【CC讲坛】李彦：教研相长，突破碳纳米管制备世界难题的中国贡献_风闻

李彦

北京大学化学与分子工程学院教授 

国际碳纳米管系列学术会议指导委员会委员

 CC感悟：

碳基离不开碳纳米管，北京大学李彦团队解决了统一结构的碳纳米管制备这一世界性难题。她说，教研相长，要用最基础的理论去解惑最前沿的科学和思想，引导学生们一起做伟大的创新。

在李彦老师的演讲结束后，有一位朋友提出了这样一个问题：

“今天的芯片都是硅基芯片，在您们的努力下，会不会出现碳基芯片？碳基芯片和硅基芯片它们之间是怎样的一个关系和未来？”

作为客串主持人，我多么希望从李彦老师这样的世界级的科学家嘴里讲出来，卡脖子、弯道超车等等的回答啊。

面对百万在线网友，李彦老师没有口号和煽情，她的回答是科学的、严谨的：

“这是一个非常好的问题，也是我们经常问自己的问题。微电子与人们的生活密切相关，一个手机的芯片中就集成了成百万上千万的晶体管，计算机芯片更是集成了多少个亿的晶体管。

碳作为一个半导体材料，一些性能上显著的优于硅，这是显而易见的。但我的观点是，在信息产业当中，碳和硅是互补的材料。因为世界对硅的研究已经几十年，发展非常的成熟，进入了一个很高的发展水平，如果我们把它完全扔掉，显然不是一个非常经济的选择。

我认为更合理的选择是硅不能够解决的事情，我们用碳去解决。基于碳基的器件，可以去做光互联，可以去做柔性，可以在极端条件底下去使用等等，这都是硅不能够去做到的。

如果我们把硅和碳的特长结合起来，我相信未来的信息产业技术，会有更大的提升。所以对碳基芯片的未来，我是持非常乐观的态度，但是我没有期待它能够真正的替代硅，我希望碳和硅的技术融合发展，这是我期许的未来。”

李彦老师的回答结束后，我也陷入了沉思，CC伙伴的提的问题是高级的，李彦老师的回答是高级的，而我在当时心境是“口号式”的，空喊口号是不能解决科学问题的，负重前行的他们，最不愿的就是“轻飘飘”。

CC讲坛主编 富宇

3’55’’

被众多科学家看好的碳纳米管，因为没有可靠的办法直接制备单一结构纳米管，用于大规模集成系统，发展前景堪忧，看中国科学家如何破解这一难题。

7’25’’

利用扎实的普同化学基础，创新性的设计出具有独特结构的催化剂为模板，来合成单一结构的碳纳米管。

10’55’’

三维结构的催化剂有很多的晶面，如何让它只生长一种纳米管呢？

演讲实录:

作为大学老师，总是有两个职责：一方面是教学，一方面是研究。

过去的二十多年当中，在教学方面，我一直主讲化学专业大一新生的普通化学课程；在科研上，我主要是从事单壁碳纳米管的可控制备研究。我想用我的经历说明这样一个观点：教学和科研是相互支撑的，彼此成就的，这两者是相通相融的，夯实基础、勇于创新、明确目标、百折不挠，都是要做好这两方面工作所具备的要求。

就从我研究的对象碳纳米管说起吧。碳元素是在元素周期表当中，第二周期第四主族的一个元素，这个元素真的是特别的神奇。有人说：“二十世纪如果说是硅的世纪，那么二十一世纪就有可能是碳的世纪。”

这个碳到底神奇在什么地方呢？首先，我们整个的有机生命体系，完全离不开碳，没有碳就没有有机生命体。如果是从材料的角度来说，我们现在日常生活当中，都离不开高分子材料，那么碳也是组成高分子材料的必需元素。碳本身的单质形态，也是特别丰富多彩的，而这些丰富的单质，都是一些非常好的材料。

纳米管是由一个sp²杂化的碳，形成了六元环，这些六元环再连接起来，形成管状的结构，因为这样的一个结构，就赋予了它特别优异的性能，它是一个超轻的、超强的、超稳定的材料。而且具有最好的热导率，最好的载流能力，因此在航空航天、国防、健康、能源，各个方面都有可能应用。

作为一个半导体材料来说，它和硅相比，首先是一个直接带隙半导体。它对电子和空穴的迁移率都非常高，是硅的差不多两个数量级还要高，而且它迁移率是均衡的，这就给我们对它在信息产业当中的运用，产生了很多的期待。所以说碳纳米管，显然是一类主导未来高科技竞争的，一个战略性的材料。

