2010年10月5日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因?yàn)樵诙S材料石墨烯方面的的貢獻(xiàn)獲獎(jiǎng)。此后，石墨烯迅速成為科研界關(guān)注熱點(diǎn)。那一年，西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院大二學(xué)生楊倩，怎么也不會(huì)想到，自己有一天也能加入諾貝爾獎(jiǎng)得主安德烈·海姆團(tuán)隊(duì)。

楊倩，圖源西南交大新聞網(wǎng)

7年后的2017年，那時(shí)的楊倩更不會(huì)想到，自己的名字也能刊印在國(guó)際頂級(jí)期刊Science和Nature Materials上，“Size Effect in Ion Transport through Angstrom-scale Slits”（離子在埃級(jí)別狹縫中傳輸?shù)某叽缧?yīng)），對(duì)于母校更是意義重大。正如時(shí)任西南交大校長(zhǎng)徐飛在大會(huì)上評(píng)價(jià)：“這是”一個(gè)載入史冊(cè)的事情“。這標(biāo)志著學(xué)校實(shí)現(xiàn)國(guó)際三大頂級(jí)期刊”零的突破“”。

2020年12月10日，西南交大博士畢業(yè)的楊倩（現(xiàn)為英國(guó)曼徹斯特大學(xué)博士后）又以第一作者的身份，在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature發(fā)表了題為“Capillary condensation under atomic-scale confinement”的文章，研究報(bào)道了納米限域毛細(xì)凝聚新理論，并對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)爾文公式進(jìn)行了修正，使其能夠更好地描述亞納米尺度的毛細(xì)凝聚現(xiàn)象，為解開(kāi)毛細(xì)凝聚這一百年謎題提供了方案。

這個(gè)打破西南交大校史，發(fā)學(xué)校首篇Science，近日又一作發(fā)Nature的漂亮的博士小姐姐又有著怎樣的科研之路與感悟？

01“零的突破”載入西南交大史冊(cè)

據(jù)西南交通大學(xué)新聞網(wǎng)報(bào)道，2017年10月，楊倩參與的論文“Size Effect in Ion Transport through Angstrom-scale Slits”（離子在埃級(jí)別狹縫中傳輸?shù)某叽缧?yīng)）發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Science上，實(shí)現(xiàn)了西南交大“零的突破”。該研究由西南交大榮譽(yù)教授、曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆教授引領(lǐng)，并作通信作者。11月13日，Nature子刊Nature Materials又第一次出現(xiàn)了第一作者為交大人的文章，西南交大博士生楊倩，題為“Ultrathingraphene-based membrane with precise molecular sieving and ultrafast solventpermeation”的文章，發(fā)現(xiàn)了一種基于氧化石墨烯（GO）的高通量分子分離膜。楊倩介紹，兩項(xiàng)成果主要在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究院（NGI）完成，研究長(zhǎng)達(dá)兩年。正如時(shí)任該校黨委副書(shū)記、校長(zhǎng)徐飛在西南交通大學(xué)國(guó)際化工作大會(huì)上所說(shuō)，這是“一個(gè)載入史冊(cè)的事情”。這標(biāo)志著學(xué)校實(shí)現(xiàn)國(guó)際三大頂級(jí)期刊“零的突破”。

02 “熊貓女孩”坦言：“博一博二時(shí)，科研不太有自信，羨慕別人發(fā)文章”

楊倩是西南交大2013屆材料科學(xué)與工程專業(yè)（高分子方向）本科畢業(yè)生，以專業(yè)第一的成績(jī)保送為本校材料學(xué)院（材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）周祚萬(wàn)教授的直博生，開(kāi)展碳基納米材料研究。2015年1月22-24日，應(yīng)周祚萬(wàn)邀請(qǐng)，諾獎(jiǎng)獲得者Andre Geim安德烈·海姆教授來(lái)到交大訪問(wèn)，并受聘成為西南交大榮譽(yù)教授。就在安德烈·海姆教授訪問(wèn)期間，學(xué)校提出希望派遣一位同學(xué)前往曼徹斯特大學(xué)進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)。楊倩由于出色的英文基礎(chǔ)與專業(yè)知識(shí)，順利拿到了這一資格，并獲得了國(guó)家留學(xué)基金委和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助。當(dāng)年9月，楊倩便前往曼徹斯特大學(xué)Andre Geim（安德烈·海姆）教授課題組進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)，開(kāi)始了在英國(guó)的求學(xué)時(shí)光。

