超硬材料

脚踏实地 至刚至强——记吉林大学超硬材料国家重点实验室主任崔田教授及其创新团队
发布日期：2009-12-7 点击次数：798


俗话说：“没有金刚钻，不揽瓷器活。”这句话道出了金刚石最重要的性能——它是世界上已经发现的最硬物质。其实，除此之外，金刚石还是最好的导热材料、理想的光学窗口材料、最佳声保真材料、最强耐腐蚀材料和耐高温、抗辐射材料……




诸多优越性能，使金刚石广泛应用于各领域。既可用作高档音响扬声器振膜、太阳能电池防反射膜、光学透镜保护膜；也是车用高硅铝合金缸体材料加工的最佳刀具材料；既可用作心脏瓣膜的医学生物体植入材料，还可用于宇航高速旋转特殊轴承、军用导弹整流罩、原子能反应堆耐辐射器件……




作为超硬材料的代表，金刚石在石油、地质、航空、军工、冶金、电子等领域的应用，决定了国家的工业水平。它是21世纪最有发展前途的新型材料，被发达国家称为“战略物资”。日、欧、美等正在进行大力开发应用。




在我国，引领超硬材料研究与应用潮流的，是由中国科学院院士邹广田教授创立的吉林大学超硬材料国家重点实验室。现任实验室主任崔田教授及其创新团队在科研与科技成果产业化方面坚持与国家重大需求相一致，在超硬材料、高压科学领域取得了一系列具有国际领先水平的重要成就；他们还将实验室建成了开放交流与人才培养的创新平台，为我国科技创新体制建设作出了成功示范。




科研创新：从实践中来





与吉林大学的校训“求实创新、励志图强”相一致，崔田教授及其创新团队在确立科研创新的目标时，立足于“求实”的原则——一方面从实验室学术现状出发，集中力量，重点突破；一方面瞄准国民经济、科技发展中亟待解决的现实问题。脚踏实地的思路与刻苦钻研的精神相结合，成就了我国一流的超硬材料实验室。




吉大在超硬材料领域举足轻重的地位由来已久。实验室前身是吉大超硬材料实验室和高压物理实验室，是国际上最早实现百万大气压的五个实验室之一。其中，实验室所在的凝聚态物理学科多次被评为重点学科，是“九五”、“十五”、“211”、“985”工程重点建设学科。




1985年，他们在国内率先开展了金刚石薄膜研究；1987年，制备出我国第一片金刚石薄膜。此后，又在琥珀色立方氮化硼人工合成方面取得重要突破。多年努力与积累，实验室在超硬材料、高压科学领域形成了独具特色的研究方向。1989年，国家计委批准组建超硬材料国家重点实验室；1995年，实验室通过国家验

收；2003年、2008年两次参加并通过评估。




作为国内唯一的超硬材料国家重点实验室，面向国民经济、现代国防重大需求，确立了实验室的长期奋斗目标——在超硬多功能材料、常压下难以制备的新材料及高压科学等领域达到国际先进水平，在若干领域达到国际领先水平。




2006年，《国家中长期科学和技术发展规划纲要》提出了我国科技工作的指导方针——自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。在这一方针的指导下，实验室成员坚持有所为、有所不为，立足自身科研优势，选择国家发展关键领域，集中力量、重点突破，成功实现跨越式发展。




同时，《纲要》对于极端条件下物质科学和功能材料的发展做出了重要部署，为实验室开展高压与超硬多功能材料研究展示了宏伟的蓝图。实验室根据学科发展前沿和重大国家需求，确立了三大研究方向——




其一，超硬与新型功能材料高温高压合成研究。探索高温高压下合成超硬材料的物理问题和关键技术，探索高温高压条件制备新型功能材料及常压下难以制备的新材料，推动超硬材料研究成果的产业化。




其二，超硬多功能薄膜材料研究。攻克这一材料的关键制备技术与物理性质；开发推广其在精加工刀具等方面的应用；研究原型器件结构和制备技术，探索新材料在大功率光电器件、抗辐射耐高温半导体等领域的应用。




其三，高压对物质结构、性质的影响与高压相变研究。发展高压下拉曼光谱、X光衍射、红外光谱、布里渊散射、电学测量等多种高压原位微区测量技术，建立高压下的理论研究体系，探索高压条件下体材料和纳米材料的结构、性质及相变规律，为制备高压相材料提供实验与理论依据；开展高压技术在其它学科中的研究。




