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专访报道

对话青年学者——仰望星空的张明辉(上海硅所)

来源:分析化学 阅读数:137 时间:2021-05-18 10:03:46

个人简介


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张明辉,博士/课题组副组长/副研究员/硕士生导师。研究方向为新型光通信玻璃材料、空间材料实验装置。2017.9-2018.9在东京工业大学作公派访问学者。入选中科院青年创新促进会、上海市科技启明星人才计划、上海市青年扬帆人才、嘉定区青年英才计划,获得上海市青年岗位能手、全国微重力会议优秀青年论文等荣誉,兼任中国材料研究学会先进无机材料分会副秘书长、中科院青促会化材分会副会长、上海硅酸盐所青促会组长、武汉工程大学校外研究生导师、全国微重力青年委员会副主任、Journal of Advanced Ceramics(SCI二区)编委、上海硅酸盐所晶体中心党支部副书记、上海硅酸盐所团委副书记,曾主持载人航天工程、国家自然基金等14项科研项目。共发表SCI论文33篇,培养研究生6名,申请专利30项,授权15项。


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Q1

能否请您先简单介绍一下您课题组的科研工作?

张明辉:我所在的硅所空间材料课题组,主要从事空间材料实验技术和新型光电材料的研究。

航天工程代表着国家科技水平和经济水平的综合能力,在国防安全、科创中心建设、经济发展领域具有重要的意义。在现代高科技战争中,没有制信息权就没有一切,太空在信息控制方面具有关键作用。航天技术在军事侦察、监视、通信、预警、导航、定位、气象等领域都发挥了非常重要的应用,空间站是航天技术的综合体现,现在正在太空运行的国际空间站由16个国家和地区组织共同建造,在这份长长的名单中,有发达国家,也有发展中国家,然而却没有中国。这让我国的航天人认识到,核心关键技术是换不来也买不到的,中国的航天事业必须要坚定走好独立发展、自主创新之路。因此,在1992年,我国启动了载人航天工程项目,硅所空间材料课题组也伴随着载人航天工程的相关项目而成立。经过几十年的建设,中国自己的空间站预计在2022年完成建设,随着国际空间站在2024年退役,中国空间站将成为唯一在轨长期有人驻守的飞行器,这对我国的航天事业发展和科学研究具有重要意义。材料科学作为一门重要的基础应用科学,在国民经济、国家战略工程等领域具有重要的应用。空间特殊环境对材料科学的研究,具有独特的作用和意义,在空间微重力环境下,材料熔体能够抑制对流、消除分凝、获得无容器效应,能够开发常规技术无法制备的新型材料和特种材料。我国近年来的1000多种新材料中,有80%在空间技术的牵引下研制完成,此外,还有2000多项空间技术应用到了国民经济中。因此,空间是材料科学研究的一片蓝海。


随着我国载人航天工程的启动,为了在空间制备和研究晶体材料,需要适应于空间的晶体生长装置,因此,硅所成立了空间材料课题组,专门研制空间材料实验装备。在工程一期,空间材料课题组研制了多工位晶体生长炉,还设计并研制了多样品综合炉,并完成了SZ-8空间综合材料实验装置的设计。近年来,在中科院空间先导项目和载人航天工程项目的支持下,先后完成了多功能材料合成炉和综合材料实验装置的研制,并随SJ10卫星和TG2空间实验室发射升空,顺利完成了相关材料的空间科学实验。目前,我们正在研制载人空间站的高温材料科学实验柜,获得更强大的空间材料研究能力。在航天发射过程中,实验装备需要经受巨大的力学冲击,空间的能源非常有限,对装备的体积和重量也有很大的约束,要求自动化、安全可靠性好,空间服役的环境严苛,因此,在空间工作的实验装备与地面装备是完全不一样的,在设计上,需要考虑能效比、抗力学设计、高效保温、防止漏热、轻量化、小尺寸等诸多要求,这正是我们需要开展的研究工作。

根据载人航天的材料科学需求,我们开展了高温材料实验技术的系列研究,主要包括高能效加热、微重力保温与传热特性、多样品自动化管理、快速冷却、一管多样、X射线防护与屏蔽等内容,通过几十年的技术攻关,相关研究也从跟踪国外发展了与国外技术并行,甚至是领跑的阶段。

