科学视点

“硅”才大略

  上海市郊一幢水泥色的L型办公楼,从外面看十分普通,里面却着实不凡。随手指向其中一扇门,背后可能就是上千度的晶体生长炉。在这里,一种名为锗酸铋(BGO)的晶体正静静成型。

  闪烁晶体被广泛用于医学或工业探测领域,锗酸铋堪称其中的佼佼者。现在,它还成为空间暗物质探测器的关键材料之一。2018年12月,已探测到数十亿宇宙粒子的暗物质粒子探测卫星“悟空”宣布延长工作时间,继续寻找暗物质的踪迹。一年前,科学家正是利用这颗卫星收集到的数据,绘制出目前世界上最精确的电子宇宙射线能谱。

  “悟空”有火眼金睛,锗酸铋晶体功不可没。而这些单根60厘米长、总重达上千斤的晶体,只有在中国科学院上海硅酸盐研究所(以下简称上硅所)那栋看似很普通的楼里才能做出来。

  对材料研究而言,最严苛的考验莫过于承担航空航天任务。而在上硅所,“神舟”“天宫”“高分”“北斗”……只要是上天的,总有材料从这里出去。

  面向国民经济主战场、面向国家重大战略需求,历来是上硅所的传统。能扛起这一重任,得益于以严东生、殷之文、郭景坤、丁传贤、江东亮为代表的几代科学家的奋力开拓和不断进取。

  2015年4月,上硅所成为首批中科院特色研究所试点建设单位之一。这意味着,新一代上硅所人,必须在无机非金属材料的微观世界里看得更深、走得更远。

  大舞台,展抱负

  2017年,上硅所完成了一项大动作——主园区从上海市区迁到了嘉定区。随着课题组陆续搬进新建成的大楼,所长宋力昕就开始操心新问题——在12公里外的太仓园区,科研用地盖楼的速度已经跟不上科研需求了。

  什么样的研究所会如此“费地”?这与上硅所的定位有关。

  从高性能陶瓷到人工晶体,从能源材料到生物材料,“上海硅酸盐研究所”几个字,几乎包揽了无机非金属材料领域的所有重要方向。1959年独立建所后,面对国家重大工程和尖端技术发展的需求,上硅所的科研方向进行了重大结构调整,把传统无机材料研究调整为先进无机材料科学与工程,开创了我国结构陶瓷、功能陶瓷、人工晶体、特种无机涂层、特种玻璃等研究领域。改革开放后,又逐步形成了基础研究、应用研究、工程化研究、产业化工作有机结合的科研体系。

  面向国家重大需求,是使命也是挑战。上硅所不仅要追踪学科前沿,还要在工程化、产业化道路上尽可能走得更远。这对上硅所开拓发展空间提出了更急迫的要求。

  以锗酸铋研制为例,若想将小试制备的晶体批量用于高能物理、医学成像乃至国家重大工程等领域的大型设备上,必须建有完整的中试平台。上世纪80年代,诺贝尔物理学奖获得者丁肇中曾向上硅所时任所长严东生提出,希望能为正在建设的欧洲正负电子对撞机提供优质大尺寸的锗酸铋晶体,彼时的锗酸铋晶体就诞生于所属开发实验基地(现为中试基地)。

  对于光学部件、涂层等材料,虽然生产规模较小,但尺寸是衡量其技术水平的一项重要标准。要生产出大尺寸构件,制备的仪器也要足够大。简言之,地方够宽敞,研究人员才能施展拳脚。

  “市中心不能满足研究需求,我们就往嘉定移。”宋力昕说。从2001年获得中科院批复起,上硅所嘉定园区从图纸一点点变成现实。2015年夏天,眼看嘉定园区落成在即,宋力昕“手握”从江苏省苏州太仓市政府争取来的经费和200亩土地,走进了中科院院长办公会的会议室。

  嘉定园区虽有以人工晶体、功能陶瓷和结构陶瓷等为主要方向的中试基地,但其他领域仍以基础和试验研究为主。若要实现国家重大工程材料的小批量制备、新材料的产业化中试,还需要更大空间。

