上海交大胡志宇教授:燃起“纳米火”的普罗米修斯

国家“千人计划”专家胡志宇的办公室里,爱因斯坦在海报中调皮地“吐”着舌头“说”:“想象力比知识更重要!”墙对面,“天道酬勤”的书法遒劲有 力。书橱里摆放着胡志宇在美国学习、工作期间荣获的嘉奖和荣誉,包括美国能源局局长的亲函嘉奖。胡志宇看着爱因斯坦像说:“超富想象力、对自然的好奇心和 对人类生活水平提高的期望,这些是作为一名学者最需要的素质。”     

  胡志宇还兼任上海交通大学“致远”讲席教授、微米纳米加工技术国家级重点实验室主任、上海大学纳微能源研究所所长。在纳米的世界里,胡志宇颠覆了“火能伤人”这一常识:他发现了一种室温下在纳米尺度下燃烧的火,即使被捧在手心,也丝毫不会灼烧皮肤。     

  没有火,也能“燃烧发电”!从世界首创的用“纳米火”实现全固态发电芯片,到自主设计国际领先的中国牌红外显微热像系统,胡志宇和他的团队要从根本上改变人类用燃烧产生能源的方式,将科研成果产业化做大、做强。     

  “取下你的灵魂,把它当做火把;取下你的心,把它当做火种”。室温纳米催化燃烧不会产生如NOx等污染物,为当今饱受雾霾困扰的社会带来节能减排新思路,胡志宇如同给人类带来火种和希望的“普罗米修斯”式的筑梦者。     

  纳米尺度下的“温柔火种”

  实验室里,胡志宇手中躺着一片“温柔火种”——带有纳米颗粒的棉花球在碰到了甲醇之后,立刻燃烧了起来。但胡志宇依然神情自若,丝毫没有被烫到的模样。     

  点火除了必须满足三个条件——氧气、燃料和点燃过程之外,胡志宇给我们补充了第四个条件:尺度。当火的尺寸太小(通常小于1毫米)时,它很快就 会熄灭。在比毫米还小100万倍的纳米尺度下,如何点火更是大问题。为何要将燃烧“微缩”到这样的尺度?胡志宇教授解释,主要是为了让燃烧可以在室温下进 行。     

  “解决问题最好的方法就是没有问题”。从能量产生的科学原理出发,从源头上解决环境污染问题,胡志宇要为中国乃至世界开出一副灵丹。2005 年,实验室中一起“意外事故”,让胡志宇发现纳米颗粒在催化剂作用下可以在室温中燃烧。从这小小的“纳米火”之中得到灵感,胡志宇提出了全新的室温纳米尺 度能量转换方法。     

  “如果把传统的燃烧比作一整个足球场在起火,那么纳米尺度的燃烧就相当于在这足球场中间点燃一只桔子大小的煤球,这样看台上的人还会觉得灼热 吗?”这正是燃烧的“棉花球”不烫手的原因。值得一提的是,这火种虽不烫手,却能产生和正常燃烧一样的能量。更重要的是,能够以纳米精度控制它燃烧的范围 与大小。在红外显微镜的帮助下,我们能够观察到厚度仅仅为几十个纳米显示为“SH”的两维燃烧图案,这使得其与微米纳米加工技术相结合成为可能。在全球能 源危机日益严重的今天,这“温柔火种”蕴含了巨大能量和应用前景。     

  纳米火或带来能源领域巨大变革

  “在能源领域填补世界级空白”,这是胡志宇认定的一条艰辛的“开荒”之路。     

  2008年,看到全球污染最严重的20个城市中有16个在中国,当时还在美国能源部橡树岭国家实验室担任正研究员的胡志宇十分痛心。他辞去了优渥的工作,举家迁回中国。     

  刚回国时,实验条件、物质待遇等与美国落差极大:“缺脚的桌子和椅子,布满厚厚灰尘的一张老式沙发,这是2008年大年初十我回国到上海大学报到时,在办公室里看到的所有家当。”从此,他从零开始开创在中国的事业。     

