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?斯坦福大學(xué)教授戴宏杰

演講 | 戴宏杰（斯坦福大學(xué)教授）

整理 | 徐可

責(zé)編 | 呂浩然

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提到跨界，這個詞我特別喜歡。

我曾是學(xué)物理的，現(xiàn)在卻在化學(xué)分會做報告，確實是有一點跨界的性質(zhì)。現(xiàn)在我們工作的方向有一點偏向生物和能源，雖然主持人李彥（編者注：北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授）說我是做碳的，但我希望能夠在其它領(lǐng)域也做一些事情。

碳材料的研究我們確實做了很多年，明年就是我“出道”的第二十個年頭。起初，我們研究的是碳納米管，這么多年研究它的人很多，成果也非常卓著，從物理性質(zhì)到光譜研究都非常豐富，但能將之轉(zhuǎn)化的特別成功的企業(yè)卻并未出現(xiàn)，我覺得同樣的問題也存在于石墨烯上。

我的課題組做過碳納米管的生長，后來也開創(chuàng)了石墨烯帶的合成，我們能將碳納米管從一個硅的柱子長到另一個柱子上，并研究它的力學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)，這些事情我們都做得非常早、非常深入。

1999年，我和范首善老師（編者注：范首善，中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授）在斯坦福大學(xué)用三個月時間做出了碳納米垂直于表面生長（Science 283, 512 (1999)）。多年來范老師非常執(zhí)著，已經(jīng)能夠把這個材料做成手機的屏幕，石墨烯現(xiàn)在也有了類似的應(yīng)用。能從一個科學(xué)（成果）轉(zhuǎn)化成一個有實際用途的東西還是非常了不起的。

另外有一件我比較自豪的工作，是我的第一個博士生孔敬，北大本科畢業(yè)，后來在斯坦福拿到了博士學(xué)位，她使得單壁納米管在硅片上進行生長（Nature 395, 878，1998）。

當(dāng)時，這項工作確實令人非常激動，因為我們可以實現(xiàn)將碳納米管集成到電路里面做電子器件。在這個過程中我確實也學(xué)到了很多東西，如將碳納米管懸掛起來研究它的力學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)。碳管的完美之處在于每個原子都要在它應(yīng)該在的位置上，通過低溫進行測量，我們發(fā)現(xiàn)完美的納米管的實驗結(jié)果與理論的磨合是一樣的，把材料能夠做到這樣的質(zhì)量是不太容易的?？拙船F(xiàn)在是麻省理工學(xué)院的教授。

我的另外一個學(xué)生Ali Javey和我們的合作者將碳納米管的器件做到了極致。碳納米管的晶體管，能夠證明電子可以順暢地從一端跑到另一端，中間卻沒有電阻，而且可以把接觸做得非常好。這些工作在Intel、IBM等半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)生了較大的影響。究竟未來這種材料能不能取代硅，IBM和斯坦福的電子器件專家都還在繼續(xù)做這種研究，試圖用納米管做計算機。

此外，清華化學(xué)系副教授焦麗穎在斯坦福做博士后時把碳納米管拉開，做成了石墨烯的帶子（Nature 458 (2009), 877-880）。隨后，我們也發(fā)現(xiàn)了石墨烯帶子的電子態(tài)與碳管的不同，從物理上來說確實很有意思。

前面提到的都是低維碳材料的工作，而現(xiàn)在我們比較感興趣的是生物和能源。實際上我們的研究思維很大程度上受到了前輩科學(xué)家的影響，比如Calvin Quate（編者注：斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理和電子工程學(xué)榮譽教授，原子力顯微鏡發(fā)明人之一），我剛到斯坦福的時候他已經(jīng)八十歲了，但仍非?；钴S，一直積極同我們合作。

他一直在跟我們講，一個好的科學(xué)家要經(jīng)常思考是否能做一點新的東西，也許每十年做一個新的東西、稍微改變一下方向是一個比較聰明的做法。他以朱棣文為例，朱得諾貝爾獎的工作和他現(xiàn)在做的工作一點關(guān)系都沒有。我受到了啟發(fā)，也確實覺得一個材料做了一段時間以后，你會覺得平淡，包括碳管和石墨烯，到了一定程度就要敢于放下，往前走。

