赵保丹:在钙钛矿的世界寻找科学之美

稿源: | 作者: 日期: 2020-10-10

她是2020年达摩院青橙奖唯一的女性得主

90后女孩赵保丹的生活里有两个世界。

一个是现实的物理世界,她的身份是浙江大学光电科学与工程学院的一名青年教师,梳着利落的短发,生活里喜欢很少女的蓝色和粉色、喜欢追剧和胡歌,“方向感不太好,分不清东南西北”,但是能和跟她几乎同龄的博士生们“打成一片”。

另一个世界由手套箱、蒸镀仪、器件表征设备、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、荧光光谱仪、超快激光光谱仪等构成,借助这些普通人难以想象和理解的精密仪器,赵保丹可以走向充满钙钛矿晶体的微观物理世界。在那里,她的思维和创意以一片片晶体为原点,向外发散、延展,直至科学探索的边界。

在前一个世界,她是闪闪发光的元气女孩,谈起“理想型”会害羞。在后一个世界,她是暗夜前行的睿智学者,2020达摩院青橙奖唯一的女性得主。在“30而已”的年纪,少女与硬核,毫不费力地共存着。

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站在杭州湖畔大学的会议室里,赵保丹讲起钙钛矿带给她的科研故事。

虽然今年刚满29岁,赵保丹已经有一张非常漂亮的科研成绩单。她参与撰写过20余篇SCI论文、在《自然》《科学》《细胞》系列等世界级科学期刊上共同发表7篇论文;她突破了“钙钛矿LED效率”的世界纪录,还在2019年获得《麻省理工科技评论》中国区“35岁以下科技创新35人”的称号。

赵保丹和钙钛矿的缘分要从2014年开始。那年,她在南京大学物理系读完本科,申请到了剑桥大学的博士修读机会,加入卡文迪许实验室,导师是世界知名光电物理学教授Richard Friend院士。

很多申请这个研究院的学生都有硕士经历,赵保丹是个本科生,年纪就比同级入学读博的同学们小一点,而且,本科阶段更重理论而非实验,仅仅在实验室做过一年的研究助理,课余时间参与过一些科学研究,但都比较浅显。

对于搞研究这件事,用她自己的话形容,“完全是一个萌新”。

那时,赵保丹还不知道在光电物理领域,一场新材料的变革已经悄然兴起。

2009年,日本科学家宫坂力团队首次将钙钛矿材料用于染料敏化太阳能电池中,作为吸光材料,获得3.8%的光电转化效率。这意味着早在1839年就被发现却一直难以获得稳定光电转化效率的钙钛矿有了应用的可能性。之后,钙钛矿电池成为国内外顶尖高校物理实验室的研究目标,还入选美国《科学》2013年十大科学突破奖。也为能源、环保和材料等领域的科研人员提供新的研究方向。

2014年,赵保丹所在实验室的师兄师姐组成的一支课题小组发表了第一篇钙钛矿发光二极管的论文,在世界范围内获得了关注。也是因为这件事,赵保丹注意到了钙钛矿。

作为一种新材料,钙钛矿虽然发光特性表现得优异,但真的要投产使用的话,还有很多有待开发和完善的空间。首先,它不够稳定,最初在实验室中,钙钛矿LED的发光时长经常不超过十秒,如果要实现应用,这个稳定性还远远不够。另外,钙钛矿中还存在有毒物质,铅,必须通过一定的化学物理手段降低这种材料的毒性,才能让它得到广泛的应用。

对于大部分卡文迪许实验室的研究员们来说,钙钛矿都是一个几乎全新的、陌生的领域,虽然有很多还未开发的空间,但“大家对新的课题和方向还是持有怀疑态度”。赵保丹有股初生牛犊的气势,她是一个科研新手,理论上大部分课题对她来说都是“新”的。

她决定加入这个课题小组,投入钙钛矿发光的研究。

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那是一个远比她想象得更丰富的世界。

181年前,德国化学家古斯塔夫·罗斯在俄罗斯乌拉尔山探险时,发现了天然矿物钛酸钙,这是人类首次发现的第一种钙钛矿。赵保丹说,虽然钙钛矿名字叫“矿”,实际上是一类晶体结构的总称,学术界将满足ABX3化学式结构的、与钛酸钙拥有相同晶体结构的物质都叫做钙钛矿。