  听罢宋力昕的汇报,中科院院长白春礼问了3个关键问题:钱够不够?要不要编制?有没有拆迁?“地方给支持、不涉及拆迁……”面对院领导的疑问,宋力昕迅速作答,这些答案在他心中已酝酿许久。

  2015年11月,江苏太仓,上硅所新园区开工仪式在此举行。转眼到了2019年,上硅所苏州研究院已有碳化硅陶瓷和陶瓷基复合材料实验室入驻。如今新园区一旦有楼落成,就有等候多时的课题组进驻其中。

  建设太仓园区是上硅所开拓发展空间、建设开放型综合科技创新平台的重要举措。届时,国际上首条100安时以上大容量钠镍电池批量化制备平台将在太仓建设,重点解决“卡脖子”问题的先进陶瓷基础设施群将在此安营扎寨,以先进材料为核心的器件升级瓶颈问题也有望在新园区得以解决。

  宋力昕在嘉定园区的办公室装修简朴,但墙上仅有的几张照片,其一就是太仓园区建成后的效果图。讲完太仓园区的过往和未来,他摘掉眼镜,回头看了看效果图,眼中透着自豪与期待。

  大课题,显担当

  “平台好、装备足、团队强”,人力资源处处长贺天厚对上硅所的特色如是评价。上硅所有几个规模超过50人的大课题组。这些课题组是一支支科研能力突出的“特战队”,每每承担国家重大任务,总是冲锋在前、迎难而上,战必胜、攻必克。嘉定、长宁和太仓园区就像是为科研人员搭建的舞台,当胸怀抱负的他们来到这里,上硅所的旗帜总能一次次舒展高扬。

  上硅所结构陶瓷与复合材料工程研究中心研究员黄政仁,学生时期跟随中国工程院院士、著名材料学家江东亮研究碳化硅材料体系。成为课题组组长后,他又把这种材料体系用在了卫星的“眼睛”——空间光学部件上。

  黄政仁将碳化硅材料的致密性“发挥到极致”:做出的空间光学部件平滑明亮,成像质量和刚性极佳。

  2016年以来,上硅所研制出的100多个碳化硅光学部件,相继安装在“墨子号”、天宫二号、高分五号等卫星、空间实验室上。

  衡量光学部件的优劣,尺寸是重要标准之一。想做出足够大的光学部件,不仅要有过硬的制备技术,还要协调好外部合作方的各种资源,例如找到可靠的液压设备、合适的抛光工艺,整个过程十分磨人。

  在这种时刻,方能体现作为国家级研究所的担当。用上硅所人的话说,“大家是一个战壕出来的战友,不是利益相关的甲方乙方,这种关系不是靠金钱来衡量的。”

  2017年度国家技术发明奖上硅所榜上有名,缘于结构陶瓷与复合材料工程研究中心为我国在轨运行的空间高分辨相机做了一个更轻的骨架。轻量化复合陶瓷材料制成的骨架确保空间相机在振动频繁、温差较大的恶劣环境下,仍能将系统波动控制在几微米内。

  研究员王震是该项目的参与者。在他看来,只有对方法工艺、材料性能和结构了然于胸,才能对未来需求加以准确判断。

  在中试生产一线副研究员陈俊锋的眼中,上硅所历年来取得的各项科研成果,无论是晶体生长多坩埚下降法,还是空间光学部件材料选择新思路、热控涂层制备新工艺,无一不建立在长期的基础研究、应用开发和工程化实践之上。

  “材料的用途是发散的,只有在前期的基础研究中把它的性能摸清楚,才知道将来怎么用。”上硅所特种无机涂层中心研究员于云说。

  一种晶体从制备出来到规模化量产应用,一般都需要几年甚至数十年时间。无论是锗酸铋晶体还是碳化硅晶体,都遵循这一规律。上硅所人工晶体研究中心副主任刘学超说:“这就像没有出口的高速公路,需要不停地往前走。”

