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《科学中国人》专栏报道我院院长唐少春在新材料研发与应用领域的探索

发布时间:2024-02-12点击量:36

唐少春 | 科研作线,编织新材料未来蓝图

纳米复合材料被誉为“21世纪的新材料”,因其研发及应用手段均符合国际绿色工业发展和我国可持续发展、生态文明建设的要求,被视作先进绿色化工新材料的绝佳选择。其中,纳米金属/碳复合材料更因兼具纳米尺寸金属与功能碳材料的优势脱颖而出,展现出特殊的光学、热学、催化等功能,成为有机污染物降解、海洋装备长效防腐及光学薄膜、电池性能提升的关键增强材料。然而,传统制备技术难以在纳米尺度上对复合结构、组分和尺寸进行调控,尤其是无法实现在碳球内部生长多种小尺寸金属,这一度成为工业生产和高端产品制造等重要领域的发展瓶颈。南京大学现代工程与应用科学学院教授、海安南京大学高新技术研究院院长唐少春有心破局,自2005年起便专注于金属/碳纳米复合功能材料、纳米改性增强电池隔膜、高性能防腐保温特种涂层、柔性智能响应薄膜等材料的研发与工程应用。

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  面向国家重大发展战略与需求,唐少春积极推进新材料技术与产业的融合,并不断提升自身科研工作的精细化水平,这是他多年来对自己和团队一以贯之的严格要求,也是他眼中“不掉队、不走偏”的必然条件。在国家自然科学基金、国家“973计划”和国家重点研发计划等科研项目的实施完成过程中,他始终展现着专心、细心、耐心,用知识和经验“编织”起了一根根解决行业痛点的“彩线”,在纳米复合材料的发展蓝图上,“绣”出了一幅壮丽而独特的美妙画卷。

 

展开求索实践,找准“落针点”

 

  “科学研究中往往会发现一些非常有趣、让人惊奇的现象,这是一件令人振奋的事情!”当在实验过程中首次观测到金属在微孔碳球内部竟能快速成核、生长成尺寸小于10nm的超细纳米粒子时,唐少春抑制不住地感叹。近20年前的他不会想到,自己能够打通一条与国际报道的传统bottom-up制备法完全相反的技术路径,甚至比传统技术反应速率还提高了两个数量级。谈起取得的突破性成果,唐少春始终保持谦逊的态度。回想起刚开始从事科学研究的时候,缺少科研经费和仪器设备,甚至固定的实验室都没有,但这没有左右他的选择。经年累月水滴石穿,这份数年如一日以“甘坐冷板凳”的精神在行业内扎下根去的科研态度,或许才是唐少春最终凝成突破性成果的关键。

  “我读书时的专业班应该说是‘小而精’的教学模式,学生和教授彼此相熟,老师们认真敬业、严谨的治学态度和执着的求是精神淋漓尽致地展现在我们眼前。一路走来,南京大学宽德养士、至乐成学的育人理念影响我至深,深厚的学科底蕴、多样的学科道路、雄厚的师资力量,良好的学习氛围和开放包容的学术环境也鞭策着我不懈奋斗。”在下定决心常驻母校开展科研探索、教书育人后,唐少春开始了对自身发展方向的思索。

  埋首书海一段时间后,唐少春发现“行胜于言”,“科研不是凭空想象,只有深入行业中去,把问题找准,才能有的放矢、拳脚大展”。自此,他不断求索、反复实验,在材料学浩如烟海的庞杂分支中锚定了无机纳米复合功能颗粒增强涂层研究作为自己科研的“落针点”。十数年磨剑之下,他带领团队发明了超声电沉积、微波液相选择性加热纳米包覆技术,促使二氧化硅负载纳米金属、碳球内嵌纳米金属的结构控制路径开始逐步成形,最终以实现公斤级批量化制备为相关项目暂时画上了句点。

  项目告一段落,但成果影响却十分广泛,国家知识产权局发文称:“此项专利技术既可实现对纳米粒子尺寸、数密度的控制,又能够对粒子在三维空间的分布位置进行调控;产物纯度高,具有独特的层状结构,反应速率快、产率高;反应可控性好,技术适用范围广;并且打破了多金属/碳复合材料结构设计及精准调控制备的技术壁垒,推动了纳米功能材料的技术进步,为锂离子电池隔膜改性提供了强大的技术支撑。”

 

注重科技赋能,磨好“绣花针”

 

