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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(gè)詞我特別喜歡。

我曾是學(xué)物理的，現(xiàn)在卻在化學(xué)分會(huì)做報(bào)告，確實(shí)是有一點(diǎn)跨界的性質(zhì)。現(xiàn)在我們工作的方向有一點(diǎn)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(shuō)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(shí)做了很多年，明年就是我“出道”的第二十個(gè)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(jué)得同樣的問(wèn)題也存在于石墨烯上。

我的課題組做過(guò)碳納米管的生長(zhǎng)，后來(lái)也開創(chuàng)了石墨烯帶的合成，我們能將碳納米管從一個(gè)硅的柱子長(zhǎng)到另一個(gè)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(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授）在斯坦福大學(xué)用三個(gè)月時(shí)間做出了碳納米垂直于表面生長(zhǎng)（Science 283, 512 (1999)）。多年來(lái)范老師非常執(zhí)著，已經(jīng)能夠把這個(gè)材料做成手機(jī)的屏幕，石墨烯現(xiàn)在也有了類似的應(yīng)用。能從一個(gè)科學(xué)（成果）轉(zhuǎn)化成一個(gè)有實(shí)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(gè)博士生孔敬，北大本科畢業(yè)，后來(lái)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(jìn)行生長(zhǎng)（Nature 395, 878，1998）。

當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)工作確實(shí)令人非常激動(dòng)，因?yàn)槲覀兛梢詫?shí)現(xiàn)將碳納米管集成到電路里面做電子器件。在這個(gè)過(guò)程中我確實(shí)也學(xué)到了很多東西，如將碳納米管懸掛起來(lái)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(gè)原子都要在它應(yīng)該在的位置上，通過(guò)低溫進(jìn)行測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)完美的納米管的實(shí)驗(yàn)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(gè)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(méi)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(lái)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(jì)算機(jī)。

此外，清華化學(xué)系副教授焦麗穎在斯坦福做博士后時(shí)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(lái)說(shuō)確實(shí)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(shí)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(yù)教授，原子力顯微鏡發(fā)明人之一），我剛到斯坦福的時(shí)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(gè)好的科學(xué)家要經(jīng)常思考是否能做一點(diǎn)新的東西，也許每十年做一個(gè)新的東西、稍微改變一下方向是一個(gè)比較聰明的做法。他以朱棣文為例，朱得諾貝爾獎(jiǎng)的工作和他現(xiàn)在做的工作一點(diǎn)關(guān)系都沒(méi)有。我受到了啟發(fā)，也確實(shí)覺(jué)得一個(gè)材料做了一段時(shí)間以后，你會(huì)覺(jué)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(diǎn)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(gè)不熟悉的領(lǐng)域，你卻不一定知道該做什么。

通過(guò)一段時(shí)間的摸索，我們開始找到了一些新的方向，其中一個(gè)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(gè)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(huì)對(duì)碳管中的電子運(yùn)動(dòng)造成很大的影響。因?yàn)橐桓脊艿谋砻嫘?yīng)立刻就可以影響它的物理電學(xué)的性質(zhì)，會(huì)形成一個(gè)傳感器（Sensor），后來(lái)的納米傳感器（Nano Sensor）用的碳管和納米線應(yīng)該就是從這個(gè)工作開始的。

從此，我們嘗試做了一些分子探測(cè)的工作，并思考將納米碳材料與生物的分子結(jié)合起來(lái)做生物檢測(cè)——一些和疾病相關(guān)的抗體和蛋白的檢測(cè)。我們做了一系列的工作，包括如何對(duì)碳管進(jìn)行化學(xué)修飾，然后接上一些蛋白或抗體。接下來(lái)我們又做了細(xì)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(xì)胞內(nèi)，然后用紅外激光照射殺死腫瘤。我的另外一個(gè)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(guó)化學(xué)界一個(gè)非常出色的“新人”，當(dāng)時(shí)的研究成果將我們碳納米管輸藥治療腫瘤的工作推動(dòng)到了一個(gè)高潮。

今天我想著重講一個(gè)比較新的、也是我們很看好的一個(gè)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(gè)特色，就是把熒光成像做到了很長(zhǎng)的波長(zhǎng)，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(zhǎng)是800納米，用來(lái)激發(fā)一些我們開發(fā)的特殊的熒光材料，來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射光的波長(zhǎng)能達(dá)到1000多個(gè)納米。這些熒光材料現(xiàn)在已經(jīng)包括了納米管和量子點(diǎn)，也包括了有機(jī)聚合物和小分子。

大家都知道，人和動(dòng)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(jìn)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(dá)到分子級(jí)的分辨率，至少要達(dá)到細(xì)胞級(jí)的分辨率，即十個(gè)微米。如果能夠看到一個(gè)單細(xì)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(huì)有很大的進(jìn)步。

在一般成像情況下，可見光的光子進(jìn)入體內(nèi)以后會(huì)散射，出去以后也會(huì)散射，那么這種成像就會(huì)因?yàn)楣庾颖簧⑸涞奈锢憩F(xiàn)象（Scattering）從而變成一片模糊。在過(guò)去八年左右的時(shí)間，我們意識(shí)到了生物組織的吸收光隨著波長(zhǎng)有變化，實(shí)際上波長(zhǎng)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(gè)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(guó)萊斯大學(xué)已故化學(xué)系教授，被譽(yù)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(shí)候可在1000多納米測(cè)到熒光（Science. 2002 Jul 26;297(5581):593-6）。如此大的波長(zhǎng)差可以降低生物體系的自身熒光來(lái)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(jìn)了小鼠體內(nèi)并成功實(shí)現(xiàn)了近紅外二區(qū)的動(dòng)物成像，可以清晰地透過(guò)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(gè)事情在當(dāng)時(shí)是不太容易的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的單光子動(dòng)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(guó)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(jìn)到了一個(gè)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(guò)小鼠腿部皮膚組織看見血管結(jié)構(gòu)，達(dá)到幾毫米的深度，而且可以看到實(shí)時(shí)血管流動(dòng)的情況。成像的穿透深度及清晰度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的800納米的熒光成像方法。

