研究在學(xué)科交叉點(diǎn)上開(kāi)啟材料新世界論文

　　材料世界是神奇的。從自然生成的煤到人類(lèi)智慧杰作的電子元件,從廉價(jià)的木材到貴重的金屬,每個(gè)“高大上”的宏偉工程,都有著(zhù)看似“細小微”新型材料的支撐,為我們在絢爛生活中開(kāi)啟“新世界”的大門(mén)。

　　而清華大學(xué)材料學(xué)院教授周濟，則是這樣一位手握“新世界”鑰匙的“魔法師”，他30 余年沉醉于探索新材料的世界里，化“平庸”為“神奇”，將外人眼中的“不可能”變成“可能”。在2016 年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會(huì )上，周濟和他的團隊憑借“非金屬基超常電磁介質(zhì)的原理與構筑”這一項目獲得國家自然科學(xué)獎二等獎。該項目在“超材料與自然材料融合”的思想指導下，借助非金屬材料中豐富的電磁極化機制，初步創(chuàng )建了非金屬基超常介質(zhì)的原理框架和構筑策略，為超常介質(zhì)這類(lèi)新世紀出現的新型材料的系統探索和器件應用提供了新的范式。

　　讓“不可能”成為現實(shí)

　　超常電磁介質(zhì)的探索最初始于20 世紀60 年代前蘇聯(lián)科學(xué)家韋謝拉戈提出的一個(gè)思想實(shí)驗。韋謝拉戈發(fā)現，假如有同時(shí)具備負介電常數和負磁導率的物質(zhì)，世界將會(huì )發(fā)生一系列根本性改變。然而，這類(lèi)“天方夜譚”似的想法在當時(shí)并未得到人們的過(guò)多關(guān)注，此后30 年中也幾乎被人遺忘。直到上世紀90 年代末，一位英國科學(xué)家提出利用金屬人工結構陣列實(shí)現這一想法，并于世紀之交被實(shí)驗驗證，超常電磁介質(zhì)才自此誕生。短短幾年中，這類(lèi)新型人工材料發(fā)展迅速，被評選為材料領(lǐng)域50 年10 項重大突破之一。然而，受制于金屬基體的固有特性，高損耗、各向異性、難以調控，以及光頻材料難于制備成為了困擾此類(lèi)材料發(fā)展的壁壘。

　　作為較早進(jìn)入超常介質(zhì)研究的團隊，周濟說(shuō)，他們一直是“非主流”。團隊在研究之初選擇了一條獨辟蹊徑的路線(xiàn)——利用超材料與自然材料的融合，發(fā)展非金屬基超常電磁介質(zhì)來(lái)解決金屬超構材料面臨的難題。這在當時(shí)的學(xué)術(shù)界看來(lái)，普遍認為“不可能”。然而，歷經(jīng)十余年的努力探索，周濟團隊取得了突破性進(jìn)展。

　　2008 年，在西班牙小鎮潘普洛納，周濟見(jiàn)到了仰慕已久的韋謝拉戈教授，他向其介紹了自己團隊正在進(jìn)行的研究，“老先生聽(tīng)后第一反應是質(zhì)疑，然后是驚愕，最后是連連贊許”，周濟回憶道，“韋謝拉戈教授最初的思路也是在傳統介質(zhì)中實(shí)現超常電磁響應，當時(shí)他和很多專(zhuān)家討論過(guò)，只是最終得出的結論是不可能”。但令韋謝拉戈難以想象的是，他曾經(jīng)被認為“不可能”的這個(gè)想法多年后在一群中國科研者手中成為了現實(shí)。

　　科研原野上碩果累累

　　超常電磁介質(zhì)研究團隊起源于由李龍土院士領(lǐng)導的功能陶瓷研究團隊，目前也是這個(gè)大團隊中的一部分�！袄罾蠋熓且晃粐乐�、包容、思想活躍的學(xué)術(shù)大師，他積極支持和鼓勵我們不斷探索新的研究領(lǐng)域。我們的研究從常規介質(zhì)走到超常介質(zhì)，有應用需求的拓展、學(xué)科方向的演進(jìn)，更有學(xué)術(shù)思想的傳承�！敝軡�說(shuō)。團隊成立之初，資料匱乏是他們遇到的一大難題�！斑@完全是一片沒(méi)有前人涉足的荒漠，需要我們自己動(dòng)手開(kāi)疆擴土�！被貞浧甬斈陮ふ覄�(chuàng )新點(diǎn)的情景，周濟難掩興奮，對于他和團隊來(lái)說(shuō)，這是一段寂寞的旅程，亦是一個(gè)創(chuàng )造樂(lè )趣的過(guò)程。