Andre Geim（安德烈·海姆）教授

“panda girl”！

當(dāng)楊倩來(lái)到曼徹斯特大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，她發(fā)現(xiàn)安德烈·海姆教授這樣親切地稱呼她，而同事們對(duì)這個(gè)名字似乎也很是熟悉。在后來(lái)與同事們的交流中，楊倩才得知，安德烈·海姆教授十分喜愛(ài)中國(guó)熊貓，在他在結(jié)束交大的訪問(wèn)回國(guó)之后，曾多次向同事提及：在中國(guó)不僅見(jiàn)到了熊貓，而且還帶回來(lái)一個(gè)“熊貓女孩”。隨諾獎(jiǎng)導(dǎo)師學(xué)習(xí)的過(guò)程中，楊倩深感導(dǎo)師思維的活躍以及思路的新穎獨(dú)到，“他對(duì)于科研的態(tài)度更多的是一種樂(lè)在其中，這個(gè)領(lǐng)域長(zhǎng)時(shí)間的研究使得導(dǎo)師的思維更加獨(dú)到”。楊倩也感慨到，實(shí)驗(yàn)室里有頂尖的設(shè)備和優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)，特別是身邊的同事都很優(yōu)秀，所有人都處于一種很自律的狀態(tài)，她也會(huì)不自覺(jué)的想要提高自己。

楊倩在英國(guó)求學(xué)時(shí)

楊倩在接受揚(yáng)華研究生新聞中心采訪時(shí)坦言，以前博一博二時(shí)對(duì)于科研不太有自信，研究思路也不夠豐富。看到別人的文章時(shí)通常也只是羨慕，更不認(rèn)為自己有能夠在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表文章的機(jī)會(huì)。經(jīng)過(guò)兩年在專業(yè)內(nèi)頂級(jí)團(tuán)隊(duì)的科研訓(xùn)練，楊倩更加理解了科研所需要的態(tài)度與方法。

“國(guó)內(nèi)、國(guó)外的實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有太大的區(qū)別，在硬件設(shè)備上或許有一定的差距，但是研究者的個(gè)人能力、科研精神、科研態(tài)度都是一樣的。真正好的研究者對(duì)于所在專業(yè)是非常熱愛(ài)和有追求的。”楊倩談到了安德烈·海姆教授，“Andre對(duì)于科研非常熱愛(ài)，這幾乎就是他的生活、休閑方式之一。不斷地挑戰(zhàn)自己、超越自己，并且和同行相互交流競(jìng)爭(zhēng)，這是他的樂(lè)趣之所在。”

論文的發(fā)表令人欣喜，但前期的主要工作是耗時(shí)兩年反復(fù)的實(shí)驗(yàn)。楊倩說(shuō)，通常做完一批樣品需要用到十幾臺(tái)設(shè)備，經(jīng)過(guò)諸多嚴(yán)密的步驟，這個(gè)過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間不等，“運(yùn)氣好”的時(shí)候可以一兩個(gè)星期完成，然而這個(gè)過(guò)程常常會(huì)遇到很多其他因素使實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度不定。

楊倩在揚(yáng)華研究生新聞中心辦公室接受采訪

“制備石墨烯需要三五天，而且量也很少，實(shí)驗(yàn)期間如出現(xiàn)樣品污染等問(wèn)題，整個(gè)實(shí)驗(yàn)就得重頭再來(lái)。有次做了大概一個(gè)星期，發(fā)現(xiàn)了樣品污染的問(wèn)題，然后整個(gè)實(shí)驗(yàn)便白費(fèi)了”

在英國(guó)曼切斯特大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里有頂尖的設(shè)備和優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)，這些條件為前沿研究成果的萌芽創(chuàng)造了條件。“頂尖設(shè)備能實(shí)現(xiàn)頂尖想法，同樣重要的是，團(tuán)隊(duì)的每個(gè)人都對(duì)自己的工作非常投入，彼此之間相互激勵(lì)感染。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員們也常常交流討論，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。同樣，過(guò)硬的專業(yè)知識(shí)積累極其重要，只有對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)較為熟悉，才可以與文獻(xiàn)積累碰撞出創(chuàng)新的火花。”楊倩談著她眼中頂級(jí)學(xué)術(shù)論文產(chǎn)生所需的要素。

她堅(jiān)信，沒(méi)有誰(shuí)可以不費(fèi)吹灰之力就能完成一件偉大的事情，驚天動(dòng)地之力往往非常人所能及，大部分的普通人，經(jīng)常感到做科研的壓力很大，但只要一步一腳印，在自己的心明白大的方向是對(duì)的，學(xué)著不斷修正自己的方法和研究思路，不斷堅(jiān)持和努力，就能發(fā)現(xiàn)世界的多樣性，創(chuàng)造屬于我們生活的更好可能性。

03 幸運(yùn)的背后：“導(dǎo)師周祚萬(wàn)教授鼓勵(lì)與引導(dǎo)十分關(guān)鍵”