隨后，我們不斷地思考，也許可以嘗試做一點不太熟悉，但卻很有意義的領(lǐng)域。這是不太容易的事情，如果每天都在研究碳管，可以很容易地發(fā)表文章，但若換一個不熟悉的領(lǐng)域，你卻不一定知道該做什么。

通過一段時間的摸索，我們開始找到了一些新的方向，其中一個與孔敬畢業(yè)之前的工作有關(guān)系。她在畢業(yè)以前還有一個很重要的發(fā)現(xiàn)——如果空氣中的一些分子吸附到了一根碳管上，就會對碳管中的電子運動造成很大的影響。因為一根碳管的表面效應(yīng)立刻就可以影響它的物理電學(xué)的性質(zhì)，會形成一個傳感器（Sensor），后來的納米傳感器（Nano Sensor）用的碳管和納米線應(yīng)該就是從這個工作開始的。

從此，我們嘗試做了一些分子探測的工作，并思考將納米碳材料與生物的分子結(jié)合起來做生物檢測——一些和疾病相關(guān)的抗體和蛋白的檢測。我們做了一系列的工作，包括如何對碳管進行化學(xué)修飾，然后接上一些蛋白或抗體。接下來我們又做了細胞輸藥治療腫瘤這一系列的工作，最早應(yīng)該是從Nadine Kam開始，把碳納米管送到腫瘤細胞內(nèi)，然后用紅外激光照射殺死腫瘤。我的另外一個學(xué)生劉莊（編者注：現(xiàn)任蘇州大學(xué)教授）現(xiàn)在也是中國化學(xué)界一個非常出色的“新人”，當(dāng)時的研究成果將我們碳納米管輸藥治療腫瘤的工作推動到了一個高潮。

今天我想著重講一個比較新的、也是我們很看好的一個方向，它是一種新的熒光成像的工作。

一般的熒光都是可見光，而現(xiàn)在我們做的有一個特色，就是把熒光成像做到了很長的波長，我們把它叫做NIR-II，即近紅外二區(qū)。我們的激發(fā)光的波長是800納米，用來激發(fā)一些我們開發(fā)的特殊的熒光材料，來實現(xiàn)發(fā)射光的波長能達到1000多個納米。這些熒光材料現(xiàn)在已經(jīng)包括了納米管和量子點，也包括了有機聚合物和小分子。

大家都知道，人和動物的皮膚組織是不透明的，所以生物熒光成像一般只能到表皮而進不到人體內(nèi)。但很多情況下，我們希望有辦法直接看到組織內(nèi)的情況，且達到分子級的分辨率，至少要達到細胞級的分辨率，即十個微米。如果能夠看到一個單細胞在人體幾厘米的深度如何工作的話，生物和醫(yī)學(xué)就會有很大的進步。

在一般成像情況下，可見光的光子進入體內(nèi)以后會散射，出去以后也會散射，那么這種成像就會因為光子被散射的物理現(xiàn)象（Scattering）從而變成一片模糊。在過去八年左右的時間，我們意識到了生物組織的吸收光隨著波長有變化，實際上波長在1000多納米的光的吸收率還是比較低的。如果減小散射，那么就可以看見體內(nèi)的結(jié)構(gòu)。就是這樣一個概念，讓我們開創(chuàng)了現(xiàn)在所謂的二區(qū)成像。我們和Bruce Weisman以及 Richard Smalley（編者注：Richard Smalley，美國萊斯大學(xué)已故化學(xué)系教授，被譽為“納米技術(shù)之父”）在這方面的工作非常重要，Smalley去世之前發(fā)現(xiàn)碳管是可以發(fā)熒光的，比如用800納米激發(fā)的時候可在1000多納米測到熒光（Science. 2002 Jul 26;297(5581):593-6）。如此大的波長差可以降低生物體系的自身熒光來賦予熒光生物成像的超低背景，大大提高成像的信噪比。