在这个结构式里,A、B、X都可以自由替换,不仅可以是单一离子,还可以是某种有机基团,也就是说,符合这个条件的材料种类是无穷无尽的,对于科研人员来说,钙钛矿的丰富性也构成了科研的丰富性。

在荧光显微镜下,赵保丹制作出来的钙钛矿晶体可以发出各种各样的颜色,彩虹色色带上的每一个颜色她都见过。

她经常会想到和Richard Friend院士第一次开会时,导师告诉她的话:“你要多和别人聊天,找到你真正感兴趣的事情,剑桥会给你时间、给你自由让你去做你想做的研究。博士学位是属于你自己的,你要对你自己的学位负责。”

在英国读博的四年,她把大部分时间都贡献给了实验室,每天除了吃饭睡觉,她都泡在实验室里搞科研,是整个实验室100多个成员里最勤奋的几个人之一。

部分光学实验对光的敏感度比较高,科研人员们更倾向于在晚上做实验,夜晚也更安静,让人能更沉下心来思考。赶项目的时候,赵保丹除了看文献,还曾经连着四五天在实验室里通宵。

刚到剑桥的时候,赵保丹还是一个看上去比较弱小的中国女孩,她没有科研经历,语言上还存在一些障碍,不仅是导师,可能很多人都一度对她没有特别高的期望。赵保丹的一位师姐曾经特别担心她在实验室的状态,“看上去什么都不会,什么都不懂,怎么适应国外的学术生活?”

但她自己倒是神经大条。和科研萌新合作会比较辛苦,有的人不是那么愿意和没经验的博士生一起合作,遇到困难时,赵保丹也总是敢于表达,因此也能得到别人的帮助。在自己的摸索中,赵保丹渐渐找到了科学研究的门路。入学半年后,师姐过来探望她,惊讶于她突飞猛进的成长。

赵保丹在钙钛矿领域的第一个代表作,产生于剑桥。她利用钙钛矿和聚合物的异质结构,几乎完全抑制了材料本体和器件界面上的非辐射损失,实现了接近100%的内量子效率。这篇论文撰写完成后,作为封面论文发表在《自然·光子学》上。

整个研究花了一年半时间,在读博的第三年,终于问世了。最初看到这些研究数据时,Richard Friend院士表现得非常吃惊,“有一瞬间他可能甚至不相信是我做的”,赵保丹说,“他应该觉得很意外”。

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采访的过程中,只要聊到科研的话题,赵保丹都表现得极其乐观。那些让很多博士生痛苦的论文、毕业、答辩、就业烦恼,好像统统都和她是绝缘的。

倒不是说,她的项目每一个都顺风顺水。实验做不出来,效率怎么都提不上去,想了很多办法依然没头绪的日子也有很多,经历的困难要是真的数也确实很难数清楚,可这些并没有干扰到赵保丹的心态。

“搞科研就是很快乐。”说起这个结论时,赵保丹的语气会让你相信她是真诚地热爱科研。

赵保丹是江苏人,从小理工科就非常好,喜欢钻研问题。读高中的时候,她的数理化成绩一直名列前茅。一开始,她最喜欢化学,因为“化学给人感觉很丰富”。到了高三的时候,做题做得多了,她发现化学考试好像更看重细节,“经常给你挖个坑,比如说,写某个材料的化学式/结构式,一定要看准题目才能做对,规则比较复杂”。

但物理却给她完全另一种感觉,不仅题目本身是简洁的,解题到最后,大部分看似复杂的问题都可以指向牛顿三大定律这样的原理。那种感觉形容起来的话,赵保丹做了一个类比,“就像背古诗,背一首、两首,后面还有很多。但是物理是,你学得越多,最终统一到很少的几个公式,反而变得越少。”她说,“这是很美的一件事”。

