21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道見習(xí)記者 張偉澤 香港報(bào)道
在科幻小說《三體》中，有一種納米材料“飛刃”，只有頭發(fā)絲1/10大小，卻是小說中搭建太空電梯的關(guān)鍵材料，承載著人類擺脫地球引力的夢想。納米材料似乎蘊(yùn)含著無限的可能。
愛因斯坦曾預(yù)言：“未來科學(xué)的發(fā)展無非是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進(jìn)軍。” 而納米科學(xué)則是人類進(jìn)入微觀領(lǐng)域的鑰匙。納米材料在電子信息、生物醫(yī)藥、新能源、節(jié)能環(huán)保、建筑化工、服裝紡織等領(lǐng)域中顯示出巨大的應(yīng)用潛能。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，預(yù)計(jì)至2024年，我國納米材料產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模將接近2000億元。
“當(dāng)材料的尺寸從米縮小至納米時(shí)，它的物理化學(xué)性質(zhì)會隨之發(fā)生較大的變化。納米材料具有獨(dú)特的物理、化學(xué)、光學(xué)性質(zhì)，可以廣泛應(yīng)用于催化和生物醫(yī)藥等方面。” 香港城市大學(xué)化學(xué)系胡曉明講座教授(納米材料)張華在接受21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道專訪時(shí)表示。
張華是納米材料研究領(lǐng)域的著名學(xué)者，其課題組的研究領(lǐng)域涵蓋多個(gè)前沿交叉學(xué)科。目前聚焦在納米材料相工程（PEN）、精細(xì)多級結(jié)構(gòu)的可控外延生長等。張華不僅當(dāng)選歐洲科學(xué)院外籍院士，同時(shí)也是亞太材料學(xué)院院士，入選“全球最有影響力科學(xué)思想名錄”和“高被引科學(xué)家名單”。
尋找根本不存在的材料
納米技術(shù)是用原子、分子作為基本單元來制造納米尺度物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。張華表示，不同的原子排列以及排列方式的差異會導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的不同，會得到許多不同于常規(guī)材料的結(jié)構(gòu)，這為之后材料性質(zhì)與應(yīng)用的研究提供無限的可能。“我的興趣點(diǎn)在于尋找這個(gè)世界上難以存在或根本不存在的材料。”
1959年12月29日，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在加州理工學(xué)院舉行的美國物理學(xué)會年度會議上發(fā)表對納米技術(shù)的展望演講中提到“底下還大有可為”（There's Plenty of Room at the Bottom）。
張華表示，利用bottom up（自下而上）的合成方法可以得到很多新奇的材料，科學(xué)家可以通過觀察分子和原子組裝形成結(jié)構(gòu)的過程獲得啟發(fā)。
他進(jìn)一步表示，技術(shù)與科學(xué)是交互發(fā)展的，技術(shù)的發(fā)展會為科學(xué)帶來巨大的推動力。觀察原子和分子的組裝就得益于微米和納米尺度的觀察儀器的出現(xiàn)。
在這種自下而上的合成方法的指引下，張華團(tuán)隊(duì)提出了“納米材料相工程”的新理念。“納米材料相工程”是指不同（晶）相的納米材料的合理設(shè)計(jì)、制備以及相轉(zhuǎn)變。材料的結(jié)構(gòu)決定其性質(zhì)，并決定材料的最終應(yīng)用。
“人工智能驅(qū)動的科學(xué)研究”已成為全球人工智能新興前沿。在尋找新材料的過程中，除了科學(xué)家自身的理念和經(jīng)驗(yàn)之外，也可以利用最前沿的人工智能（AI）為其提供幫助。張華曾在論壇中提到，可以利用新興的人工智能進(jìn)行材料的篩選和預(yù)測。張華指出，隨著AI技術(shù)的發(fā)展，未來納米材料領(lǐng)域可以采用AI模擬原子排列的過程，從中得到更多的結(jié)構(gòu)，并由此得到啟發(fā)。如果合成材料性能未達(dá)要求，再利用AI模擬結(jié)構(gòu)、微調(diào)結(jié)構(gòu)，達(dá)到最優(yōu)性能，這將是未來的發(fā)展方向。
創(chuàng)新點(diǎn)總在學(xué)科交叉之處