有人也許會(huì)說(shuō)，她英語(yǔ)好、成績(jī)好，幸運(yùn)地拿到了跟隨諾獎(jiǎng)導(dǎo)師學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，然后順理成章地發(fā)表了高水平論文。“幸運(yùn)女神”似乎始終伴隨著楊倩。真是這樣嗎？其實(shí)，機(jī)會(huì)總是眷顧著有準(zhǔn)備的人，而楊倩正是那個(gè)有準(zhǔn)備的人，而機(jī)會(huì)則是來(lái)自于學(xué)校、來(lái)自于導(dǎo)師周祚萬(wàn)教授。

周祚萬(wàn)教授

當(dāng)談及與石墨烯的緣分時(shí)，楊倩認(rèn)為，周祚萬(wàn)的鼓勵(lì)與引導(dǎo)十分關(guān)鍵。在大三的“功能高分子材料”專業(yè)課上，楊倩第一次見(jiàn)到周祚萬(wàn)教授，聽(tīng)他介紹了高分子材料最前沿理論以及相關(guān)科研進(jìn)展方面的信息。“周老師的教導(dǎo)使我更加理解材料，材料的各種可能性、潛在應(yīng)用也深深吸引了我，從那時(shí)開(kāi)始覺(jué)得，自己以后可能會(huì)去做這個(gè)東西。”同時(shí)，教學(xué)中，周祚萬(wàn)注重學(xué)生理解，引導(dǎo)大家在現(xiàn)有知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行科研的創(chuàng)新。本就有著良好學(xué)習(xí)習(xí)慣和自主學(xué)習(xí)意識(shí)的楊倩也因此更加沉浸于科研之樂(lè)。在大三之后，楊倩積極參加學(xué)校的SRTP訓(xùn)練項(xiàng)目以及學(xué)科競(jìng)賽，并進(jìn)入課題組。“在接觸一些實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)訓(xùn)練之后，我了解了實(shí)驗(yàn)的基本操作以及規(guī)范，知道了怎么去查文獻(xiàn)以及從中找到自己的思路。此外，和實(shí)驗(yàn)室的師兄師姐進(jìn)行交流，讓我對(duì)科研產(chǎn)生了更清楚的認(rèn)識(shí)，也養(yǎng)成了對(duì)科研的態(tài)度。”隨著科研取得一些成績(jī)，楊倩對(duì)于科研更有興趣了，研究方向也漸漸延伸到石墨烯等材料前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題。

本科畢業(yè)之際，楊倩以專業(yè)第一的成績(jī)成功保研，順利拿到浙江大學(xué)的錄取通知書(shū)。可是，思前想后，出于對(duì)于交大實(shí)驗(yàn)室的熟悉以及對(duì)于成都這座城市的習(xí)慣，楊倩毅然放棄浙大的機(jī)會(huì)，選擇繼續(xù)留在交大，成為周祚萬(wàn)的直博生，開(kāi)展碳基納米材料研究。

對(duì)于愛(ài)徒，周祚萬(wàn)用“有方法、刻苦”來(lái)形容她。他指出，楊倩在讀博之初，為了進(jìn)一步提高自己的英語(yǔ)能力和專業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，在課余時(shí)間苦練英語(yǔ)，經(jīng)過(guò)半年的努力，她的英語(yǔ)不僅滿足專業(yè)學(xué)習(xí)要求，而且也能與同行業(yè)的外籍友人無(wú)障礙交流。

04 一作再發(fā)Nature 破解“百年謎題”

據(jù)西南交大官微報(bào)道，12月10日，出版的國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature發(fā)表了楊倩（現(xiàn)為英國(guó)曼徹斯特大學(xué)博士后）為第一作者的文章“Capillary condensation under atomic-scale confinement”，報(bào)道了納米限域毛細(xì)凝聚新理論，并對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)爾文公式進(jìn)行了修正，使其能夠更好地描述亞納米尺度的毛細(xì)凝聚現(xiàn)象，為解開(kāi)毛細(xì)凝聚這一百年謎題提供了方案。西南交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院院長(zhǎng)、材料科學(xué)與工程學(xué)院材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授周祚萬(wàn)為該文章的共同作者。