发现了这个“奥妙”之后,她物理题做得就越来越快,准确度也非常高。几乎是在那一刻,赵保丹就决定了大学就选择了物理方向。

在研究风格上,赵保丹也是比较务实的那一派。南大的物理系就比较注重理论和实践的结合。而博士生导师Richard Friend院士更是一个把基础研究和实际应用都做得非常好的科学家,他不仅有学术水平超一流的论文与发明,影响了整个学术界,而且还推动把聚合物光电子器件用于实际应用,推动了产业的发展。

博导是赵保丹最敬佩的科学家。

回国后,赵保丹加入了浙江大学,成为一名年轻的博士生导师。她想延续自己老师的风格,不给学生设限,让每个人保持对科学的好奇心和创造性。在赵保丹看来,科学是需要创造力的,就像艺术一样。“科学也需要灵感,需要倾注心血去反复打磨,最终获得一个完美的作品。”赵保丹说。

成为博导是一个新的挑战,她不仅要指导学生,还要管理实验室,这些构成一个更复杂的系统,需要她在其中组织和协调。以前,她有很多时间自己去做实验,现在几乎不能亲自泡在实验室了。但她的科学梦想一直还在。

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8月,赵保丹参加了一场由阿里巴巴达摩院主办的学术答辩会。9月9日,达摩院对外公布2020年“青橙奖”评选结果——本年度最具科研潜力的10位中国青年科学家。其中唯一的女性就是赵保丹。

青橙奖是达摩院在2018年设立的公益性学术评选,目的是选拔和支持35岁及以下的优秀的中国青年科学家。在科研这个注定只有少数“天选之子”才可踏足的深幽领地,青橙奖名单透露出中国青年学术圈令人望而生畏的金字塔光芒——10位选手,平均年纪31.9岁,“人均履历”是教授、副教授、研究员,“人均成就”是普通人读不懂的顶级论文、重大突破和世界纪录。

赵保丹在钙钛矿领域的研究,让她在20位候选者中脱颖而出。她答辩的时候,候场的选手们屏息聆听,目露钦佩之意。答辩结束,她觉得与评委们相谈甚欢,自己给自己鼓劲:“可可爱爱丹丹子冲鸭!”

在这个看似严肃的场合,她也并不掩饰自己的天性,并不担心她的“少女态”会触发什么不利于她的社会成见。科学家是用专业说话的。赵保丹用一个科研版的“女性力量”故事,打破了很多人对科学家的刻板印象。

事实上,出现在青橙奖名单上的新一代中国科学家,都表现出了某种消解成见的“破壁”特性。科学家不一定两耳不闻窗外事,山东大学教授聂礼强要求他的博士生“做社会需要的人”,会开车、会做饭、会恋爱,博士毕业之前跑完半马;研究工业控制软件的清华大学副教授姜宇,曾经也是认真追剧的“宅宅”,剧目名单上有《捧日之月》、《来自星星的你》、《蓝色生死恋》;北大杨诗武曾是湖北黄冈著名的奥数金牌得主,并且成长为了世人想象中的数学家,当他投身深不见底的宇宙和黑洞研究之时,仍然不忘为普天下的“天才”说话:不是每个天才都有义务走科研道路,人最重要的是按自己的而非别人的意愿生活。

达摩院给了每位获奖者100万奖金,阿里承诺对他们开放所有科研资源。达摩院院长张建锋说,达摩院支持青年科研人才不求回报。100万奖金不一定要投用在科研项目上,想怎么怎么花,科学家们甚至可以拿来买房、付首付、改善生活。

这也是在打破长久以来的社会偏见:做科研的人一定要清苦、要奉献、要牺牲自我。达摩院说,不是这样的,人是一切的基础,作为人的科学家才是社会创新的源动力所在。支持科学家的自我发展,就是支持科研。

对于赵保丹来说,这笔奖金意味着,她在很长一段时间里,不需要为了增加收入而去做自己不喜欢的研究。

在科研的世界里,你做的妥协越少,你离梦想就越近。现在,全世界的发光二极管知识产权大多被美国、欧洲、日本和韩国垄断,“研究新兴的材料其实也是为了打破这些垄断,在这个领域中占据知识产权的优势。”赵保丹说。

钙钛矿的世界还有很多未知等待她去探索。她坚持不懈做好自己,就是做好科研。

 

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南方人物周刊 2020 第31期 总第649期
出版时间:2020年10月19日
 
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