事實(shí)上，除了人工智能與納米材料領(lǐng)域的結(jié)合，納米科技的發(fā)展也離不開與其他學(xué)科的合作。近些年蓬勃發(fā)展的交叉學(xué)科填補(bǔ)了各門學(xué)科之間邊緣的空白，消除了各學(xué)科的脫節(jié)現(xiàn)象。
物理學(xué)家、量子論的創(chuàng)始人M·普朗克曾表示：“科學(xué)是內(nèi)在的整體，被分解為單獨(dú)的部門不是取決于事物的本質(zhì)，而是取決于人類認(rèn)識能力的局限性。實(shí)際上存在著由物理學(xué)到化學(xué)、通過生物學(xué)和人類學(xué)到社會科學(xué)的鏈條，這是一個(gè)任何一處都不能被打斷的鏈條。”
張華認(rèn)為，每個(gè)學(xué)科都有自身的局限性，各個(gè)學(xué)科之間的合作會產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，這有助于學(xué)科的發(fā)展和創(chuàng)新，交叉點(diǎn)往往是突破和創(chuàng)新之處，這樣也有利于科學(xué)向前發(fā)展。
納米材料領(lǐng)域就涉及很多學(xué)科的交叉，涵蓋了物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，由此衍生出納米毒理學(xué)、納米光學(xué)等多個(gè)學(xué)科。
張華認(rèn)為，現(xiàn)代科研既要做得深也要做得廣。科研細(xì)化意味著研究要更為深入，現(xiàn)代科研需要不停地深入挖掘現(xiàn)象背后的原因，才能獲取具有深度的理解。而學(xué)科之間的交叉本身是一種做得更廣的方式，學(xué)科之間的交叉可以做到合成、表征、應(yīng)用以及機(jī)理解釋等方面。
學(xué)科的交叉也是學(xué)術(shù)思想的交融。張華指出，單個(gè)科學(xué)家的能力是有限的，需要通過合作來互相交融，理解與交流。科學(xué)家在材料科學(xué)研究中所遇到的合成、性質(zhì)測試以及理論計(jì)算等問題都需要與其他科學(xué)家合作完成。這也是與不同學(xué)科的科學(xué)家互相學(xué)習(xí)的過程。不同學(xué)科互相交融所帶來的綜合性會驅(qū)使學(xué)科不斷地發(fā)展。
業(yè)界與學(xué)界需要更多橋梁
跨學(xué)科的合作也為張華帶來豐碩的科研成果。2023年，張華所領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種高效的電催化劑，可大幅提升電催化水分解產(chǎn)生氫氣的效能，這一重大突破對清潔能源產(chǎn)業(yè)具有巨大的應(yīng)用潛力。論文發(fā)表在著名的Nature（自然）期刊上。
張華透露，目前有很多公司正在洽談將這項(xiàng)研究成果進(jìn)行商業(yè)化的事宜。不過他也指出，在實(shí)驗(yàn)室中制備的樣品與真正的工業(yè)應(yīng)用仍有較大差距，還需要商業(yè)公司思考如何將技術(shù)進(jìn)行商業(yè)落地。未來有可能將相關(guān)技術(shù)授權(quán)給企業(yè)，或是支持學(xué)生創(chuàng)辦初創(chuàng)公司。
張華指出，基礎(chǔ)研究最終也希望能夠成為產(chǎn)品造福人類。但科學(xué)家要明確自身定位，要將有限的時(shí)間用于自己最感興趣以及最擅長之處。他認(rèn)為，自己還是更希望聚焦于基礎(chǔ)研究，因?yàn)樾虏牧线@類基礎(chǔ)研究是應(yīng)用的根本。
為了促進(jìn)香港創(chuàng)科發(fā)展，香港特區(qū)政府推出多項(xiàng)措施促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作。2023年，香港特區(qū)政府推出了100億港元的RAISe+產(chǎn)學(xué)研計(jì)劃，以配對方式資助至少100家研究團(tuán)隊(duì)，幫助他們將研究商業(yè)化。
張華指出，其團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行基礎(chǔ)研究時(shí)，會瞄準(zhǔn)一些業(yè)界的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，同時(shí)會將一些有應(yīng)用前景的技術(shù)申請專利。在這個(gè)過程中，基礎(chǔ)研究走在企業(yè)前頭。基礎(chǔ)研究可以以技術(shù)支持的方式支持企業(yè)發(fā)展，通過雙方的溝通和反饋，了解企業(yè)的需求，再不斷改進(jìn)科研。