在這之后，因?yàn)楫?dāng)時(shí)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(duì)大腦成像，無(wú)一例外要在頭上打一個(gè)洞，把皮膚和骨骼都去掉，然后才能成像。我們實(shí)現(xiàn)了在近紅外二區(qū)檢測(cè)1300納米的熒光可以看進(jìn)去小鼠大腦成像，有點(diǎn)“火眼金睛”的感覺(jué)。

另外一個(gè)北大的學(xué)生刁碩進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)細(xì)胞的尺寸。我相信近紅外二區(qū)成像可以做到進(jìn)入頭顱或者皮膚厘米級(jí)的深度，且達(dá)到遠(yuǎn)低于單細(xì)胞尺度的分辨率是沒(méi)有問(wèn)題的。

此前我們研究的是碳管及其他無(wú)機(jī)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(gè)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(zhǎng)在800納米，為什么FDA能夠批準(zhǔn)？因?yàn)樗梢匝杆購(gòu)哪蛞号懦鋈?，?duì)人體沒(méi)有任何的負(fù)面影響。受此啟發(fā)，現(xiàn)在我們開始做一些分子。第一個(gè)成功的例子發(fā)光波長(zhǎng)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(huì)進(jìn)入膀胱并從尿液當(dāng)中排泄出來(lái)。

我們覺(jué)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(shí)候提供一些指引，這個(gè)還可以進(jìn)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(gè)新的分子，這個(gè)分子較之前的分子要更亮一些，發(fā)光波長(zhǎng)是1100或者1200納米，我們用來(lái)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(shí)間）血液流不進(jìn)去，這被稱為灌注不足（Hypoperfusion）。用這個(gè)辦法我們就可以直接觀察這個(gè)過(guò)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(duì)大腦進(jìn)行熒光成像來(lái)觀察腦部受損的情況。

以上是我們?cè)谏锍上穹矫娴墓ぷ鳎@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(lái)越多同事們未來(lái)發(fā)展的一個(gè)項(xiàng)目。

我和我的團(tuán)隊(duì)另外一個(gè)新的成果是鋁離子電池的發(fā)明。

人類對(duì)電池的需求自不必說(shuō)，我們每天都在使用手機(jī)、電動(dòng)車。用鋁做電池很容易理解，因?yàn)殇X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(lái)。我們?cè)?015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(jiǎn)單，也特別意外。

電池的兩個(gè)電極一個(gè)是鋁，一個(gè)是石墨，就這么簡(jiǎn)單，拿一個(gè)家家戶戶都有的鋁箔和鉛筆里的石墨，然后放進(jìn)有機(jī)鹽和無(wú)機(jī)鹽的離子液體溶液，就可以做一個(gè)電池。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)不是一蹴而就的，我們?cè)趲缀跻艞壍臅r(shí)候才偶然完善了電池的配方。

這個(gè)電池的原理是負(fù)極（鋁）這邊有一個(gè)可逆的金屬鋁的氧化還原反應(yīng)，因?yàn)殡姵匾潆姺烹娨欢ㄒ锌赡娴碾姌O反應(yīng)。這個(gè)氧化還原稍微有點(diǎn)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(gè)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(gè)可逆的鋁的氧化反應(yīng)利用起來(lái)做成電池人們卻一直不得而知。

我們?cè)?015年偶然發(fā)現(xiàn)用石墨做正極與鋁搭配就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(lái)實(shí)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(jìn)到了石墨層之間，隨后還可以出來(lái)，并且可逆次數(shù)可以超過(guò)萬(wàn)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(shí)做出這些結(jié)果來(lái)的時(shí)候，我們非常的興奮。我們進(jìn)一步在充電、放電用了一個(gè)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(rùn)及離子的擴(kuò)散非常容易，在這種情況下離子出入特別的快，可以實(shí)現(xiàn)一分鐘的充放電次數(shù)達(dá)8000次，實(shí)驗(yàn)室最多曾達(dá)45000次，而且對(duì)石墨基本無(wú)損。

讓人更加興奮的是我們和臺(tái)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(gè)真正意義上的電池：利用并聯(lián)串聯(lián)這樣一些簡(jiǎn)單的原理做了一個(gè)大電池塞到摩托車?yán)锩?，這個(gè)車子就可以跑了。這對(duì)我來(lái)講是一個(gè)很重要的事情，因?yàn)橐粋€(gè)結(jié)果從實(shí)驗(yàn)室文章發(fā)表以后六個(gè)月就做出產(chǎn)品讓摩托車在路上跑了，可以說(shuō)是給我的一個(gè)很大的回饋。毫無(wú)疑問(wèn)現(xiàn)在鋁電池可以工作了，下一步的問(wèn)題是這個(gè)電池會(huì)有怎么樣的前景。

我覺(jué)得鋁電池有一系列潛在的優(yōu)點(diǎn)。儲(chǔ)能的需求實(shí)在是太多了，除了鋰電池和鉛酸電池基本上沒(méi)有其它的電池。所以任何新的電池應(yīng)該都值得細(xì)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(gè)在地球上富有和廉價(jià)的元素來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(wàn)，充電時(shí)間可到一分鐘，且不會(huì)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(jìng)爭(zhēng)。而鉛酸電池眾所周知是對(duì)環(huán)境有負(fù)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(chǎng)在所有電池中是第一位，所以對(duì)鋁電池以后的發(fā)展我很有信心。