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科技要闻
范兴:化学让生活更美妙

他年纪轻轻,却在化学领域,崭露头角。

在之前纤维微电极技术研究的基础上,他研究开发了新型的飞梭编织技术,研发出一种可同时采集两种形式能量的能源织物。这项成果在线发表在国际能源领域的顶级学术刊物《Nature Energy》上,并入选国际顶级学术刊物《Nature》的一周研究亮点专栏。

其后,范兴还将光伏织物与纤维储能元件编织在一起,形成可裁剪的采储一体化织物。这种新型智能织物,就是用来收集太阳光、人体运动、微风吹拂等自然能量,转化成电能的一种可穿戴能源新技术。

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化学的世界是神奇的,重庆大学教授范兴在这个世界里如痴如醉,每个科学家背后都有一个伟大的梦想,范兴的梦想就是用化学改变世界,让人们的生活更美好。

学有所成

说起与化学的结缘,范兴说可以追溯到中学的时候,受到初中化学老师的影响,范兴在高考填志愿时,所填报全部学校的第一志愿均为化学专业。

2000年9月-2004年7月,范兴就读于重庆大学化工学院应用电化学专业,获工学学士学位;2004年9月-2009年7月,他就读于北京大学化学学院高分子专业,硕博连读,跟随导师为著名的邹德春教授,获理学博士学位;2009 年 7 月,他博士毕业后回母校重庆大学工作至今,历任讲师、副教授、教授。

2013 年,范兴被评为教育部新世纪人才;2014年 5 月-2015 年 6 月期间,更赴美国佐治亚理工大学王中林教授课题组做访问学者。

攻读博士期间,范兴主要从事柔性纳米晶光伏电池方面的研究。

传统光伏电池都是平板叠层结构,电极需要为透明材料,其结构类似“玻璃窗”,范兴的研究受到“纱窗”结构的启发,在国际上首次开发出了新型纤维以及织网结构的柔性纳米晶太阳能电池。

这项论文成果最后入选美国化学学会主页的“Noteworthy Chemistry”专栏以及权威学术刊物Nature Materials的“Research highlights”专栏,并获得北京大学优秀博士论文。

范兴说:“我很幸运,总能遇上好的老师。”

从在重庆南开中学幸遇教化学的蒋旭老师开始,再到重庆大学就读本科时遇上了优异生导师陶长元教授,后来在北京大学攻读博士学位时遇到导师邹德春教授,后来国外访学遇到了合作导师王中林教授。

“这些良师一路上对我的扶持和指教是我最宝贵的财富,每当我研究中遇到困难的时候,就常常向这些老师们请教指导。” 范兴说。

再回重大

在回到重庆大学之初,范兴从普通讲师做起,面对资金和人力上的缺乏,抱着一种百折不挠的心理,在教学之余努力从各方面争取支持,并亲自动手设计加工装置,动手改造二手设备、改建实验室等,逐步搭建起实验平台。天道酬勤,他也很快得到了国家自然科学基金、973等项目支持。

回到重庆大学以后,范兴的课题组围绕纤维等高曲率界面上的电反应及多尺度组装,从非线性非平衡态理论源头创新,创新过程强化理论及方法。研究开发了系列纤维基复合新材料,并发展了系列及化学反应过程强化新技术。

一方面,范兴面向传统电化工领域,首先引入纤维微电极等,成功减少电反应中湍流等因素的干扰,系统考察高曲率界面上的电化学振荡及分形自组织行为,进而揭示并调控电反应过程中非线性扩散-反应动力学机制,开发系列电化工过程强化集成技术。

这项研究授权发明专利 16 项,有效提高产品质量、减少能耗及副产物。该成果在重庆武陵锰业、攀钢集团以及广西中信大锰公司等企业推广应用,产生显著经济效益,因此荣获2014年重庆市科技进步奖一等奖。

另一方面,范兴面向新兴智能可穿戴等领域,基于曲面自组装结构的调控,开发系列新型复合纤维基材料,拓展出智能能源织物等新应用。

这些器件具有如同衣服、毛巾等类似的织物形态,可以穿在身上,并采集环境中的光能、机械能等,为随身电子设备供电。

该项研究得到国际学术界广泛关注。先后有多篇论文入选Nature 的“ Research Highlights”专栏、美国化学会的“ACS in the News”专栏等,得到华盛顿邮报、彭博社、Yahoo、科技日报、参考消息等国内外媒体关注,入选 2016 年 Yahoo 评选的“ The9 most impressive social good innovations from October”等。

“织布”发电

去年,范兴在美国《自然·能源》杂志上发表了一篇文章,提出利用“飞梭织布”原理进行发电,这引起了广泛关注。

范兴解释,将新型高分子纤维基太阳能电池与纤维摩擦纳米发电机共同编织,形成了一种单层、轻质、透气、廉价的新型全固态智能可穿戴织物。

该织物不仅可以采集太阳光能,还可以同时将人体运动导致的织物内部纤维机械摩擦转化成电能,从而驱动随身电子设备不间断地工作。基于能源织物,一系列的自供电衣服、窗帘、帐篷等等日常生活中常用的布料物品都可得以实现自供电功能。

实验结果表明,一张长5厘米,宽4厘米的单层织物在户外阳光以及机械运动的共同驱动下,不仅可以给电子表,手机等设备提供持续电能,还可以驱动电解水等电化学反应。此外,这种新型的飞梭织造技术非常利于大规模生产,进一步降低了织物的造价。

“由于该能源织物,具有轻薄,柔软,可穿戴,可折叠,透气性好等优良性质,它将在穿戴电子、人体健康、能源,军事等领域具有宽阔的应用发展前景。” 范兴说。

厚积薄发

早在北京大学攻读博士学位期间,范兴就在导师邹德春教授的指导下,首次在国际上开发出了纤维结构的太阳能电池器件,成果发表在《Advanced Materials》等国际顶级期刊上。