我的學(xué)生Kevin Welsher（現(xiàn)任杜克大學(xué)教授）在2009年把碳納米管打進了小鼠體內(nèi)并成功實現(xiàn)了近紅外二區(qū)的動物成像，可以清晰地透過皮膚看到體內(nèi)的一些血管，并且可以在小鼠的腫瘤內(nèi)看到直徑大概十幾二十微米的單根血管（Nature Nanotechnology 4, 773 - 780 (2009)）。這個事情在當(dāng)時是不太容易的，因為傳統(tǒng)的單光子動物熒光成像一般只能看到非常表面的東西。

我的另外一位杰出的博士生洪國松也是北大的學(xué)生，現(xiàn)在哈佛大學(xué)做博士后。他把NIR-II成像推進到了一個更加全面和高端的境界，他的工作首次清楚地揭示了1000多納米的熒光可以透過小鼠腿部皮膚組織看見血管結(jié)構(gòu)，達到幾毫米的深度，而且可以看到實時血管流動的情況。成像的穿透深度及清晰度遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的800納米的熒光成像方法。

在這之后，因為當(dāng)時做大腦的研究很熱門，我們就思考是不是可以直接看到小鼠的大腦內(nèi)部？以往如果想要用傳統(tǒng)的熒光技術(shù)對大腦成像，無一例外要在頭上打一個洞，把皮膚和骨骼都去掉，然后才能成像。我們實現(xiàn)了在近紅外二區(qū)檢測1300納米的熒光可以看進去小鼠大腦成像，有點“火眼金睛”的感覺。

另外一個北大的學(xué)生刁碩進一步把熒光成像做到了1700納米，可以清楚的看到小鼠頭部四毫米的深度約四微米寬的血管，遠遠小于一個細胞的尺寸。我相信近紅外二區(qū)成像可以做到進入頭顱或者皮膚厘米級的深度，且達到遠低于單細胞尺度的分辨率是沒有問題的。

此前我們研究的是碳管及其他無機材料，而現(xiàn)在我們已經(jīng)開始了新的熒光分子開發(fā)。這是一個挑戰(zhàn)，我現(xiàn)在非常希望能夠做分子的合成。FDA批準(zhǔn)了一種可以用在人體的熒光分子，叫做ICG，它的發(fā)光波長在800納米，為什么FDA能夠批準(zhǔn)？因為它可以迅速從尿液排出去，對人體沒有任何的負面影響。受此啟發(fā)，現(xiàn)在我們開始做一些分子。第一個成功的例子發(fā)光波長是1100納米，到了紅外二區(qū)，成像的質(zhì)量有了很大提升。而且分子從小鼠的尾部注射以后很快就會進入膀胱并從尿液當(dāng)中排泄出來。

我們覺得這一類分子是可以應(yīng)用到臨床的，可以真正到人體內(nèi)去觀察一些病癥，并可以在手術(shù)的時候提供一些指引，這個還可以進入腦部的腫瘤，將腦部的腫瘤照亮。另外，還可以把熒光分子接到一些抗體上，這樣就可以有選擇性地接到腫瘤里面。

最近我們的合作者南方科技大學(xué)的梁永曄教授合成了一個新的分子，這個分子較之前的分子要更亮一些，發(fā)光波長是1100或者1200納米，我們用來做有創(chuàng)性腦部傷（Traumatic Brain Injury）研究。圖示是一只小鼠，腦部被擊打之后我們發(fā)現(xiàn)（有一段時間）血液流不進去，這被稱為灌注不足（Hypoperfusion）。用這個辦法我們就可以直接觀察這個過程，還可以看到一些血管的破壞，不需要任何的手術(shù)就可以對大腦進行熒光成像來觀察腦部受損的情況。

以上是我們在生物成像方面的工作，這應(yīng)該是可以做到在臨床上改變一些醫(yī)學(xué)的方向，也定將是我們以及越來越多同事們未來發(fā)展的一個項目。

