張如范：造「天梯」材料，清華引領的下一個國之重器

2019年1月21日，《麻省理工科技評論》公布了2018年「35歲以下創新35人」（Innovators Under 35 China）中國區榜單。從榜單中，我們看到更多中國創新科研力量的崛起，也看到跨學科、跨領域、並且對落地應用有更強烈企圖心與使命感的科研創新，這其中涵蓋人工智慧研究與應用、NLP、腦科學、新材料、新能源、生命科學、生物科技、自動駕駛等多個不同領域。我們將陸續發出對35位獲獎者的獨家專訪，介紹他們的科技創新成果與經驗，以及他們對科技趨勢的理解與判斷。

關於Innovators Under 35 China榜單

自 1999 年起，《麻省理工科技評論》每年都會推出「35歲以下創新35人」（Innovators Under 35 China）榜單，旨在於全球範圍內評選出被認為最有才華、最具創新精神，以及最有可能改變世界的 35 位年輕技術創新者或企業家，共分為發明家、創業家、遠見者、人文關懷者及先鋒者五類。2017年，該榜單正式推出中國區評選，遴選中國籍的青年科技創新者。新一屆榜單正在徵集提名與報名，截止時間2019年5月31日。詳情請見文末。

世界上強度最強的材料是什麼？高純鋼？鈦合金？碳纖維？不，人類已知抗拉強度最高的材料，是碳納米管。

碳納米管的密度只有鋼鐵的1/6，但強度卻可以達到它的100倍以上。此外，與常規用於製造大規模集成電路的硅相比，碳納米管還可以攜帶比硅多得多的載流子，並可以更快地散熱，從而也可以用於製造高性能的碳基半導體。

因此，碳納米管是一種潛力巨大的下一代超級材料，是未來超強材料和碳基半導體的核心，可以用於製造航空天梯等許多我們現在的世界還不存在的產品，在航空航天、超級建築、高性能防彈衣、透明顯示器、高性能晶元等領域，有著廣泛的應用前景。

然而，如果想要充分發揮碳納米管纖維的力學性能，真正成為改變未來的超級纖維材料，就必須讓直徑只有1-2納米（約為一根頭髮粗細的好幾萬分之一）的碳納米管，生長到厘米級、分米級甚至米級的長度。如果達不到這樣的宏觀長度，在拉力的作用下，碳納米管纖維就很容易產生相互滑移，甚至從缺陷處斷裂。而且，作為一種單晶材料，碳納米管對於缺陷是十分敏感的。有效的碳納米管纖維，必須保證每一根碳納米管都在數億倍於自己直徑的長度上，維持完美的結構。

因此，超長碳納米管的製備，十幾年來一直是國際公認的難題。2009年，張如范正式成為清華大學化工系的一名博士生。從此以後，他開始了在碳納米管領域多年的研究歷程，並逐漸在這種超級材料的製備方面取得了多項關鍵的突破進展。

現在已經成為清華大學化工系教研系列助理教授、博導、特別研究員的張如范，1986年出生於山東聊城的一個普通農村家庭。父母除了一直要求孩子們「堂堂正正做人，踏踏實實做事」以外，並未在他的學業上給予過多的指導。這種成長環境反而讓張如范養成了比較好的自我管理和學習的習慣，他從小學升到大學的學習成績一直保持優異。

然而，他的成長道路並非一帆風順。這期間，他經歷過高考報志願失誤而導致的復讀，也經歷過對專業的彷徨，但他總能憑藉自己的才智與毅力，更重要的是「不服輸」的堅韌性格，戰勝困難，不斷前進。2009年，張如范以專業第一名的身份，從中國石油大學（北京）保送到清華大學化工系攻讀博士學位，挑戰超長碳納米管製備這個國際難題。

一開始，張如范的研究工作並不順利。在讀博的前三年，課題的難度給他帶來了巨大的壓力，也讓他一度感到心情非常鬱悶。但不論任何事情，不論他感不感興趣，只要他選擇去做，就一定會儘力把它做好。經歷過三年的困頓之後，他慢慢找到了科研的門路，發現了突破超長碳納米管製備的關鍵。通過對碳納米管的生長機理進行深入研究，他突破了以往碳納米管製備技術的限制，在質量、熱量和動量的傳遞都接近極限狀態的條件下，實現了上百億個碳原子的幾乎零缺陷自組裝，這種概率就好比做到了在全國十四億人口中，「壞蛋」的數量不超過兩三個。

（來源：張如范）

於是，他們在世界上首次實現了半米級長度的超長碳納米管的可控制備，並且證明了其具有完美的無缺陷結構和接近理論值的優異性能。這個長度，是當時世界紀錄的近3倍。之後，他們又通過合適的處理，讓每一根碳納米管都保持了較好的結構和排列，製備出了強度高達80GPa的超強纖維，其強度遠超過世界上任何一種纖維材料。這項研究成果，被廣泛認為是具有里程碑意義的突破性進展，世界知名碳材料專家Rodney S. Ruoff 稱讚這項突破「架起了跨越碳管理論極致性能與宏觀碳管纖維實際力學性能之間巨大鴻溝的橋樑」。

張如范認為，科學研究不僅是一項職業，更是一種「探究未知領域、發現萬物規律、加深人類認識、進行技術創新、造福人類社會」的需要崇高使命感的神聖事業。2018年，在斯坦福大學崔屹課題組完成博士後研究的張如范，回到母校清華大學任教，繼續他的科研之路。目前他正從事納米碳材料和功能納米材料的研究，致力於更深入地探究超長碳納米管的生長機理，以期從方法論的層面實現大批量製備技術的創新。這是超長碳納米管研究的最後一道難關，一旦攻克，這種具有戰略層面意義的革命性新材料，就將成為又一個國之重器。

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