2009年,范兴回重庆大学工作之后,进入化工学院陶长元教授课题团队,在团队的支持和鼓励下,继续深入推进研究。

他先后得到国家科技部973项目的资助(2011-2015,首席科学家邹德春教授),国家自然基金项目资助,2013年后连续两次获得学校中央高校基本业务费重大、重点项目的滚动支持,并有幸入选教育部新世纪人才计划。由于这些项目的资助使得研究由纤维器件向更加面向实用化的织物化新能源器件稳步迈进。太阳能电池织物方面的系列新研究成果还发表在《Advanced Materials》等国际顶级学术期刊上。

2014年5月,范兴有幸到国际纳米领域的顶级专家佐治亚理工的王中林教授课题组访问学习,系统学习了纳米发电机这一有重要应用前景的国际前沿技术。在这期间,范兴和王中林教授共同开发了一种可以贴在手机后盖上将声音能转化为电能的超薄纸基纳米发电机,这一成果2015年发表在国际学术刊物《ACS Nano》上,当时就被New Scientist、Phys.org,Physics News、Science week 等20 多家国外网站报道。

目前,被国内外科技界关注的范兴的新发明——新型智能织物,就是他回国后在前期工作基础上经过一年的共同努力所产生的。

做好老师

科学研究的长久发展离不开对下一代人才的培养,范兴希望学生们在热爱科研的同时,我更多的是培养他们的独立思考能力诚实的科研态度以及做事的责任感等。

因此,在培养学生方面,范兴认为,需要非常有耐心地培养他们的能力,挖掘他们的潜力,期待着有一天他们能够在科研中取得突破的创新成绩。虽然不能总是得到最好的结果,但是学生常常能给老师带来巨大的惊喜。

在学生们的眼中,范兴老师是一个在工作中全身心投入科研,要求严格;而在生活中比较随和的人。工作之余,范兴喜欢电影,音乐。

“我们的研究是典型的多学科交叉问题。这既是挑战,也是机遇。一方面,我们欢迎不同学科背景的学生,我们也注重与其他领域专家学者的交流合作,在这个过程中老师和学生都需要保持不断学习的态度,需要最大程度的打开思维。” 范兴说,此外,不同学科间背景的学者看问题的角度不尽相同,学科的交叉往往能碰撞出更多的火花,也意味着包容并兼。

在范兴看来,一个人的时间和精力总是有限的,不可能同时精通多个领域,寻求更专业的人士进行交流合作是解决科研工作中遇到问题的最快途径。如何将自己的研究方向和成果介绍给相关领域的专家学者,并融入相关专业领域,是发展中必须解决的最大难题。

成果“巧”转

目前,范兴已经顺利结题的项目包括先国家自然基金青年项目、国家973 项目子课题、教育部新世纪人才以及其它省部级项目等。他在研国家自然基金面上项目一项,以及校中央高校基本业务费项目一项,正在顺利推进。

根据范兴自己的研究经历和感受,他认为,科技成果转化有两类:一类是紧贴现有成熟工艺的技术创新与水平提升,比如前面提到我们课题组所研究的化工过程强化技术等。只要能够保持成熟的合作机制和平台。这类技术虽然原创性不强,但是比较容易为企业所接受,能够较快的在企业中得到推广应用,产生实际效益,。

范兴认为,另一类是比较原创性的新原理或技术,比如类似新型智能织物的技术。由于技术往往不成熟,还需要较多的前期投入,因此它们在短时间内往往不容易为一般企业所接受。

“这就需要由有实力的企业进行培育及推动。但是他们是有可能能够带来产业的颠覆性发展,甚至催生新的产业。对于这种技术我们需要保持耐性,因为他们往往会经历从质疑到迷信再到反思的不同阶段,最终才能成为一个成熟应用的技术。” 范兴说。

让范兴感受更为深切的是,在技术推广的过程中,高校研究团队既是技术的源头,也要去做技术推广的主要推手之一。要能让企业知道并愿意接受技术革新,这个是高校团队往往欠缺,却不能不做的。

好奇驱动

在范兴看来,学术交流最大的意义就是能触发灵感,有效推动新的工作。不同团队间的合作往往能够事半功倍。

“比如,我们之前的一个收到关注的可剪裁光能采集及储存织物的工作,就是在会议交流期间,通过非正式交流触发的灵感,当时,我们的光伏织物的工作尚未正式发表,但是会议期间的学术交流,触发了新的灵感,通过合作很快产生了新的成果,后来论文发表后,得到华盛顿邮报、彭博社等媒体关注,入选 2016 年 Yahoo 评选的‘The9 most impressive social good innovations from October’等。” 他说。

在范兴看来,科研总是一个不断克服困难的过程。一方面,越自由共享的学术氛围,越能够促进创新性科研成果的产生,另一方面,面对各种困难,从自身挖掘潜力,积极应对,这些正是老一辈科学家在过去艰苦的环境下,做出各种重要成果的主要根源之一。

对世界始终保留一份好奇之心是支撑范兴这么多年科研下来的主要源动力。

“尽管在很多人眼里是科研枯燥的东西,那是因为他们看到的是不断的重复。” 范兴说,而如果你每次总是能从重复的失败中看到新鲜的东西,你就不会枯燥。当遇到困难时,不要懒于去尝试一些新的东西,可能它刚开始看起来并不一定有效。

未来,范兴说要坚持高曲率界面上的电反应及多尺度组装过程强化方向的研究,希望能够在现有基础上,不断的开发一些新的技术,并逐步推广到实际应用中去。