毛細(xì)凝聚，是我們從教科書(shū)中學(xué)到的自然現(xiàn)象，通常在接觸表面或多孔材料中發(fā)生，在我們生活中處處存在，會(huì)影響包括摩擦、吸附、潤(rùn)滑、腐蝕等在內(nèi)的諸多重要性質(zhì)，也在微加工技術(shù)、醫(yī)藥、食品加工等許多工業(yè)技術(shù)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，就連小孩子們?cè)谏碁┥贤嫠６哑龅纳潮ぃ搽x不開(kāi)毛細(xì)凝聚。毛細(xì)凝聚現(xiàn)象通常由開(kāi)爾文方程進(jìn)行科學(xué)描述，該方程提出距今已有150余年，能很好地解釋在大于10 nm通道中的毛細(xì)凝聚現(xiàn)象，這個(gè)寬度只有人頭發(fā)絲的千分之一。然而若想要毛細(xì)凝聚發(fā)生在環(huán)境濕度條件（通常是相對(duì)濕度30-50%） 下，通常需要更小（<1 nm） 的通道尺寸，而這個(gè)尺寸跟水分子自身大小（大約0.3 nm）相當(dāng)。在這種情況下，自發(fā)凝聚的通道中便只能容納幾層水分子，顯然宏觀開(kāi)爾文方程不能繼續(xù)用于闡述該尺寸下的毛細(xì)凝聚現(xiàn)象。實(shí)際上，在該尺度下開(kāi)爾文方程甚至不再具有意義，例如當(dāng)只有幾層水分子存在時(shí)，我們無(wú)法定義水半月板的曲率半徑這一開(kāi)爾文方程中的重要參數(shù)。但長(zhǎng)期以來(lái)，用于驗(yàn)證開(kāi)爾文方程適用性的體系受限于表面粗糙度等實(shí)驗(yàn)問(wèn)題難以建立，因此，即使開(kāi)爾文方程的適用性雖并未得到完全證明，卻依然在被大家廣泛使用。

來(lái)自曼徹斯特的研究者們通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的努力，采用具有原子級(jí)別光滑表面的云母和石墨二維晶體，通過(guò)將具有一定原子層數(shù)的二維晶體堆疊在兩層晶體間，得到了具有原子級(jí)別光滑表面的納米通道，最小的通道只有1個(gè)原子層高度，只能容納一層水分子。該工作證明即使在這樣最小的通道里，開(kāi)爾文方程依舊適用。這是一個(gè)很意外的結(jié)果，甚至和我們的認(rèn)知相違背，因?yàn)樵谶@么小的維度里，連水分子的結(jié)構(gòu)都是離散的層狀結(jié)構(gòu)。“這對(duì)我來(lái)說(shuō)很意外，我們期望的是傳統(tǒng)理論失效”本文的第一作者楊倩博士說(shuō)到，“但這個(gè)有著百年歷史的方程居然依舊成立”；她提到，開(kāi)爾文方程這種良好的適用性，也同樣是偶然的。在發(fā)生毛細(xì)凝聚的納米通道中通常會(huì)產(chǎn)生超過(guò)1000個(gè)大氣壓的負(fù)壓，超過(guò)深海海底的壓力，如此巨大的壓力可以使通道發(fā)生埃 （1埃 = 0.1 nm） 級(jí)別的尺寸調(diào)整，而這就能夠使通道只容納整數(shù)層水分子。正是由于這樣的細(xì)微調(diào)整，使得開(kāi)爾文方程具有了在該尺度下的廣泛適用性。

“好的理論通常都有這樣的特性，能在適用范圍外依舊合理”，文章通信作者、諾貝爾物理獎(jiǎng)得主、西南交大榮譽(yù)教授A. K. Geim博士說(shuō)到，“開(kāi)爾文勛爵是偉大的科學(xué)家，有許多重大發(fā)現(xiàn)，但即使他看到這樣的結(jié)果可能也會(huì)感到驚奇，畢竟他最早的實(shí)驗(yàn)是建立在毫米級(jí)別尺度下的。但實(shí)際上，他也曾預(yù)言這是不可能的。所以，我們的工作能同時(shí)證明開(kāi)爾文既是正確，也是不正確的”。

05 寄語(yǔ)學(xué)弟學(xué)妹

在接受揚(yáng)華研究生新聞中心采訪時(shí)，當(dāng)楊倩被問(wèn)到有什么學(xué)習(xí)建議可以給研究生師弟師妹們分享時(shí)，她認(rèn)為有三點(diǎn)非常重要。首先，要扎實(shí)地打牢理論基礎(chǔ)，掌握好最基礎(chǔ)的知識(shí)點(diǎn)，這些積累會(huì)對(duì)以后做科研起到很大的幫助。其次，要做一些看似“無(wú)用”但是自己喜歡的事情，在未來(lái)會(huì)有意想不到的收獲，每一份努力都會(huì)有回報(bào)。再者，就是要自我激勵(lì)，對(duì)自己每天要做的事情有所規(guī)劃，提高效率。

楊倩在揚(yáng)華研究生新聞中心辦公室接受采訪

論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2978-1

https://www.nature.com/articles/nmat5025

https://science.sciencemag.org/content/358/6362/511