让我们来回顾一下，碳纳米管研究的发展历史：在1991年的时候，日本的科学家饭岛澄男在电镜底下，观测到了一个管状的碳纳米管，那么碳纳米管，就一下子进入了我们所有科学家的视野。在1998年的时候，第一个基于碳纳米管的晶体管做出来了，它优异的性能，立即引起了大家非常广泛的兴趣，甚至于有人认为，它有可能替代硅。国际半导体路线图委员会，就把碳纳米管列到了线路图当中去。

但是很快我们就发现，它遇到了一个瓶颈性的问题，那就是材料的问题。

碳纳米管没有单一结构的这样一个材料，就带来了很大的问题，为什么这么说呢？我们要先从纳米管的结构来说起了，纳米管是一个管状的结构，如果我们把管状的结构打开，把它放到一个石墨烯片上去，描述它的结构的话，把它的管端做一个矢量的分解，得到这两个数，我们用这两个数来描述，来标注纳米管的结构，我们把这个n和m 叫做纳米管的手性指数。如果n和m不一样的话，不光它的几何结构不一样，性质也不一样。

在这里我们在举两个例子：(9,0)纳米管就完全没有带隙，那么(10,0)纳米管就有带隙，所以它就有可能是金属管，有可能是半导体管，这样的话就给我们的应用，带来了很大的麻烦。因此单一结构纳米管的制备，从科学角度来说，它是我们合成化学当中的一个基础问题，从应用角度来说，它是一个巨大的挑战。

要做单一结构纳米管有多难呢？我们可以做这样的一个比喻，如果给了你一些纳米管的样品，实际上就好比是你拿到了一捧沙子，你仔细看，每一粒沙子都是不一样的。现在要把每一粒沙子做得完全一样，显然是非常困难的。所以在我们这个领域当中，就把做单一结构的纳米管看作是，这个领域当中的一个研究的终极目标。当然，它也是一个非常有挑战性的问题。

因为遇到这么一个瓶颈，纳米管的研究就逐渐进入了一个低谷。尤其是在这个节骨眼上，有一种新的材料又出现了，就是石墨烯，很多人纷纷转到石墨烯当中去，大家不停地转向新的材料，不愿意去做那个特别难的，剩下的这些问题，可是这些问题对应用是特别重要的。这个事情就像是我们在吃饭的时候，突然上来了一盘非常肥美的烤鸭，那你旁边的鸡骨头，显然就不会有人再去关注它了。

我是在纳米管研究最高潮的时候，被动地进入这个领域，在这个很多人离开的时候，当然也会去犹豫，我要不要留，我要走还是要留？经过非常慎重的考虑以后，我决定留下来，决定留在这个领域，去啃这个骨头。为什么要下这样一个决心呢？基于两点考虑：第一个考虑是单一结构纳米管的制备是这个领域当中，最关键，最核心的问题，对一个研究者来说，你有机会去解决一个最关键，最核心的问题，实在是很难得的一个机遇；那么另一个方面，在过去的十多年，我们一直在这个领域当中探索，对解决这样一个问题，我们已经形成了一些可能的解决的方案，我们有信心，也有决心，去面对这样一个非常难的问题。

纳米管是怎么合成的呢？最常用的合成方法叫做化学气相沉积法。在这个方法当中，需要用到催化剂，催化剂能够催化碳源裂解，同时就会形成一些碳，这些碳就在催化剂上成核，然后生长成纳米管。因为生长的温度是非常高的，一般在800℃以上，所以在大多数情况底下，金属催化剂纳米颗粒是熔融状态的。

因为催化剂起很关键的作用，很多人都认识到了，要用催化剂来控制纳米管的结构。但是对一个熔融的催化剂来说，它自己都没有形状，怎么能够去控制纳米管的结构呢？大家自然就会想到，要用一个固体的催化剂。经过了很多年的努力以后，用固体的催化剂是不是成功了呢？不是那么的成功，报道的最好的结果也不过是55%。

这个问题怎么去解决呢？我就想到了在我们普通化学当中，讲到催化剂的时候，一定要讲一类特别独特的催化剂，就是酶。酶的催化反应是选择性最高的，这样一个好的选择性来源于哪里呢？来源于酶和反应物之间的，一一识别的作用。酶催化反应的高选择性就给了我们启发，我们认识到，不仅需要一个固态的催化剂，还需要催化剂的结构是非常独特的，这样才能使得纳米管和催化剂的结构的识别作用是一一对应的，才能有选择性。