他表示，在與學(xué)術(shù)界和業(yè)界的溝通過程中，需要有更多的橋梁。一些中介機(jī)構(gòu)可以收集業(yè)界的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，將這些信息匯總與學(xué)術(shù)界溝通，讓學(xué)術(shù)界幫忙解決相關(guān)問題，這樣更能加快技術(shù)的轉(zhuǎn)化。
小材料，大空間
《21世紀(jì)》：很高興您能接受我們的采訪，首先想請問一下，相較于普通的材料，納米材料會有什么樣的特性？目前在我們生活中有怎么樣的運(yùn)用？
張華：納米是一個(gè)長度的單位，相對于米、厘米而言，其大小為10的-9次方米，相當(dāng)于人的一根頭發(fā)絲的六萬分之一。從材料的角度上來說，我們觀察到的都是宏觀的大尺度材料。納米材料在尺寸縮小的過程中，其物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化，相對于bulk材料而言，納米材料具備獨(dú)特的物理化學(xué)光學(xué)性質(zhì)，可廣泛應(yīng)用于催化、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域。
《21世紀(jì)》：能否介紹一下當(dāng)時(shí)為什么會選擇納米材料作為您的研究的領(lǐng)域？
張華：我的研究方向聚焦在材料和化學(xué)，尋找世界上難以存在或者根本不存在的材料是我的研究興趣和方向。隨著科技的發(fā)展，電子顯微鏡等設(shè)備使得觀察納米材料成為可能，從化學(xué)合成的角度，將原子組裝在一起可得到多種新材料。
因?yàn)椴煌脑优帕械姆绞剑斐刹牧辖Y(jié)構(gòu)不同。這讓我們得到了很多不同于我們（已經(jīng)）看見的常規(guī)材料的結(jié)構(gòu)，這些材料有的時(shí)候自然界根本就找不到，或者是難以存在。而原子的排列在常規(guī)的材料中，它的能量最低。這其中有很多可調(diào)的空間，也為我們創(chuàng)造新材料、研究新的功能和性質(zhì)及將來的應(yīng)用帶來了無限可能。
《21世紀(jì)》：在追尋一些世界上本不存在或者難以被發(fā)現(xiàn)的材料時(shí)，是否需要基于原來的研究經(jīng)驗(yàn)來尋求新的思路或配合方式，還是重新開辟其它途徑？
張華：經(jīng)驗(yàn)和知識的積累對研究是有影響的。1959年費(fèi)曼發(fā)表了一篇非常著名的演講，他說“在下面（底部）有足夠的空間”（There’s Plenty of Room at the Bottom），為納米科技的發(fā)展提供了一些前瞻性的思路。技術(shù)和科學(xué)是相互發(fā)展的，技術(shù)的發(fā)展有時(shí)會帶來科學(xué)上的推動。利用觀察微小尺度的儀器，通過實(shí)時(shí)觀察得到經(jīng)驗(yàn)，了解分子和原子如何組裝形成結(jié)構(gòu)，為新材料的合成提供了啟示。這種自下而上的合成方法可以得到許多新奇材料，不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不同性能，為不同應(yīng)用提供了可能。
《21世紀(jì)》：您在2023年北京石墨烯論壇上曾分享過一個(gè)用AI來設(shè)計(jì)新的納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)想，那AI在未來的納米研究領(lǐng)域?qū)缪菀粋€(gè)什么樣的角色？
張華：科學(xué)家對AI的應(yīng)用越來越重視。在納米研究中，通過AI模擬原子排列，預(yù)測可能的結(jié)構(gòu)，在排列過程中可以獲得很多材料，為科學(xué)家提供很多啟發(fā)和指導(dǎo)。如果合成材料性能未達(dá)要求，再利用AI模擬結(jié)構(gòu)、微調(diào)結(jié)構(gòu)，達(dá)到最優(yōu)性能，這是未來的方向。
《21世紀(jì)》：假設(shè)未來某一天AI技術(shù)足夠成熟，是否會出現(xiàn)一整套完全由AI技術(shù)控制主導(dǎo)的流程？
張華：這是可能的，但仍有局限性。如果我們可以建立一套有規(guī)則的系統(tǒng)，那么AI的表現(xiàn)可能更佳。但AI能否通過學(xué)習(xí)再創(chuàng)新，這仍是一個(gè)問號。在深度學(xué)習(xí)方面，需要人類用新的想法來指導(dǎo)AI學(xué)習(xí)再創(chuàng)新，畢竟人腦是最聰明的。但AI完全取代人類目前看起來暫時(shí)不太可能。
學(xué)科交融促進(jìn)發(fā)展