三大研究方向有机配合、相互促进，形成了超硬、多功能材料与高压研究相结合的鲜明特色，支撑起实验室在国内外科研领域的重要地位。团队成员从超硬材料生产中具有普遍性和根本性的难题中提炼问题，通过加深对物质高压相结构、性质等基本问题的认识，指导材料制备及应用研究，注重自主设计和创新。如今，实验室在静水压的定标等超高压技术、高温高压下金刚石的合成及生长机理、高压下物质结构相变等研究领域处于国际前沿地位。




实验室研究方向的确立，注重理论研究与实践应用的结合。这源于实验室清晰明确的总体定位——应用基础研究。这一思想指导下，实验室工作重点也分为三个领域——注重学术原创性研究，推动学科发展；注重科研成果产业化，为提高我国超硬材料行业科技水

平、增强国际竞争能力、实现可持续发展做出贡献；探索创新型人才培养模式，将实验室建成重要的科研、教学、产业开发的高级人才培养基地。从关心国计民生的传统和应用基础研究的总体定位出发，实验室走出了一条“从实践中来，到实践中去”的科研之路。





成果应用：到实践中去





科技化引领产业化，已是大势所趋。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，制造业和新材料技术被列为未来15年内科技发展的重点领域、优先主题和前沿技术，是提高我国产业竞争力的突破口。金刚石等超硬材料正是新材料的代表、制造业的基础。




超硬材料实验室建立伊始，就从应用基础研究的总体定位出发，推动科研成果产业化，为我国科技发展和国防建设中做出了重大贡献，真正体现了学者胸怀天下、为国为民的胸襟。




当年，我国进行核试验时，超硬材料实验室就曾在急需的岩石高压状态方程测定方面做出过特殊贡献。进入新世纪，我国明确提出，要建立极端条件下大型实验平台和开展“超高压”下物质结构和物理规律研究。实验室再一次响应国家号召，着力发展高压产生和标定实验技术，建立高压下物质结构分析和物理性质原位测量手段，构建国际先进的高压实验平台。2005年，崔田教授率领团队成员，联合中国科学院物理研究所、清华大学等多家单位，承担了973项目中唯一一个高压研究项目“超高压下凝聚态物质的若干前沿问题”，并担任首席科学家。




在为我国科技发展做出贡献的同时，实验室在另一特殊领域——军民结合的国防科技创新体系建设——也走在前列。近几年来，实验室积极承担国防重大项目，为保障国家安全贡献力量。先后承担了863国防先进材料重大专项“XXX导弹复合制导红外窗口材料研究”、863先进防御专项“XXX效率和XXX响应的多晶和单晶XXX的研制”、总装部预研项目“在ZnS衬底上生长类金刚石薄膜生长机理和附着力的研究”等国防工程项目。首个项目已完成，获得了高速导弹复合制导红外窗口用大尺寸蓝宝石单晶材料；在大尺寸ZnS基底材料上生长出硬度高、热稳定性好、红外增透、结合良好的均匀无氢类金刚石薄膜，为改进现代化国防装备性能提供了新型窗口材料。




国际禁核试以来，国外为了提高核武器性能，采取了测量静高压实验数据和进行大规模数字模拟的新途径。我国工程物理研究院缺乏静高压实验手段，这一限制国家安全的技术瓶颈再一次依靠超硬材料实验室而突破。双方发展开了多方面合作，依靠多年来在发展静高压原位测量实验技术上的积累，工程

物理研究院建立高压x光结构分析和高压拉曼光谱实验系统时，实验室提供了技术支持；还承担了研究院与国家自然科学基金委联合基金“Al的静高压状态方程研究”、“金属中氢行为及体系性质的量子蒙特卡罗研究”等项目，培养了相关人才；双方合作开展了“金属及其氧化物的高压布里渊散射和物理性质研究”项目，联合指导博士生；共同承担军工项目“铁及其二元合金的高压电导率测量研究”；双方还就国防工程急需的“XXX物态方程研究”做过多次研讨，正在做立项准备工作。




产业化过程中，超硬材料实验室不仅为我国科技发展做出了重要贡献，更为国防建设、国家安全提供了坚实后盾和有力保障，其“科研成果产业化”具有了更为特殊和重要的意义。





平台建设：开放与交流





科研需要厚积薄发，也需要生生不息。超硬材料国家重点实验室不仅在科研与产业化方面取得了突出成就，在探索创新模式方面，也提供了良好的示范。




《国家中长期科学和技术发展规划纲要》指出了我国科技创新的“两条腿”——科技基础条件平台建设是物质基础，科技人才是提高自主创新能力的关键。超硬材料实验室从这一指导思想出发，在平台建设和人才培养方面，走出了一条开放交流、共享共生的道路。