　　在科研的原野上，辛勤勞作必將收獲豐碩。項目組經(jīng)過(guò)十余年的悉心灌溉，終于收獲了創(chuàng )新的果實(shí)。

　　團隊提出了超構材料與常規材料融合構造非金屬基超常電磁介質(zhì)的原理和方案，突破了金屬基超構材料所固有的高渦流損耗、各向異性、難以調控、以及光頻材料難于制備等困擾其發(fā)展的壁壘;率先研制出多種新型陶瓷基超常電磁介質(zhì)材料與器件，其中部分元器件已經(jīng)獲得實(shí)際應用;成功發(fā)展出了多種可調電磁超常介質(zhì)，突破了困擾超常介質(zhì)器件化的關(guān)鍵難題�；叵肫鹂蒲泄�堅的那段日子，給周濟留下最深印象的是兩條經(jīng)驗：一是學(xué)科交叉，把相關(guān)學(xué)科的精髓原理巧妙應用到本學(xué)科中來(lái);二是要敢于打破常規，嘗試別人認為不可能實(shí)現的目標。

　　十余年間的艱難困苦和心血汗水，周濟視之淡然�！懊课粡氖驴茖W(xué)研究的人，都已經(jīng)習慣了不斷遇到問(wèn)題、不斷解決問(wèn)題、進(jìn)而不斷探索的過(guò)程。在科研中不斷積累經(jīng)驗和加深認知可以幫我們形成大致的方向感，一步一步不斷有所進(jìn)步和發(fā)現�！敝軡�表示。

　　團隊合作助力成功

　　在團隊成員們看來(lái)，項目取得了一些成績(jì)主要得益于清華良好的科學(xué)研究平臺和氛圍、優(yōu)秀的研究群體以及中國材料工程高速發(fā)展所提供的難得機遇和挑戰。這是一個(gè)典型的跨學(xué)科團隊，負責人周濟本科學(xué)電子、碩士學(xué)物理、博士學(xué)化學(xué)，之后轉戰到材料領(lǐng)域多年，團隊中的幾位主要成員也各有所長(cháng)、分工明確——第二完成人趙乾是應用物理學(xué)博士，為介質(zhì)Mie 諧振為基礎的陶瓷超構材料設計與構造作出了主要貢獻;第三完成人李勃是材料學(xué)博士，有效推動(dòng)了可調陶瓷超常介質(zhì)的研究進(jìn)展;第四完成人孫競博有著(zhù)電子學(xué)背景，他率先發(fā)現了一些本征型超常介質(zhì)體系;第五完成人宗瑞隆是化學(xué)背景，創(chuàng )新地提出了利用自下而上的方法制備超常介質(zhì)這一新路線(xiàn)。

　　在討論項目時(shí)，團隊成員打破長(cháng)幼輩分之別，為追求一個(gè)共同的理想常常廢寢忘食、全身心投入。在十余年的科研攻堅階段，項目組不斷有博士生、碩士生加入，他們有的思維活躍、理論分析能力強，有的心思細密、動(dòng)手能力強，大家充分發(fā)揮各自所長(cháng)，擰成一股繩，勁兒往一處使，最終澆灌出了知識創(chuàng )新的“參天大樹(shù)”。而在團隊成員看來(lái)，周濟則是當之無(wú)愧的“靈魂”與“船長(cháng)”�！爸芾蠋熋翡J的科學(xué)思維，綜合物理、化學(xué)、材料以及電子信息的學(xué)科背景，乃至良好的人文素養和辯證的哲學(xué)思維都保證了研究團隊能夠排除各種干擾和追逐熱點(diǎn)的誘惑，沿著(zhù)具有特色的研究方向不斷深入挖掘，十余年如一日地專(zhuān)注于在該領(lǐng)域深耕細作，使課題組的工作能夠引領(lǐng)介質(zhì)基超構材料的發(fā)展�！壁w乾表示。談及多年來(lái)從事材料研究的體會(huì )，周濟認為：“做科研，首先要有科學(xué)精神，要有獨立思想。不要盲從文獻，不要迷信權威，也不要有功利目的�！薄爸袊�正在經(jīng)歷從科學(xué)大國向科學(xué)強國的轉折點(diǎn)上，過(guò)去我們做科研總是跟別人的后面做，今后這種跟風(fēng)式的研究已經(jīng)沒(méi)有多大意義了。只有在很多領(lǐng)域都做出原創(chuàng )性成果，才能成為真正意義上的科技強國�！敝軡�說(shuō)。十余年來(lái)，這位在材料戰場(chǎng)里的“老兵”，帶領(lǐng)著(zhù)他的團隊，為“中國材料”走向世界，烙下濃重一筆。然而周濟謙虛地說(shuō)，他和團隊未來(lái)的路還很長(cháng)，還需要不斷探索、探索、再探索，去打開(kāi)更多“新世界”的大門(mén)。

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