  不求所有,但求所用。“如何将成果转化为推动行业发展、国家战略支持的有效力量”,是唐少春一直思考践行的问题,也是他从事科研的终极心愿。通过敏锐的洞察和与企业多年开展横向合作的切实经验,他发现,我国油气储运装备用高端涂层材料其实存在着悬而未决的“卡脖子”问题。“能源安全是工业发展的命脉所在,但我国油气的开采利用,无论是深海输运还是建在沿海的大型储罐,都有着相应的限制因素。”简单而言,就是“防腐”“保温”两个关键词——地表装备难逃太阳暴晒,深海存储无可避免温度骤降,这种“冷热两极”的极端环境消耗的都是油气管道和储罐的“寿限”。

  为减缓宝贵油气资源的损失,无数材料学者埋首攻关,以“铁杵磨成针”般的意志在实验室与科研蓝海里通宵达旦,其中也包含唐少春团队的身影。面向国家战略需求,他们提出了核壳结构相变储能保温填料,利用碳表面丰富的官能团,成功研发出复合球表面改性新技术和防腐胶黏剂,提出了纳米微球改性高耐候性氟碳涂料及超耐候重防腐新型复合涂层,并揭示了纳米颗粒协同增强涂层界面防腐、提升涂层隔热保温的机理。经检测,此类纳米复合涂层的性能指标均优于国内外同类产品,可使油气储运装备全年油气损耗量减少35%以上,大幅提高了涂层和装备表面的附着力、抗冲击、耐腐蚀等性能,对降低资源损耗、减少CO2排放的技术革新及加快碳中和具有重要意义。

  碳纳米复合功能材料的魅力与前景还远不止于此。“在研究可穿戴柔性超级电容器时,我发现碳纳米管薄膜材料的特性在多种材料的衬托下尤为凸显,未来有望在多领域、富有挑战的工程中得以应用。”这本是一种具有特殊结构的一维量子材料,由呈六边形排列的数层到数十层碳原子构成,却具有重量轻和极为特殊的力学、电学、化学性能优势。虽然性能卓越,但克服高效持续制备碳纳米管薄膜的技术难题,还是耗费了唐少春不少工夫。所幸,由他开发的非均相沉淀纳米包覆技术目前已成为一份高分答卷,使生产的超长碳纳米管网络状复合薄膜进一步具备了智能自控温、无惧局部受损、热辐射为主、能耗低等优点。

  “有了新材料,就要有新路径。我渴望为产业发展做些什么。”秉此心愿,唐少春在海拔3000米的云南风场开展了原型试验,为推广这种优质材料应用于防除冰领域而再一次“磨杵成针”。据他透露,现在除冰系统已满足各项应用指标,解决了风电叶片防除冰这一行业的世界性难题,减少了我国内蒙古、云贵高原、西北等地风力发电机因结冰造成的损耗。中国商飞技术团队也与团队开展过多次沟通,就柔性薄膜防除冰技术研发立项开展联合攻关。“如果我们的成果能用在新一代国产大飞机和直升机的机翼除冰上,就可打破西方垄断,为祖国的建设出一份绵薄之力。这比任何鲜花与掌声都更令我欣喜。”唐少春说道。

 

加强统筹协调,用好“穿针法”

 

  作为南京大学现代工程与应用科学学院教授,唐少春在研究工作中持续探索,而2020年,他又迎来了一个新的身份——海安南京大学高新技术研究院院长。这意味着,在完成学校教学、科研任务的同时,他还将勇挑积极推进产教融合的重担,将校地最大协同创新互动效应发挥到极致。

  新的时代任务对唐少春提出了新的要求,即强化统筹能力,形成工作合力。对此,他灵活采用“院企共建,合作共赢”的发展模式,构建政产学研紧密结合的科技创新平台,在平台和高校间“穿针引线”,既为学生创造了更好的实训、从业资源,也为行业解决了发展困境。由于在产学研方面取得的成效,他在3年内便先后获得了南通市优秀科技工作者、实施驱动发展战略先进个人、“科技兴市功臣”等荣誉。

  新材料的研发与应用千变万化,但不变的是科研工作者们科技利民、造福社会的初心。产研融合、实干兴邦,在科研领域上下求索,在细微之处发现问题,需要下功夫才可见真章。正因如此,唐少春立志将永葆“咬定青山不放松”的韧劲和“越是艰险越向前”的勇毅,他说:“逐梦圆梦本就是一程接一程的砥砺奋斗,也是一代又一代人的接续努力,在这种精神的指导下,我们何惧荆棘密布,何惧同担风雨。”


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