百年清华

他,清华博士,两次战胜命运,发完Nature,再发Nature子刊!

2021-12-29 | 无问西东 | 来源 公号“硕博测试圈”2021-12-19 |

一、研究背景

他叫孙鹏展,清华大学材料学院2012级博士生,师从王昆林教授,主要从事碳纳米材料的制备及性能研究。截至目前,以第一作者身份在国际知名期刊上发表13SCI收录论文,总影响因子大于78,其研究成果受到过2010年诺贝尔物理学奖得主Geim教授的高度好评。先后获得GE基金会科技创新奖、材料领域原创性研究成果奖、清华大学“学术新秀”提名、清华大学博士研究生新生奖学金以及连续两年获得国家奖学金。

这是清华大学官网2015年的记录,后来他去了曼彻斯特大学做博后,就是2010年诺贝尔物理学奖得主Geim教授实验室,堪称石墨烯最强实验室!

查阅最新谷歌学术可以看出,他的h指数已达30,被引3000多次。2020年发表Nature,近日再发Nature Communications

看到这里可能有很多人觉得现在很多回国的大佬也取得了差不多甚至更好的成果,但是今天介绍的孙鹏展不太一样,他没有那么顺风顺水,而是遇到了无数科研人经常遇到的问题,难能可贵的是他面对挫折的精神更值得我们学习。

面对命运的一再捉弄——当他本科阶段就要以第一作者在顶级期刊发表论文时,发现实验出现错误;当他科研一路高歌猛进时却被诊断甲状腺乳头状癌。

在清华读本科三年级的夏天,每天早晨六点准时起床去做实验。科研工作终于有了起色与进展,经历了一个夏天没日没夜的埋头苦干后,他得到了一批优异的数据结果,随即他将撰写的文章投到了应用物理领域的知名期刊应用物理快报(Applied Physics Letters)上。他很快得到了编辑“小修”的反馈。在本科阶段便以第一作者在知名期刊上发表文章,这是莫大的荣誉和诱惑。然而,就在他无意间重复实验时猛然发现,自己的测试手段有问题,先前投出去的结果中有一些竟然是错误的。这种打击如晴天霹雳,他苦心经营了两年的科研工作眼看成为泡影。如果学术之路上的第一篇文章中存在污点,相当于基石没打牢,在今后的发展中随时有可能崩塌。于是,他做出了一个决定:撤稿!

就这样,他的第一篇文章没有了,两年的工作化为了“零”,本科特奖的梦碎了,但是他收获了内心的坦然与问心无愧。

长达两年的“停滞期”,孙鹏展始终坚持自己的热爱,在2012年的一天,他习惯性地浏览世界知名期刊上的最新动态,无意间看到了在《科学》(Science)上发表的2010年诺贝尔物理学奖得主A. K. Geim教授研究组关于氧化石墨烯薄膜传质特性的文章。研究表明,水蒸气可以无阻碍地渗透氧化石墨烯薄膜而其他液体、气体均无法渗透。这篇文章引起了他强烈的好奇心。随即他想,如果水溶液中溶有离子,不同离子的渗透特性如何?带着这个问题,他迅速设计、实施实验,不断地在这一最前沿领域勇往直前,发表了数篇高质量的论文,逐渐奠定了他的研究在该领域的领先位置。

随后,A. K. Geim教授研究组在2014年初发表在Science上的文章中,几处引用了他的文章,并对他的工作给予了高度的评价。在短短不到两年半的时间里,他有令同学们惊讶的科研进展。这源于他在科研上敏锐的嗅觉以及强大的思考能力、分析能力、设计能力与执行力。

然而,看似即将一帆风顺的科研旅程,不幸的事情突然发生了——他被诊断出患有甲状腺乳头状癌。

那段时间,他每天都在求医与科研之间辗转徘徊。终于,在经历一个月之久的排队后,手术日期确定了,随即他入院治疗。

这段经历对他来说,不仅是肉体上的折磨,更是心灵上的煎熬。他无时无刻不在思考,如果手术失败,那么他的父母、新婚的妻子怎么办?

