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陸春華:穿梭于“光影”世界,助力光譜材料跨界
發布時間:2021-06-16     作者:金鳳 朱琳   來源:科技日報   分享到:

這幾天,南京工業大學材料學院院長陸春華與他的手機進入“蜜月期”。前不久,他購置了4塊太陽能電池板,將團隊研發的輻射降溫膜貼在上面,查看這種新材料能否給電池板降溫,發電量又是否會增加,為下一步的中試做準備。讓他興奮地是,“貼膜后,太陽能電池板每天的發電量比以前提高了3%-5%?!?/p>

近日,陸春華榮獲第二屆“江蘇建材行業十大科技人物”稱號。自1998年到2021年,他穿梭于光影世界,研制防激光玻璃材料、利用光轉換促進植物生長、用光催化降解污染物或制氫,將光譜材料的性能被發揮到極致。

南京工業大學材料學院院長陸春華在實驗室,受訪者供圖

歷時一年,燒出第一塊吸收激光的玻璃

在獲悉榮獲第二屆“江蘇建材行業十大科技人物”稱號后,陸春華欣喜之余,卻對記者提起他心心念念了3年的一塊特殊玻璃。

這塊玻璃對于陸春華意義非凡,那是他讀研時成功燒制的第一塊玻璃。它和其它玻璃一樣晶瑩剔透,不同的是,它被摻雜了特殊的離子材料,經過1450℃高溫燒制,最終冷卻后,可以成功地吸收激光。也是從這塊玻璃開始,陸春華和光譜材料結下了不解之緣。

陸春華與玻璃的緣分,要追溯到1998年上半年的一天。那時,在讀研究生二年級的他,突然接到導師許仲梓教授一個任務:做一種國內前所未有的防激光玻璃材料。這是國內急需的一種材料,陸春華毫不猶豫地接下這塊“硬骨頭”??墒窃搹暮翁幦胧帜??“當時關于這種玻璃材料一點概念都沒有,它的原理是什么,該如何設計,沒有任何經驗?!?/p>

“一無所有”的陸春華選擇了從做文獻調研做起。陸春華翻遍了當時學校乃至整個南京的圖書館,一無所獲。于是,他又動身前往北京國家圖書館,“日出而作、日落而息”地翻閱文獻。

當時,陸春華住在大學同學單位的會議室,每天坐著水泥攪拌車,雷打不動地第一個進圖書館,最后關門時候才出來。15天過去了,陸春華翻遍了圖書館激光防護材料方面的文獻,可資借鑒的卻幾乎為零。

回到學校后的陸春華,決定從最基礎的顏色玻璃開始學習?!靶枰盏募す獠ㄩL是確定的,我就開始以此著手,不斷地嘗試哪種離子可以吸收該波段的激光?!贝蟾沤涍^了一年半時間,吃喝住都在實驗室的陸春華,大約試過了幾乎所有能夠吸收光的金屬離子材料,包括20多種具有多種價態的過渡金屬與稀土離子。

直到1999年底的一天,實驗室的顯示屏上,保持了一年多的直線終于“急轉直下”,材料顯示出良好的激光特征吸收屬性。陸春華終于燒出一塊可吸收激光的玻璃。突破性的進展讓陸春華喜出望外,他一鼓作氣,通過調整材料的配方和制備工藝,滿足了項目要求萬分之一透過率的嚴苛要求。

“輻射”制冷,讓光材料變換百變多姿

“你想做什么課題?”還在讀研究生時,導師曾拋給陸春華這個問題。他曾毫不猶疑地回答“想做有挑戰性的課題”。實際上,在陸春華的科研生涯中,“挑戰性”從未缺席。

陸春華所在的課題組最初的研究對象是玻璃質材料。2012年,他突然有個特別的想法:是否可以將玻璃體系設計思路拓展到陶瓷基體上去?