我和我的團隊另外一個新的成果是鋁離子電池的發(fā)明。

人類對電池的需求自不必說，我們每天都在使用手機、電動車。用鋁做電池很容易理解，因為鋁是地球上含量最豐富的金屬。用鋁做電池科學(xué)界大概研究了三四十年左右，試圖將它做出來。我們在2015年終于成功地研制了可充放電的鋁離子電池，而且方法特別簡單，也特別意外。

電池的兩個電極一個是鋁，一個是石墨，就這么簡單，拿一個家家戶戶都有的鋁箔和鉛筆里的石墨，然后放進有機鹽和無機鹽的離子液體溶液，就可以做一個電池。當(dāng)然，實驗不是一蹴而就的，我們在幾乎要放棄的時候才偶然完善了電池的配方。

這個電池的原理是負極（鋁）這邊有一個可逆的金屬鋁的氧化還原反應(yīng)，因為電池要充電放電一定要有可逆的電極反應(yīng)。這個氧化還原稍微有點復(fù)雜，不是單一離子在這里作氧化反應(yīng)，還有其它的離子參與。這個鋁的反應(yīng)學(xué)術(shù)界研究了三十年左右，雖然鋁這邊的反應(yīng)三十年前就知道了，那么如何把這個可逆的鋁的氧化反應(yīng)利用起來做成電池人們卻一直不得而知。

我們在2015年偶然發(fā)現(xiàn)用石墨做正極與鋁搭配就可以實現(xiàn)一個鋁的二次電池。我們發(fā)現(xiàn)AlCl₄^- 離子雖然有較大的結(jié)構(gòu)，但是它可以可逆地插到石墨層之間來實現(xiàn)碳的氧化還原反應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn)如此大的離子不光可以進到了石墨層之間，隨后還可以出來，并且可逆次數(shù)可以超過萬次。兩極氧化還原的電位差是兩伏，所以充放電的電壓都在兩伏左右。

當(dāng)時做出這些結(jié)果來的時候，我們非常的興奮。我們進一步在充電、放電用了一個多孔的石墨材料做正極，多孔的好處是可以使離子液體的浸潤及離子的擴散非常容易，在這種情況下離子出入特別的快，可以實現(xiàn)一分鐘的充放電次數(shù)達8000次，實驗室最多曾達45000次，而且對石墨基本無損。

讓人更加興奮的是我們和臺灣工研院一塊合作的結(jié)果。去年年底他們已經(jīng)把鋁離子電池做成了一個真正意義上的電池：利用并聯(lián)串聯(lián)這樣一些簡單的原理做了一個大電池塞到摩托車?yán)锩?，這個車子就可以跑了。這對我來講是一個很重要的事情，因為一個結(jié)果從實驗室文章發(fā)表以后六個月就做出產(chǎn)品讓摩托車在路上跑了，可以說是給我的一個很大的回饋。毫無疑問現(xiàn)在鋁電池可以工作了，下一步的問題是這個電池會有怎么樣的前景。

我覺得鋁電池有一系列潛在的優(yōu)點。儲能的需求實在是太多了，除了鋰電池和鉛酸電池基本上沒有其它的電池。所以任何新的電池應(yīng)該都值得細致的研究，探索它的前景到底能怎么樣。我們現(xiàn)在可以用鋁和碳這兩個在地球上富有和廉價的元素來實現(xiàn)一個表現(xiàn)不菲的二次電池，離子液體的成本也大有下降的空間。鋁電池的循環(huán)次數(shù)上萬，充電時間可到一分鐘，且不會起火燃燒，非常安全，能量密度雖然不如鋰電池，但可以和鉛酸電池競爭。而鉛酸電池眾所周知是對環(huán)境有負面影響的，性能方面如循環(huán)次數(shù)也是很有限的，然而現(xiàn)在全球鉛酸電池的市場在所有電池中是第一位，所以對鋁電池以后的發(fā)展我很有信心。