通过多年来对空间环境的研究,为了能够在地面很方便地获得空间的部分特殊效应,并用于材料科学的研究,我们在地面开发了磁场、振动场调控的高温材料实验装置,研制了地面的无容器实验技术。利用这些特殊的实验技术,我们开展了功能晶体、玻璃材料的研究。尤其值得注意的是,利用悬浮无容器激光加热技术,我们开发了一系列常规条件无法获得新型光学玻璃材料。无容器技术是太空探索的成果,能够抑制异质形核、获得深过冷、实现快速凝固,是开发新型亚稳功能材料的有效技术手段。利用无容器技术制备了常规条件无法获得的新型高折射率玻璃,最高可达到2.37,与钻石接近。此外,通过稀土离子掺杂,玻璃还能够获得很强的上转换发光性能,对玻璃的发光机理、应用性能进行了系统研究,并将开展玻璃在温度传感器、光纤放大等领域的应用研究。


Q2

 最初是什么把您吸引到科学领域的呢?有哪些有趣的故事可以和大家分享一下。

张明辉:记得以前在上学的时候,教室的走廊上都会挂着像爱因斯坦、法拉第等科学家的画像和名人名言,每当路过这些画像,我就会想,要是哪一天,我也能像他们一样,那该多好,所以,渐渐地,我就对科学产生了兴趣,想要从事科学研究工作,做一些新事物出来。

在我们从事TG2空间实验室的综合材料实验装置的研究中,我们把各个单机如加热炉、样品管理与运动机构、真空室、控制单元等都已经研制完成,并把它们装配在一起,形成一个整机,开始开展与实验样品的匹配实验。也就是说,项目已经完成了大部分,即将接近研制的末尾阶段。在开展匹配实验过程中,材料样品需要放入一个叫安瓿的装置中,这个主要是由内部的石英玻璃管、外部的薄壁不锈钢套筒和一个提拉头组成,样品放入石英玻璃管中,最外面套上不锈钢套筒。通过自动提拉机构,将样品安瓿放入加热炉中进行加热,待样品完成熔化和凝固后,自动将样品安瓿提拉出加热炉炉膛。在某一次实验过程中,我们发现电机无法把样品安瓿提拉出来。经过详细分析,甚至结合了工业CT的透视,我们发现样品安瓿最外面的不锈钢套筒发生了鼓胀,套筒变形并嵌入进炉膛,与炉膛结构形成了一体,因此,无法提拉出来。我们通过逐一排查原因,发现在固定套筒的过程中,用了一些胶水,用于套筒与石英玻璃管更好地粘附。就是这些胶水,在加热过程中气化,造成套筒鼓胀变形,导致无法将样品安瓿提拉出来。在科学工程项目中,大的技术方向很重要,需要反复打磨,但是,一些小的技术细节,也尤为重要,每一次技术细节的选择、每一步操作,都需要经过思考与推敲,才能避免这样的问题产生。


Q3

您对您目前研究的科研领域的未来发展有何展望?

张明辉:空间是人类对遥远的向往,更有可能是人类未来生存的拓展基地。随着我国载人空间站的建设完成,对空间站相关材料科学实验装置的运行和维护,是需要开展的工作。在经历了空间站的建设之后,深空探测、月球基地、火星探测都将是我国航天人未来的研究重点。随着我国嫦娥系列项目的研究开展,我国对月球研究的技术逐步发展和成熟,对月球的矿物资源、月表形态有了深入的认识之后,将进一步发展可在月球原位工作的资源开发装置,甚至建立月球科考站,这些都离不开相应的材料科学实验装备。因此,空间材料实验装备未来不仅仅要适应微重力环境,还要能够在低重力、超重力等多种复杂环境下工作。基于空间环境的研究,在地面发展多场耦合的新型材料实验技术,能够同步模拟多种空间特殊效应。利用这类实验装备,开展新型材料的探索和研究。

利用悬浮无容器技术制备系列新型光学和发光玻璃,探索玻璃在光功能领域的性能极限。由于玻璃具有非常高的折射率,可用作高性能的球透镜,在激光耦合、手机用微型投影、广角摄像等领域具有非常好的应用前景,可开展相关领域的应用研究。玻璃具有很低的声子能量、良好的热稳定性、很强的力学性能、很高的稀土离子溶解度,能够获得很强的发光性能,基于稀土离子的上转换发光性能,可用于光学温度传感,在强磁场、强腐蚀、高湿度等极端环境下,开展无接触式的高精度测温。利用稀土离子在玻璃中的近红外发光,系统研究在光通信波段的特性,发现具有强发光、宽半高宽等优势,可用于光纤放大器,未来可开展新型块体光纤放大器的应用研究。


Q4

您觉得做科研给您带来最大的改变是什么?科研生涯中有哪些对您产生重要影响的人和事?