  六年中,胡志宇在上海大学创建了纳微能源研究所,组建了来自物理、化学、材料、信息、纳微加工等领域的跨学校、跨专业的团队,“多面手”胡志宇 成了该团队无可取代的主心骨。2010年,美国国家专利局批准了一项名为“全固态室温纳米催化燃烧发电”的技术发明专利,这项由胡志宇首创的专利被国外众 多科学家认为是“具有广泛应用前景的革命性新能源技术”。今年,胡志宇教授应邀担任了上海交通大学“致远”讲席教授及微米纳米加工技术国家级重点实验室主 任,在新的工作岗位继续他的探索与研究。     

  经过十年的努力,今年7月胡志宇教授的团队成功研制出全固态室温催化纳米发电芯片,并最终打造出世界上首个“芯片发电厂”,厚度仅为头发丝百分 之一。由于发电单元的尺度与构造和目前半导体芯片非常类似,这意味着未来有可能把两者集成在同一个芯片上构成“电子细胞”,把微电子芯片从单一复杂系统转 变为具有仿生构架的、由海量简单功能“电子细胞”构成的超级复杂系统,从而引发新一轮的微电子革命。     

  “芯片发电厂”如何既节能又环保?它和传统热机在高温下将燃料剧烈燃烧从而快速释放出热能的工作机制不同,“芯片发电厂”以甲醇作催化剂,将燃 烧的化学能转化为电能。纳米尺度下的燃烧可避免传统燃烧80%以上的热能损失,且不会产生污染物,从根本上杜绝空气污染的产生。     

  这项科研成果有望为分布式电网、电动汽车产业提供更为经济有效的能源供给。利用此项技术,今后只要将催化剂加注到装有纳米发动机的新一代电动汽 车中去,就可长时间持续提供电能。其他日用电器如手机平板电脑、笔记本电脑、家庭照明等都可以使用这项技术。未来人们可能不再需要发电厂,而是每家每户自 主发电,这或将彻底改变人们的用火、用电习惯……“芯片发电厂”也许将谱写人类能源利用新篇章,填上第三次工业革命能源发展部分的空白。     

  随着科研工作的深入,胡志宇教授的研究工作已经引起了国内外同行的高度关注,国外用户对纳微能源研究所网站的访问量持续增加。据悉,近期胡志宇教授已经被国际上素有能源界“诺贝尔奖”之称的埃尼奖提名。     

   “手工帝”推进科研成果产业化

  市场倒逼着创新。在研制全固态室温催化纳米发电芯片的过程中,测试成了一道难题:欧美发达国家对中国禁运中高端红外显微仪器。原本在美国实验室中非常容易解决的问题,到了国内就成了“拦路虎”。     

  秉着“没条件创造条件也要上”的信念,胡志宇教授开始自己动手。如今这些占地230平方米的实验室中,30%的仪器都是这位了解甚至熟知各学科 内容的“手工帝”设计制作出来的,且成品的制作成本不及美国原机的一半。通过3年的研究,他们积极与国内生产企业合作,成功开发出我国第一台具有自主知识 产权的、有数据系统保存功能、时间温度曲线记录功能、最高温度鼠标跟踪功能、温度变化记录功能和三维温度图像成像功能和国际首创自校准功能的红外显微热像 系统。     

  据胡志宇测算,中国牌红外显微热像系统及其相关产品在半导体无损检测、显微热成像分析、医疗诊断、公共安全等领域都有巨大的市场空间,国内外市 场需求价值超过百亿元。多家国内科研机构和半导体企业已经订购这套系统,其科研团队和相关医疗单位也签订了战略合作协议来开发便携式医用红外显微观察系 统,有望在皮肤病变诊断、乳腺癌诊断和糖尿病诊断中发挥巨大作用。     

  不仅在研发和设计制作仪器上亲手操刀,这位在美取得MBA学位的科学家连商业合作洽谈都要亲力亲为。他的梦想不是只埋头搞科研,而是把科研成果 产业化,打造一个超大型企业集团。他同样鼓励自己科研团队中的学生学习管理知识,成为既懂技术又能进行企业管理的人才。     

扫除阴霾,还世界绿水青山、蓝天白云,胡志宇将理想中的蓝图印刻在了纳微能源研究所的标识之中,做成了一个金灿灿的钥匙圈。它背面刻着的“践行 敢为”,也是胡志宇给学生们的谏言:要回归科学的本质去做科研,为满足对自然的好奇心和为人们有更好的生活要敢想、敢做。  

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