要选择一类什么样的催化剂呢？我们来看，要求结构独特，这就意味着我们不能选单质金属，因为单质金属的结构太好了，太对称了，那就需要选合金。可是对大部分合金来说，它的结构组成都是不固定的，因此我们就需要一类独特的合金，就是金属间化合物，它是具有确定的结构，和非常好的晶化情况的。从高熔点的要求来说，组成金属间化合物的一个组份，一定要有高的熔点。

因为我常年教普通化学，所以我对元素周期表当中，元素的性质是非常熟悉的。我知道在周期表当中，这些区域的这些元素，它的熔点是很高的，那么这里头的铼、锇、铱，因为是贵金属，很贵，而且形成合金相对来说比较少，所以我们不能选它。铌和钽比较难还原，我们也不能选它。最后我们的目光就落到了钼和钨上，我们最后选择了钨，为什么选钨呢？除了它具有超高的熔点，能够形成金属间化合物以外，还有一个特点就是，它不是纳米管生长催化剂，这对我们来说是非常方便的。

那么保持催化活性的元素选什么呢？在周期表当中铁、钴、镍，是我们最常用的纳米管生长催化剂，在其中我们选择了钴，是因为钴，不仅是一个好的纳米管的生长催化剂，而且它能够跟钨形成一个Co7W6的，低对称性的，三方相的结构。因此我们选择Co7W6就有了高的熔点，有了较低的结构对称性，满足了我们对催化剂设计的要求。

我们进一步来看一看这两种催化剂，就是钴和Co7W6的区别，我们选了一系列不同结构的纳米管，去让它和催化剂结构匹配，就发现对Co7W6来说，只有(12,6)纳米管和它的匹配是近乎完美的，其余的都不怎么匹配。而这个单质钴就不一样了，它的匹配程度都差不多，没有太大的区别，因此我们就知道了，以这样的一个具有独特结构的催化剂为模板，就可以来合成单一结构的碳纳米管。

那么我们选出了这样的一个催化剂，它怎么去可控地制备呢？其实因为钨的高熔点，它的制备还是比较困难的。我又想到了在普通化学当中，我们在讲到钨的时候，一定会介绍钨特别容易和其它的过渡元素形成多酸，在这样一个多酸分子当中，钨和钴是一个均匀混合的状态，而且这个分子是纳米尺度的，这就特别方便让我们把它用作一个前驱体，在非常温和的条件底下，可控地得到纳米晶。所以我们就发展了基于多酸团簇为前驱体的合成方法，要作为一个催化剂，要它作为一个结构模板，一定要有相当的稳定性，在我们生长碳纳米管的条件底下，它的结构是不会改变的。

这个催化剂是不是足够稳定呢？我们就用一种非常高级的技术，叫做环境球差电镜，进行了研究。这个研究就告诉我们，钴这个单质是不稳定的，遇到碳的时候会成碳化钴。但是Co7W6这个催化剂就完全稳定，这样我们就证实了，它非常有可能用来做结构模板，做一个好的催化剂。

似乎已经是万事俱备了，但确实还欠东风。为什么呢？

我刚才提到了，我们是要利用结构匹配，去控制纳米管的结构，可是一个催化剂，作为一个三维的结构，它是有很多晶面的，不同的晶面匹配不同的结构，那就意味着在同一个晶粒当中，都可以长各种各样的管子。我们怎么能够有选择性呢？这的确是一个非常难的问题。

那我们怎么办？只能再回到化学的基本原理当中去找思路，化学热力学和化学动力学，都是我们普通化学教学当中，最核心的内容。化学热力学是从能量的角度去考虑问题，化学动力学是从反应速率，各个方面去考虑问题。我们要把一个化学过程，开发成可用的，我们一定是要从化学热力学和化学动力学，两个角度去做努力，经过协同优化以后，才能找到最佳的条件。

在我们这个体系当中，碳纳米管的结构和催化剂结构匹配，它的能量比较低，这是一个热力学层面的问题。在动力学方面，我们有没有可能找到一些思路，来解决我们刚才提到的难题呢？这里边是有解决的办法的，我们发现不同结构的纳米管，喜欢的供碳条件是不一样的。对(12,6)这么一种管子，它就喜欢很快地多多地供碳。对(16,0)这样一种管子，它就希望慢慢地少一点地供碳。这就是它生长的动力学习性的不同，利用这一点，我们就有可能，来提高它的选择性。

我们就提出了方案：首先我们发展了这么一种，结构独特的催化剂，因为它的结构的独特性，和它结构匹配的纳米管的数量，就大大地下降了；在这个基础上，我们把结构匹配的热力学因素，和生长条件的动力学因素结合起来，让它协同地发生作用，我们就可以得到一个非常高的选择性，这就是我们的方案。用这样一个方法，我们就得到了一系列的、各种各样的、单一结构的、很高选择性的纳米管的样品。