《21世紀(jì)》：很多人說人類的進(jìn)步可能就靠某幾個(gè)科學(xué)家的靈光一現(xiàn)，例如苯環(huán)的發(fā)現(xiàn)、牛頓發(fā)現(xiàn)地吸引力。您的研究其實(shí)跟其他很多學(xué)科，包括產(chǎn)業(yè)都有很大的關(guān)聯(lián)，那么學(xué)科之間的交叉合作會帶來什么樣的意義？
張華：學(xué)科交叉非常重要，物理、化學(xué)、生物的交叉為科學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造了無限可能。每個(gè)學(xué)科都有自己的局限性，各個(gè)學(xué)科之間的合作會產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，有助于學(xué)科的發(fā)展和創(chuàng)新，交叉點(diǎn)往往是突破和創(chuàng)新的地方，這樣也有利于科學(xué)向前發(fā)展。
《21世紀(jì)》：這對于科研人員的專業(yè)要求是否會變得更加嚴(yán)格？
張華：科研人員不可能什么都懂，因此跨學(xué)科合作非常重要。在前沿科學(xué)領(lǐng)域，合作已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象。一篇文章中可能包含很多作者，在學(xué)科交叉的過程中，科學(xué)家可以促進(jìn)交流，互相學(xué)習(xí)，產(chǎn)生突破點(diǎn)和創(chuàng)新，造福人類。
《21世紀(jì)》：在過去跨學(xué)科的合作中是否碰到過一些困難？
張華： 困難是無限的。我們組通常將注意力集中在材料的設(shè)計(jì)與合成上，合成完成后需要對其性質(zhì)進(jìn)行測試與表征，測試其功能與應(yīng)用。最后需要解釋其機(jī)理，有時(shí)還需要進(jìn)行理論計(jì)算。實(shí)際上，這些過程都需要與他人合作。當(dāng)進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，我們經(jīng)常會尋求一些著名的科學(xué)家來進(jìn)行理論計(jì)算和模擬。我們在交叉與合作的過程中相互學(xué)習(xí)，他們也會了解我們先進(jìn)的合成理念，而我們也會學(xué)習(xí)他們通過計(jì)算解釋為何某個(gè)材料具有優(yōu)異性能。這樣的合作可以促使我們不斷改進(jìn)我們的合成手段，獲得更好的材料和性能。
《21世紀(jì)》：一方面是學(xué)科之間的交叉，另一方面是一些領(lǐng)域在不斷地細(xì)化研究方向，這反映了當(dāng)下科研發(fā)展是一個(gè)怎樣的變化？
張華：這反映了科研現(xiàn)在要做得深入又要做得廣。現(xiàn)在的科研需要深入挖掘原因、功能和應(yīng)用，廣泛涉獵合成、表征、應(yīng)用和機(jī)理解釋。
基礎(chǔ)研究是商業(yè)化的技術(shù)支持
《21世紀(jì)》：您在2023年帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用非常規(guī)晶相的納米片合成了一種高效電催化劑，大幅度提升水分解產(chǎn)生氫氣的效能，穩(wěn)定性極為突出。這在清潔能源產(chǎn)業(yè)中有巨大應(yīng)用潛力，能否向我們介紹一下這個(gè)研究？
張華：這項(xiàng)研究基于“納米材料相工程”，設(shè)計(jì)了一種催化劑的載體。作為催化劑的載體，它不僅產(chǎn)氫，可以抓住單原子，高載量的單原子催化劑，同時(shí)它的導(dǎo)電性非常好。由于這種協(xié)同效應(yīng)，就構(gòu)成了符合催化劑的system系統(tǒng)，當(dāng)載體加上單原子催化劑，它的催化劑的性能非常優(yōu)異，這相當(dāng)于我們的“納米材料相工程”的應(yīng)用。
《21世紀(jì)》：對于這項(xiàng)研究未來的商業(yè)前景如何？
張華：如果我們的催化劑能夠成功應(yīng)用于氫能產(chǎn)業(yè)，對氫能發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)將做出重要貢獻(xiàn)。而且，目前已有多家公司與我們洽談這方面的事宜。
《21世紀(jì)》：能否介紹一下這些公司與您商談商業(yè)合作的具體模式？
張華：由于我們主要從事基礎(chǔ)研究，我們能提供技術(shù)支持。我們認(rèn)為催化劑仍需不斷改進(jìn)，因此我們愿意與相關(guān)企業(yè)合作，提供技術(shù)支持或?qū)＠S可。學(xué)生如果有興趣創(chuàng)辦公司，我們也會全力支持。然而，由于我們所使用的是納米材料，實(shí)驗(yàn)室只能生產(chǎn)少量的催化劑，通常只能達(dá)到毫克級。而在真正的工業(yè)應(yīng)用中，可能需要噸級甚至是萬噸級的產(chǎn)量。因此，最終的發(fā)展還需要與業(yè)界的合作伙伴共同思考如何實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。當(dāng)然，我們可以在學(xué)校提供一些技術(shù)支持。