明辉:科研不仅要求有创新,更要求严谨细致。通过十多年的科研生涯,让我从一位青春稚嫩的大学生成为一名对科研有执着追求的科技工作者。褪去了青春的些许毛躁,多了一份成长的严谨。科研,增长的不仅仅是知识,更有做人做事的厚重哲学,让人能够沉静下来,认真做好一件事情,做好青春的沉淀。

在我的科研生涯中,我的导师起到了非常好的模范作用。他对待工作非常认真,不仅在大的方向上把握,还对许多细节很认真,甚至对论文的文字表达都做到一丝不苟。此外,他宽于待人、严于律己,给我们做了非常好的表率作用,是我学习的榜样。


Q5

作为导师,您更注重于培养学生哪些方面的能力?您认为优秀的学生应该具备哪些素质?

张明辉:作为导师,我更注重培养学生善于观察现象、善于发现问题、善于独立分析、善于解决问题的能力,也就是形成一个研究回路,自主发现问题、自主独立思考、自主解决问题。在导师科研方向的大框架下,要能够找到自己研究的小方向和新思路。此外,还期待研究生不仅仅要学会解决科研过程中的具体问题,也要学会一些通用工具,更要培养自己的逻辑思维能力。我认为优秀的学生,首先需要做到的是视野要宽广,不仅要看到自己研究内容的东西,也要懂得相关研究方向的知识和发展趋势,把握的住本学科的发展脉络;其次,需要有良好的逻辑思维,工作有条理,思维清楚,具有解决不同问题的能力和基础;第三,能够静下心来做事情,具有良好的自律和自我调节能力,可以排除干扰去做一些事情。


Q6

工作之余您有什么兴趣爱好?您平时如何平衡科研和生活?

张明辉:在工作之余,我喜欢打羽毛球、网球、游泳、跑步和写诗,多培养一些兴趣爱好,不仅可以增添生活的色彩,更是释放工作压力的一个好方法。科研工作固然很忙碌,但是没有效率和质量的工作,不如不做。因此,着重提高工作质量和效率,减少无用功,节省下来的时间,就可以用来为生活增添色彩,也是为下一次工作积攒能量和精力。


Q7

您为什么选择做一名科学家?

张明辉:从学从研,过程很艰苦,也需要很多付出,更需要社会资源的支持,因此,学以致用,将所学的东西转化为生产力,转化为国家和社会所需要的技术,这是我的一项追求。期待将自己学到的关于材料科学、关于航天技术的知识,能够走出实验室,走向应用,这是我做科研的动力,也是我选择从事科研工作的一个重要原因。


Q8

青年科技人才成长需要哪些方面的支持?

张明辉:作为一名青年科研人员,万事开头难,很多事情都处于初创阶段,包括研究方向、研究课题、实验室建设、人员配置等等方面,都需要从头开始。在研究方向方面,如果同领域、同行业的资深专家能够给予一些指点或者研究方向的调整建议,对于青年科研人员来说,至关重要,方向决定了能够走多远,一个好的方向,可以成就一名优秀的科研人员,研究方向的选择,青年人员能够得到资深专家的建议,这是一个非常重要的支持。在研究项目和资源方面,如果所在单位能够给予青年科研人员一定的帮助,包括项目书的撰写指导、申请渠道的拓展等等方面, 这对青年科研人员开展科研来说,帮助很大,能够让研究人员安心开展工作。此外,一定的学术自由,这对青年科研人员的成长来说,也是很有帮助的。青年科研人员的成长成才,是多方面因素综合的结果,但是,更为重要的是科研人员本身的努力与奋斗。只有坚定地、专心地做好科研工作,将所学所获转换为科技生产力,才能够成长为科技人才。


来源:化学通讯