不幸中的万幸是,手术还算成功,但是由于术中插管造成水肿,孙鹏展出现术后暂时性失音。康复期间,他在家休养,由于不能前往实验室继续进行研究工作,只能在家调研文献。偶然一天,他看到了MITJ. C. Grossman教授研究组发表的文章,阐述了通过极其廉价的低温长时间热处理的方法就可以使得氧化石墨烯性能得到大幅提升,而并不改变氧化石墨烯表面的含氧量。

孙鹏展对此表示怀疑,终于,他按耐不住心中的冲动,打电话给北京还没有放假的妻子,在电话中用微弱而又沙哑的声音向妻子传递着需要进行的每一个实验步骤。最终凭借夫妻之间的心有灵犀以及深深的爱意,通过克服沟通障碍以及文理不同专业的屏障,妻子帮助他完成了实验步骤,随后他通过进一步理论分析,结合计算模拟技术,揭示了Grossman研究组的这项研究成果中存在的错误结论。

孙鹏展从手术到完全康复仅仅用了一个多月时间。一个半月后,他带着他的“特别助手”——自己的妻子一同前往美国参加了美国化学会国家年会,并被邀请担任环境化学分会场优秀报告奖的评委。

“宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来”,面对挫折,孙鹏展选择了迎难而上,热爱与坚守,值得我们学习!

下面我们一起来看看孙鹏展博士的代表作。

二、研究成果

尽管只有一个原子厚,但无缺陷石墨烯被认为对所有气体和液体都是完全不可渗透的。这一结论基于理论,并得到实验的支持,实验无法在每秒105106个原子的检测极限内检测到气体透过微米大小的膜。英国曼彻斯特大学诺奖得主A. K. Geim教授、孙鹏展博士等人使用小的石墨烯密封的单晶容器,研究发现无缺陷的石墨烯是不透水的,其精确度比之前的研究高出8-9个数量级。研究人员能够辨别出每小时只有几个氦原子的渗透,这个检测限也适用于除了氢的所有其他测试气体(氖、氮、氧、氩、氪和氙)。尽管氢分子比氦分子大,并且要经历一个更高的能量屏障,但它仍表现出明显的渗透。这异常的结果归因于两阶段的过程,涉及在高催化活性的石墨烯波纹处解离氢气分子,紧随其后的是吸附的氢原子以相对较低的活化能跃迁到石墨烯片的另一侧。该研究工作为二维材料的抗渗性提供了一个关键的参考,从基础研究的角度和它们的潜在应用都具有重要意义。相关研究工作以Limits on gas impermeability of graphene为题发表在国际顶级期刊Nature上。

具有埃级孔的二维晶体被广泛认为是下一代分子分离技术的候选者,该技术旨在提供极高的指数级大选择性和高流速,然而至今没有实验证明有这样的孔。近日,来自英国曼彻斯特大学的Andre K. Geim教授和孙鹏展博士等人通过低强度暴露于低kV电子产生的单个石墨烯孔的气体传输。氦和氢很容易透过这些小孔,而氙和甲烷等较大的物质几乎被阻挡。渗透气体会经历活化势垒,该势垒随分子的动力学直径二次增加,所产生的孔的有效直径估计为2埃,大约缺少一个碳环。这项工作揭示了使用多孔二维膜实现长期追求的指数选择性的严格条件,并对其可能的性能提出了限制。相关研究工作以Exponentially selective molecular sieving through angstrom pores为题发表在国际顶级期刊Nature Communications上。

三、结论与展望

孙鹏展,一位地地道道的东北小伙子,踏实憨厚、幽默风趣,从小学开始,孙鹏展就在做“不符合自己年龄”的事:小学6年级,他就学完了初中三年的英语;初一下学期,他开始做中考的习题;高一下学期,往年的高考试卷便成了他的练习册;高三上学期他已经保送清华大学,下学期时他陪着同学们一起看书,自学大学的课程。

本科的刻苦努力,并没有让孙鹏展收获理想中的成果。他调侃自己本科时“失败是常有的事,成功却一次都没有过”,但这并没有打败孙鹏展,他也从未想过放弃,“我对自己还是很有信心的,我克服困难的能力和心理承受能力都较强。” 对于未来,孙鹏展的规划是“回清华”。“四年本科,四年博士,在这里已经有了家的感觉。”他计划在博士后期间“憋”出一两篇顶级文章,这样才有可能回来,“感觉不回清华就好像没有回家一样。”

孙鹏展博士激励着我们,面对困难不放弃,坚守心中的热爱,祝愿他越来越好,取得更多突破!


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