实验室的平台建设，离不开与国内外学术界的交流。几年来，实验室致力于加强国内外交流合作、举办大型学术会议，设立开放课题、聘请兼职教授、派出访问学者，多方面促进实验室建设。海纳百川的胸襟，带来了实验室发展的新局面、新机遇和新平台。




五年来，实验室与国内外多个研究团体建立了长期密切的合作关系，在高压物理、高压合成超硬材料、金刚石膜、纳米材料、高压生物等多领域展开了广泛合作交流。在国际上，主要合作单位有美国华盛顿—卡内基研究院、美国高压研究中心、布鲁克海文国家实验室、芝加哥大学费米国家加速器实验室；日本东京大学、东京工业大学、大阪大学、筑波大学、科技厅无机材料研究所、金属材料技术研究所、物质科学与技术研究所；加拿大国家科学院Steacie分子科学研究所、意大利理论物理国际中心、瑞士苏黎世高等工业大学，德国夫琅和菲薄膜与表面工程研究所、瑞典乌普萨拉大学、新加坡南洋理工大学等。国内主要合作单位有中科院物理所、长春光学精密机械与物理研究所、长春应化所、工程物理研究院、南京大学、浙江大学、北京航空航天大学、河南理工大学、西南交通大学高压物理实验室、四川大学原子与分子物理研究所等，其中部分研究单位

承担了实验室的开放课题。五年来，实验室设立29项开放课题，已经完成20项。




近年来，实验室还主办了七次大型国际、国内学术会议，反响良好。包括“第八届国际量子结构中心研讨会”、“碳纳米结构”会议、“第三届亚洲国际高压会议”、“第一届NLSHM-KYOKUGEN高压下的材料科学研讨会”、“第一届中国金刚石与相关材料及应用学术研讨会”、“第十三届全国高压物理学术会议”、“凝聚态物理及相关学科国家重点实验室网络会议”及“同步辐射光及散裂中子源在高压研究中的应用研讨会”。




一个实验室的良性运行离不开得力的领军人物。崔田教授作为实验室主任，对科研、管理、交流合作、人才培养倾注了大量心血。他以身作则，起到了良好的带头作用。2001年以来，崔田发表了80余篇论文，包括PNAS、Adv Mater、Phys Rev Lett、Appl Phys Lett、Phys Rev B 等影响因子3.0以上论文30余篇；多次在国内外学术会议上做报告；曾获“吉林省第八届青年科技奖”和“吉林省科技进步一等奖”。如今，他是教育部长江学者、973项目首席科学家、2007新世纪百千万人才工程国家级人选；还是国际高压科学与技术协会执委会委员、亚洲高压学术会议组委会中方主席、中国物理学会理事、中国物理学会高压物理专业委员会委员、中国力学学会第四、五届物理力学专业委员会委员；曾担任2006年第三届亚洲高压学术会议组委会主席、2006年第13届中国高压学术讨论会组委会主席、第一届中国金刚石与相关材料及应用学术研讨会组委会副主席、第一届高压下材料科学NLSHM-KYOKUGEN研讨会组委会主席。




如今的超硬材料实验室是教育部创新团队之一，阵容强大，规模“豪华”——包括中国科学院院士1人、中国科学院外籍院士、美国科学院院士 1人、973首席科学家1人、教育部长江学者4人、国家杰出青年1人，教育部跨/新世纪人才6人，形成了一支结构合理的高水平学术队伍，为实验室的健康发展提供了人才保障。五年来，团队成员共发表论文837篇，包括SCI收录论文444篇，EI收131篇，核心期刊59篇，其中SCI影响因子超过3的论文达到99篇；申请国家发明专利37项（授权15项）；实验室固定人员受邀参加国际会议做特邀报告25次。同上次评估相比，SCI论文数量增加了85％，质量大幅度提高；SCI影响因子超过3.0的论文增加了523％；授权发明专利增加了50％，显示出良好的发展势头。




同时，实验室后续人才的培养也取得了可喜成就。近五年来，实验室共培养硕士107人、博士47人；目前在读硕士127人、博士72人、在站博士后3人。研究生中共有146人次获得各种奖项

，包括校级优秀研究生、全国高压学术研讨会优秀青年论文奖、校级优秀博士论文奖、香港“求是”奖学金、“唐敖庆”奖学金等。这些优秀毕业生如今已成为超硬材料和高压科学研究的生力军，一些人已经开始在国内外学术界崭露头角。




崔田教授和团队成员的目标，是将实验室建成在国际上有重要影响的超硬多功能材料和高压科学研究中心。他们正向着这一目标大步迈进。




海纳百川，有容乃大。




壁立千仞，无欲则刚。