《21世紀(jì)》：目前整個(gè)香港都在積極推動產(chǎn)學(xué)研的轉(zhuǎn)化。有一些人選擇像您一樣將技術(shù)成果提供給企業(yè)，還有一些教授則選擇親自創(chuàng)辦企業(yè)，從事創(chuàng)業(yè)。您對這兩種模式有何看法？
張華：這兩種模式都有其優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際采用哪種方式取決于科學(xué)家自身的定位。個(gè)人的成功在于將時(shí)間投入到自己最感興趣、最擅長的領(lǐng)域。對于喜歡創(chuàng)業(yè)的教授，也是一種嘗試。而我個(gè)人更偏向于專注在基礎(chǔ)研究上，因?yàn)樾虏牧鲜且磺屑夹g(shù)的基礎(chǔ)。擁有了新技術(shù)，再進(jìn)行開發(fā)和利用。當(dāng)然，正如我剛才所提到的，我們可以通過授權(quán)的方式與公司進(jìn)行合作。而對于學(xué)生創(chuàng)業(yè)，我們也會全力支持。
產(chǎn)學(xué)研之間需要橋梁
《21世紀(jì)》：請問您認(rèn)為要如何保持企業(yè)和學(xué)界之間的溝通，以防止一些研究的商業(yè)前景未被發(fā)現(xiàn)？
張華：對于我們認(rèn)為有應(yīng)用前景的基礎(chǔ)研究，我們會申請專利使其公開，同時(shí)在這一過程中瞄準(zhǔn)業(yè)界難題。我們的基礎(chǔ)研究是走在行業(yè)前列，先解決問題。學(xué)術(shù)界需要與企業(yè)保持溝通和合作，在最終與業(yè)界合作落地技術(shù)時(shí)，企業(yè)會將一些技術(shù)的缺點(diǎn)反饋給我們，我們再進(jìn)行改進(jìn)。
《21世紀(jì)》：如何讓業(yè)界發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)研究？
張華：我們通過發(fā)表高質(zhì)量文章、學(xué)校宣傳和專利申請等方式來進(jìn)行宣傳。學(xué)術(shù)報(bào)告時(shí)，也會有業(yè)界人士參加。此外，香港城市大學(xué)的HK Tech 300項(xiàng)目也為學(xué)生提供創(chuàng)業(yè)支持，如一些小額的種子基金，并鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)業(yè)。
《21世紀(jì)》：香港目前正在積極推動創(chuàng)新科技的發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研一體化。您如何評價(jià)香港整體的創(chuàng)新科技環(huán)境？
張華：香港的這個(gè)方向是非常對的，不僅在香港，不僅在大灣區(qū)，全球范圍內(nèi)都是如此。基礎(chǔ)研究經(jīng)過審視后，能夠成為產(chǎn)品造福國家和人類是我們的最終目標(biāo)。在這個(gè)過程中，經(jīng)驗(yàn)的積累是必要的。與業(yè)界更緊密的聯(lián)系也是推動技術(shù)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。政府和代理機(jī)構(gòu)可以充當(dāng)學(xué)界與業(yè)界的橋梁，促進(jìn)雙方更有效地合作。當(dāng)然，我們還需要更多地了解業(yè)界的問題和需求，通過科研嘗試來解決，同時(shí)學(xué)術(shù)界和業(yè)界可以共同合作，比如通過招收博士生、碩士生，或者企業(yè)博士后來解決這些問題。
（實(shí)習(xí)生管黃燊儀 李佳璐對本文亦有貢獻(xiàn)）
策劃：于曉娜
記者：張偉澤
監(jiān)制：朱麗娜
編輯：朱麗娜 李艷霞
審校：周炎炎
設(shè)計(jì)：白宇航 黃丹虹
視頻制作：袁思杰 張偉澤 實(shí)習(xí)生李菁 林捷欣
新媒體統(tǒng)籌：丁青云 梁俊斌 曾靜嬌
海外運(yùn)營監(jiān)制: 黃燕淑
出品：南方財(cái)經(jīng)全媒體集團(tuán)
本文鏈接：“港”創(chuàng)科25人丨專訪香港城市大學(xué)化學(xué)系講座教授張華：現(xiàn)代科研要兼顧廣度和深度http://www.sq15.cn/show-1-3754-0.html
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