  前人栽树,后人乘凉。上硅所要想不断发展,除了继承传统,仍须持续创新、砥砺前行,特别是探索如何把基础研究和工程应用结合得更加紧密。

  大团队,拼实力

  在上硅所透明陶瓷研究中心主任王士维看来,要想更好发挥基础研究的作用,以需求为牵引、找准用力方向是关键。本着这样的思路,上硅所近年来加强了学科重组和调整步伐,透明陶瓷中心和无机材料基因科学创新中心应运而生。

  透明陶瓷研究中心组建之前,王士维已在结构陶瓷领域深耕多年。2000年前后,随着高压钠灯、激光陶瓷的兴起,透明陶瓷逐渐成为业内热门研究方向。这之后,上硅所在透明陶瓷领域取得了一系列成果,但研究力量相对分散的问题也开始显现。

  “如果不形成一个大团队,我们怎么去跟国际一流团队竞争?”基于这样的想法,在所领导班子的支持下,上硅所内研究透明陶瓷的人们聚到了一起。2016年1月,透明陶瓷研究中心正式成立。中心课题组将注意力集中在更为细分的研究方向上。“有机会多做更多创新性的尝试,更有利于透明陶瓷学科的发展。”王士维说。

  随着中科院院级和研究所层面的支持经费迅速到位,加之原本就有的研究积累,这支年轻的科研“特战队”很快就取得了成果。

  2017年9月,王士维所在的课题组研制出基于两种不同材料的圆弧状透明陶瓷。其中,采用单晶生长方法制备的钇铝石榴石透明陶瓷直径达到235毫米,是国际上公开报道的最大尺寸。利用胶态成型和冷等静压工艺制备出的氧化钇透明陶瓷,光学透过性能优异,在国家重大工程及国民经济领域都有广泛用途。

  无疑,透明陶瓷研究中心是以需求带动学科发展的典型案例,而无机材料基因科学创新中心也是如此。它的成立,对材料开发而言更是如虎添翼。通过模型化计算复原出材料反应的微观过程,就好比经验丰富的育种家解开了作物的基因密码,使材料研发成本和周期大大缩减。

  2011年,还在美国南伊利诺伊大学任教的刘建军通过中科院“百人计划”回国,成为上硅所计算材料学研究的中流砥柱。2013年初,上硅所集成计算材料研究中心正式成立,江东亮任主任。以此为前身,上硅所无机材料基因科学创新中心于2015年1月成立。

  在这里,无论是研究晶体、陶瓷还是新能源,只要有需求,任何课题组都可以跟中心开展项目合作,所里为此每年投入150万元予以支持。

  当材料基因组学遇上具体的应用需求,能碰撞出多少火花?刘建军课题组与温兆银课题组的合作便是一个典型案例。

  温兆银1987年进入上硅所工作,在固态离子学和化学电源领域深耕多年。经验丰富的他曾在研究锂空气电池化学反应过程中过电位高的问题时遇到过瓶颈。找到合适的催化剂是降低过高电位的关键。若用传统实验手段,则需要相当长的试错时间。“材料基因组学通过材料设计、模拟,缩短了这一过程。”刘建军表示。

  通过计算模拟,刘建军课题组可以为电子的动态反应过程“画像”,只要与实验表征结果相吻合,就有望摸清其内在机制。事实上,这是领域内科学家都希望攻克的难题,谁先取得突破,谁就能在下一代动力电源技术应用中拔得头筹。

  原本登天般困难的问题终于有了突破口。两个团队合作5年有余,先后筛选出氧化钴、碳化钛等催化剂,并探明其中几种高催化活性催化剂的反应机制,将锂空气电池的机制研究推向新高度。

  大格局,创未来

  如果说科学创新中心是上硅所为科研人员搭建的一个协同创新平台,那么真金白银的成果转化奖励,则是对课题组辛勤付出最充分的肯定。

  2019年,温兆银团队的钠镍安全电池技术以5500万元现金和500万元作价入股实现转移转化。目前,拥有完全自主知识产权的高集成度、自动化、批量化生产线已在上海嘉定建成并进入全面调试阶段。

  按上硅所的成果转化管理办法,个人在技术转让与许可所获收益中的奖励比重最高可达52.5%。极富力度的政策激发了科研人员的创新潜力和成果转化应用的积极性。温兆银团队的成果转化案例,也让上硅所领导班子期望的“冒出更多获奖大户”成为现实。