这个工作我们完成了以后，我们再来看一下纳米管研究的发展史。这些评述专家们就认为，我们这个工作提出了这么一种，制备单一结构碳纳米管的方法，实际上就成为了纳米管，逐渐进入一个新的发展期的，一个代表性的贡献。

这个工作发表以后，也引起了很多的回响：美国化学会的化学和工程新闻，就把它列为了当年度的，十大顶尖国际化学研究；英国皇家化学会的机关刊物《化学世界》就引述了美国赖斯大学的Barron教授的一个评述：他认为我们这个催化剂解决了，纳米管可控制备当中的一个难题，它有可能会改变纳米管的产业。

碳纳米管发展，实际上是给我们信息技术带来了更多的可能，它可以和硅基技术融合起来，给我们就更大的能力，去做更好性能的芯片。当然我们知道，离我们真正改变纳米管产业的那天，还非常非常的远，我们只能说万里长征才迈出了第一步，后边还有非常远的很艰难的路去走。

我们这个工作，首先是发展了一类，具有特殊结构的，钨基金属间化合物的催化剂；我们也建立了一种，以多酸团簇为前驱体的，金属间化合物催化剂的制备方法；我们提出了，将这样的一个金属间化合物催化剂，作为一个结构模板来合成碳纳米管；然后利用它的结构模板作用，再加上动力学生长条件的优化协同作用，来实现单一结构的纳米管的可控制备，这就是我们的方案。

无疑在我们这个方案的提出和完成过程当中，普通化学起到了非常重要的作用。它给我们提供了一个基本的理论基础，和我们方法的基础，也为我们的创新工作，提供了有力的支撑，这是毫无疑问的。反过来，我在这个研究当中的这样一些经验积累思想，也成为了我普通化学教学的，非常好的素材，把它应用到课堂当中，就取得了特别良好的教学效果。所以对我来说，教书育人，做科研，就是我工作当中，非常和谐的，美好的二重奏。

对人才培养来说，除了从本科教学以外，另一个侧面当然是研究生的培养。我非常感谢我们课题组的研究生，他们主动地选择跟我去啃这样的硬骨头，当然他们也得到了很好的锻炼。屏幕上这三位年轻人，他们就是因为在跟随我攻读博士学位期间，对我们刚才提到的课题研究的贡献，而跟我一起获得了国家自然科学二等奖。

因为我在教学，教书育人方面的贡献，我也获得了北京大学十佳教师，十佳导师，还有北京市的高等学校教学名师等等，这样一些荣誉称号。但是这样一些荣誉，对我来说真的是不算什么，就像我刚才提到的这些年轻人，这些优秀的年轻人，从我们的课题组出来以后，他们成长为非常优秀的学术带头人，带领他们的团队去取得了更大的成绩，才是让我最引以为自豪，最骄傲，最高兴的事情。所以说，这就是作为老师所独有的乐趣。

这两张照片，都是从未名湖的最西角拍过去，这是大家最喜欢拍摄的一个角度，但是你如果换一个角度，是不是就有不同的风情呢？你也可以放过博雅塔，去放眼一下未名湖，我们要去欣赏未名湖的美，就需要有一双寻找美的眼睛。

对科学研究也是一样的，要做创新性的科学研究，也需要一双发现美的眼睛，就是扎实的基础。扎实的基础才是能够去做创新的最可靠的依靠，有了它，才能够在科学研究的大道上，独辟蹊径。

谢谢大家！

编者语：

与李彦老师第一次见面，在听完CC的介绍，她就很爽快的答应了我们的邀请，并且她想要与大家分享的思想，和CC的想法一拍即合。但没有想到的是在后续打磨演讲内容和PPT的时候，李老师的回复经常是在半夜两三点，因为那时她才忙完了一天的工作，才有时间处理自己的事情，有时我都不舍得多打扰她，想她能多休息一会儿。在交流的过程中我感受到了作为一位科学家的专注、严谨和雷厉风行，同时我也觉得仿佛这一段和李老师的相处的时间里，我也有幸成为了她的学生，她在耐心宽容的辅导我。真是如她所讲的那样：“教书育人，做科研，就是我工作当中，非常和谐的，美好的二重奏”。如今我也成为了二重奏中的一个音符。

另外我还要非常感谢一直支持CC讲坛的，我们的好朋友张照雷老师、为我们推荐了李彦老师。更感谢李彦老师能接受我们的邀请，来CC分享她的创新思想和成果。

编辑：高稚婷