验。杨千说,完成一批样品通常需要十几台设备。经过许多严格的步骤,在这个过程中花费的时间各不相同。运气好的话,一两周就能完成。然而,这个过程经常会遇到许多其他因素,使实验的进展不确定。

杨千在华阳研究生新闻中心的办公室接受了采访

“制备石墨烯需要三到五天,而且量很小。如果实验过程中出现样品污染等问题,整个实验就要重新开始。我做了大概一个星期,发现样本污染的问题,然后整个实验都白费了。”

英国曼彻斯特大学的实验室有顶尖的设备和优秀的团队,为前沿研究成果的萌发创造了条件。“顶级装备可以实现顶级创意。同样重要的是,团队中的每个人都非常致力于自己的工作,互相激励,互相感染。同时,团队成员经常沟通讨论,及时发现和解决问题。同样,优秀专业知识的积累也是极其重要的。只有熟悉了基础知识,才能与文学的积累碰撞出创新的火花。”杨千谈到了在她眼里产生顶级学术论文所需的要素。

她坚信,没有人不付出任何努力就能成就一件大事,惊天动地的力量往往是人所不能及的。大部分普通人往往觉得做科研压力很大,但只要迈出一步,就知道自己心中的大方向是对的。如果他们学会不断修正自己的方法和研究思路,并坚持努力,就能发现世界的多样性,创造出更好的属于我们生活的可能性。

03

运气背后:

"导师周一万教授的鼓励和指导非常重要."

可能有人会说她英语好,成绩好。她很幸运有机会和诺贝尔奖导师一起学习,然后自然发表了高水平的论文。“幸运女神”似乎总是伴随着杨千。真的是这样吗?事实上,机会总是眷顾有准备的人,杨千是有准备的人,而机会来自学校和导师周作万教授。

周作万教授

谈到石墨烯的命运,杨千认为周作万的鼓励和引导至关重要。在大三的“功能高分子材料”专业课上,杨千第一次见到了周作万教授,听他介绍高分子材料的前沿理论和相关科研进展。“周老师的教学让我更好地理解了材料。这些材料的可能性和潜在应用也深深吸引了我。从那以后,我觉得我以后可能会做这件事。”同时,在教学中,周作万注重学生的理解,引导大家在现有知识的基础上进行科研创新。杨千有着良好的学习习惯和自主学习意识,因此更热衷于科学研究。大三后,杨千积极参加学校的SRTP培训项目和学科竞赛,并进入课题组。“接触了一些基础实验训练,了解了实验的基本操作和规范,以及如何查阅文献,找到自己的思路。另外,和实验室的兄弟姐妹交流,让我对科研有了更清晰的认识,养成了对科研的态度。”随着科学研究的一些成果,杨千对科学研究的兴趣越来越大,其研究方向逐渐扩展到石墨烯等材料的前沿热点问题。

毕业时,杨千以本专业第一名的成绩顺利考研,并成功拿到了浙江大学的录取通知书。但想了想,出于对交大实验室的熟悉和成都的习惯,杨千毅然放弃了浙大的机会,选择留在交大,成为周作万的直系学生,开展碳基纳米材料的研究。

至于她的爱人,周·形容她“做事有条不紊,很努力”。他指出,为了进一步提高博士初期的英语能力和职业竞争力,杨千在业余时间努力练习英语。经过半年的努力,她的英语不仅达到了专业学习的要求,而且可以毫无障碍地与同行业的外国朋友交流。

04

再发一次。自然

解决“百年难题”

据西南交通大学官方微报告,12月10日,国际顶级学术期刊《自然》以杨千为第一作者发表了《原子尺度凝结下的毛细凝结》一文,报道了纳米约束毛细凝结的新理论,修正了传统的开尔文公式,使其能够更好地描述亚纳米尺度毛细凝结现象,为解决毛细凝结的百年难题提供了解决方案。西南交通大学前沿科学技术研究所所长、教育部材料科学与工程学院先进材料技术重点实验室教授周作万是本文的合著者。

毛细凝聚是我们从教科书中学到的一种自然现象,通常发生在接触面或多孔材料上,在我们的生活中无处不在,影响着包括摩擦、吸附、润滑、腐蚀等在内的许多重要性质。它在微加工技术、医药、食品加工等许多工业技术的过程中也发挥着重要作用。即使是孩子们在沙滩上玩耍建造的沙堡,也离不开毛细凝聚。毛细凝聚通常用开尔文方程来科学描述,开尔文方程提出已有150多年,能很好地解释大于10 nm的通道中的毛细凝聚,只有人发宽度的千分之一。但是,如果预计在环境湿度下会发生毛细管冷凝,通常需要较小的通道尺寸,这相当于水分子本身的尺寸。在这种情况下,自发凝结通道中只能容纳几层水分子。显然,宏观开尔文方程不能用来解释这种尺寸下的毛细凝聚现象。事实上,开尔文方程在这个尺度上已经没有意义了。例如,当只有几层水分子时,我们不能定义水弯月面的曲率半径,这是开尔文方程中的一个重要参数。然而,长期以来,由于表面粗糙度等实验问题,用于验证开尔文方程适用性的系统难以建立。因此,即使开尔文方程的适用性没有得到充分证明,它仍然被广泛使用。

来自曼彻斯特的研究人员经过长期的努力,利用云母和石墨两种表面原子光滑的二维晶体,在两层晶体之间叠加一定原子层的二维晶体,从而获得表面原子光滑的纳米通道。最小的通道只有一个原子层高,只能容纳一层水分子。这项工作证明开尔文方程即使在这样一个最小的通道中仍然适用。这是一个非常出乎意料的结果,甚至与我们的认知相反,因为在这么小的维度里,甚至水分子的结构都是离散的层状结构。“这让我很惊讶。我们期望的是传统理论会失败,”这篇文章的第一作者杨千博士说。“但这个有100年历史的等式依然成立”;她提到开尔文方程的这种良好适用性也是偶然的。在毛细凝聚发生的纳米通道中,通常会产生超过1000个大气压的负压,超过深海海底的压力。如此巨大的压力可以使通道经历埃级的尺寸调整,从而使通道只能容纳整数层的水分子。正是由于这种微调,开尔文方程在这个尺度上具有广泛的适用性。

“好的理论通常都有这样的特点,它们在应用范围之外仍然是合理的,”张文通信的作者、诺贝尔物理学奖获得者、西南交通大学名誉教授盖姆博士说。“开尔文勋爵是一位伟大的科学家,并有许多伟大的发现,但即使他看到这样的结果,他也可能会感到惊讶。毕竟,他最早的实验是基于毫米尺度的。但事实上,他也预言这是不可能的。因此,我们的工作可以证明开尔文既正确又不正确。”。

04

给同学的信息

在华阳研究生新闻中心的一次采访中,当杨千被问及她可以与研究生分享什么学习建议时,她认为有三点非常重要。首先要打好扎实的理论基础,掌握最基础的知识点,对以后的科研有很大的帮助。其次,如果你想做一件看似“没用”但你喜欢的事,将来会有意想不到的收获,每一次努力都会有回报。再者,要激励自己,规划好自己每天想做的事情,提高效率。

杨千在华阳研究生新闻中心的办公室接受了采访

论文地址:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2978-1

https://science.sciencemag.org/content/358/6362/511

https://www.nature.com/articles/nmat5025

本文由西南交通大学科研硕士和华阳研究生新闻中心整合而成

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