  不过温兆银深知,科研人员做成果转化,就像在悬崖上走钢索,其中的风险与付出,局外人常常无法体会。

  2005年,温兆银接到上海电力公司的电话。当时日本已实现大容量储能钠硫电池产业化,中国企业也想与国内研究机构寻求合作,而这恰恰是温兆银本来的研究方向。但当时中国的技术与日本相比差距很大。

  “我觉得我们应该拼一下。”放下电话,温兆银开始了十余年如一日的“修行”。在他的课题组,诞生出国内外最大容量的单体钠硫电池以及我国第一条2兆瓦钠硫电池中试线,实现了上海市世博会100千瓦/800千瓦时钠硫电池储能站的并网运行,使我国成为继日本之后第二个掌握大容量储能钠硫电池成套技术的国家。

  时任中科院副院长施尔畏曾评价,要从传统科研模式中解放出来,像支持自己的课题组一样支持科研人员在公司工作,抓好这件事,使之成为研究所与企业合作的典范。

  让钠硫电池真正进入市场,温兆银的“修行”还在继续。常在上硅所新建大楼穿梭的他,所到之处是一条又一条“缩小版”生产线。无论是电极材料的组装、电池性能检测还是产业化设备要件的生产,都能在这里实现。

  “只要有好的科研设想,很快就能通过工程化放大平台进行验证,这是上硅所的优势。”研究员刘宇表示。2008年,经温兆银引荐,刘宇通过中科院“百人计划”回国。如今他正带领课题组努力实现新型水系储能电池技术的研制与工程化。

  在产业化路上不是没吃过苦头。但好的实验技术一旦出现,刘宇依旧首先选择尽快进行成果转化,进入企业孵化模式。

  “到企业参与成果转化真的有可能失败,但作为年轻人,更应该敢做、敢拼。”刘宇课题组成员张娜和贺健,如今都与所里签订了离岗创业协议。在他们看来,只有经历过实战,才能对市场有更深刻的认知。为了鼓励科研人员放手创业,上硅所给了这帮年轻人停薪留职待遇,3年后他们可以再选择留所或去企业。

  贺健坦言,原本老师就曾提醒过创业压力之重,然而真正做时,“压力还要更大”。贺健曾因在产品交货前夕发现缺陷而失眠,因为“生产线跟科学实验不一样,即便发现错误,停下生产线做修正也需要时间”。为了保证产品质量,订单不得不延期。

  也正是因为这种精神,刘宇带领的创业团队获得了不少合作者的信任。这种看似“吃力不讨好”的事,上硅所坚持在做的不止这一件。

  在上硅所,还有这样一个课题组:他们研究的是陶瓷材料,将陶瓷材料纺成丝,由于超轻、极耐高温,可作为高性能隔热材料和增强材料。

  但由于这项技术涉及的学科众多、难度过高,国内相关研究一直没有起色。在上硅所专门成立课题组前,最初的核心设备是副研究员康庄在实验室的一个角落里搭起来的。所领导班子得知康庄做出了产品雏形,很快便决定单独设组支持。不仅在太仓园区留好实验室和生产线,还请来所里研究陶瓷的老前辈传授经验。为了让其安心攻关,上硅所承诺3年不考核课题组成员。

  “研究所存在的价值就是为国家发展起到支撑作用,必须考虑国家需求。国家重大的材料问题能否解决,是评判一个一流研究所的标准。”在宋力昕看来,上硅所作为老牌研究所,定位和发展一定要遵循独立的价值观。对企业,研究者要长久生存,就要给企业带来好处;对研究者,要让他们的工作真正对社会产生贡献,有发自内心的成就感。

  对上硅所人而言,这里有宽阔的施展舞台,但这舞台不是用来追热点、跟潮流,而是为了更加心无旁骛地把一件事做好。当“传统价值观”碰上“改革新机遇”,用科研人员的话说,就像数十年历史的锗酸铋晶体遇到了现代新技法,“性能会有根本改善”。


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