“玻璃燒到1400℃已經是液體,但是陶瓷在1700℃還是固體,顯示出更強的耐高溫、抗激光性能?!被谶@一現象,他發明了一種新型防激光透明陶瓷,這項發明隨即也申請了國家發明專利,學院傳統的研究領域也得以進一步拓展。

在課題組研究人員倪亞茹眼中,陸春華永遠有冒不完的想法和使不完的勁。 激光吸收材料研究成功后,好奇心又驅動著陸春華去做更多地拓展:材料強烈吸收光后產生大量的熱,影響性能怎么辦?材料吸收的光是否可以直接轉換成光而不是熱?在反復的思量中,“連鎖反應”開始出現。

2009年,在做光的選擇性吸收研究時,陸春華開始嘗試做光譜的選擇性反射與吸收輻射一體化功能材料?!跋募竞芏嘟ㄖ锃h境溫度高,需要空調制冷,消耗了大量能源,我們就想研發一種降溫材料,讓它既能高度反射太陽光,又能通過大氣窗口強烈輻射紅外線,但最大的難點在于一種材料表面同時具備這兩種好的光譜特性?!睅е粚靡粚玫拇T士和博士研究生,通過近十年的艱苦研究,他成功將材料的內部熱能通過紅外選擇性熱輻射方式向外傳輸,發明了太陽光下可以“輻射制冷”的納米功能膜,由于利用了材料特殊分子組成和結構實現熱能的輻射轉移,因而其能耗為零。該成果申請了國家發明專利5項、國際PCT 2件,在新型建筑用內置百葉門窗系統應用技術開發方面取得了階段性重要突破。

近些年,陸春華研究團隊研發的輻射降溫功能膜正從實驗室快速走向應用,走進人們的日常生活。百葉窗、食品包裝袋、化學儲物罐被施了“膜法”,一批公司慕名而來?!肮獾摹椛洹o了我很多新挑戰,也給予我很多新思路?!?/p>

從自然界尋找靈感,用光材料保護環境

陸春華課題組的研究生陳明學,最近正在寫關于輻射降溫材料的畢業論文。研究生一年級時,陳明學就開始跟著陸春華做輻射降溫材料,降溫材料效果雖然已經很明顯,但是卻“卡”在了最后一個環節上:如何將幾個微米厚的降溫涂層牢牢地結合到作為基底的PET鍍鋁膜上。

由于這張膜非常柔軟,極難貼合,陳明學多次想放棄,但關鍵時刻,陸春華總是鼓勵他“不要放棄,一定可以成功”。最終,陳明學在“絕望五十天,成功五天”的日子里挺過來了。

在美國公派留學的博士生代寶瑩也有過類似的經歷。2015年,陸春華帶著她研究如何通過太陽光光催化材料的氧化還原反應,降解有機物污染物,從而保護環境。

這研究課題一度令代寶瑩毫無頭緒、極其痛苦?!白咄稛o路”時,她會找陸春華聊一聊。

陸春華曾啟發她,“太陽光中含有紫外光、可見光和近紅外等不同波長的光子,它們能量大小不同,但人們現在利用較多的是紫外光、近紫外光,很多可見和近紅外光無法利用。我們能不能吸收利用所有的太陽光,并利用風能、水流動形成的機械能,提升材料的光催化性能來更好的降解有機污染物?”

“陸老師總是有很多奇思妙想,開導我、激勵我,很有治愈力?!贝鷮毈撜f。

陸春華的靈感,除了廣泛閱讀的文獻,還有大自然:“自然界中的生物具有自愈系統,可以幫助其抵御外界的損傷或攻擊,它們的強大能力是我們寶貴的思路來源?!?/p>

在導師的啟發下,代寶瑩在藤蔓植物中找到了靈感,她將壓電復合材料設計為螺旋結構,使其在風、水流等自然流體介質作用下發生變形產生壓電勢,從而提供能量驅動自修復內建電場,實現了光催化效率的持續提升,相關研究成果發表在《先進材料》《先進功能材料》等期刊上。

采訪結束時,陸春華從包里掏出一塊紅色透明玻璃,這塊玻璃與三年前遺失的那塊玻璃一樣,有著同樣的使命:不斷鞭策激勵自己。在陸春華眼中,“永遠有更好的材料等著科研人員去開發”。


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