（《科技日報》2019年1月11日 第7版）

編者按 改革開放四十年，我國經(jīng)濟取得了全球矚目的成績，我國科技的發(fā)展也被烙上了鮮明的時代烙印。在不斷求真探索的過程中，“科學家精神”薪火相傳。老一輩科學家們見證了改革開放，青年科技工作者們在改革開放的背景下茁壯成長。

新時代，我國科技的發(fā)展日新月異，在不少領域已實現(xiàn)從“跟跑”到“并跑”“領跑”的轉(zhuǎn)變。圍繞提升自主創(chuàng)新能力，北京市科委近年來不斷強化政策引導，把創(chuàng)新作為引領發(fā)展的第一動力，助力搭建高水平科技創(chuàng)新平臺、培育世界級創(chuàng)新人才和團隊，加快建設具有全球影響力的科技創(chuàng)新中心。

在2017年的北京市科學技術獎獲獎項目中涌現(xiàn)出了一批老科學家牽頭,青年科技工作者擔當主力，聚焦基礎科學研究、服務國家重大戰(zhàn)略、拓展技術應用領域、帶動相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展的獲獎成果。本期，我們?yōu)槟榻B其中的兩個代表項目。

突破物理極限，探索未來科技的新材料

14年前，英國曼徹斯特大學的兩位物理學家，安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用膠帶剝離法成功地從石墨中剝離出石墨烯，僅在六年之后的2010年，二人就憑此獲得諾貝爾物理學獎。

此后，全球科研人員對這種神奇的新材料進行了不懈探索。據(jù)統(tǒng)計，我國目前有近5000家企業(yè)宣稱涉足石墨烯業(yè)務，全國各地成立了40多家石墨烯研究院、石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和研發(fā)中心。相關學術研究也出現(xiàn)了“井噴”， 截至2017年底，我國發(fā)表的石墨烯相關學術論文數(shù)量躍居世界第一，總數(shù)近6萬篇；截至2018年3月，全球石墨烯專利申請總數(shù)為63630件，我國占比54.14%。

“我國石墨烯行業(yè)良莠不齊，雖然產(chǎn)品數(shù)目眾多，但其中一些僅僅是概念，規(guī)模小，附加值不高。真正能體現(xiàn)出石墨烯的優(yōu)異性能、不可或缺的拳頭產(chǎn)品尚在探索中?！敝袊茖W院院士、發(fā)展中國家科學院院士劉云圻說。

產(chǎn)量低、質(zhì)量不高、成本居高不下等問題，一直制約著石墨烯進一步產(chǎn)業(yè)化?！盎A研究還是需要進一步做扎實、做透”。在他的帶領下，其課題組對于高質(zhì)量石墨烯的制備和電子學性能進行了深入研究，開拓了石墨烯可控生長的新概念和新方法，其成果“低維納米碳材料的可控生長及其電學性能研究”獲得2017年度北京市科學技術獎一等獎。

最有可能取代硅的下一代新材料

近半個世紀以來，以硅材料為基礎的微電子工業(yè)發(fā)展迅猛，集成電路的集成度不斷提高，每隔18—24個月，集成電路上的元器件數(shù)目便會增加一倍，性能也將提升一倍。但是，硅集成電路的器件尺寸日益逼近其物理極限，亟須開發(fā)新型電子材料，突破微電子技術發(fā)展的瓶頸。

“以石墨烯為代表的碳納米材料是最有可能替代硅材料的下一代電子器件材料?！眲⒃欺弑硎?，這是一種技術含量非常高、應用潛力非常廣的新材料，具備高載流子遷移率、高載流子濃度、高導電性、高強度等一系列優(yōu)勢，為人類開啟了從“硅時代”邁向“碳時代”大門的可能。

“厚度是發(fā)絲的萬分之一，卻比鉆石還堅硬”，劉云圻講到，石墨烯的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，但硬度要比鋼材堅硬一百倍。此外，它還具有很高的透明性，單層石墨烯的透明度已經(jīng)能夠達到97.7%。石墨烯的載流子遷移率是硅的一百倍左右，且具有很好的導熱性能，是銅的十倍。

“既能做電極，又能做半導體、絕緣體?！睂τ谑┑奈磥?，劉云圻充滿期待。他說，因為尺寸小，石墨烯在單位面積上可制備更多的器件，這大幅度提高了集成電路的集成度，能大幅增加芯片的容量?；谄鋬?yōu)異性能，石墨烯在半導體產(chǎn)業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)、鋰離子電池、航天、新一代顯示器等傳統(tǒng)領域和新能源、新材料等新興領域，都將帶來革命性的技術進步。

始于偶然的科學發(fā)現(xiàn)

石墨烯是由一種單層碳原子層構成的蜂窩狀晶格二維原子晶體。但目前市場上很多所謂的“石墨烯”良莠不齊，不少是由石墨片來代替的?！笆┦菃螌印⑸贁?shù)層的，十層以上就沒有什么特殊性能了，而石墨片都是多層的?！?劉云圻告訴記者，石墨烯最重要的指標就是大面積、單晶、單層。

為了達到如此“苛刻”的標準，劉云圻課題組多次在制備工藝上進行更新升級，但一直沒能達到預期。某次實驗中，他們在臨近銅催化劑熔點的溫度進行了石墨烯的生長實驗，由于溫度控制的微小誤差，固態(tài)銅變成了液體。“我們驚喜地發(fā)現(xiàn)，當銅變成液體后，竟然能夠更好地發(fā)揮催化劑的作用！”這樣的發(fā)現(xiàn)，進一步激發(fā)了他們探究的熱情。之后，課題組對液態(tài)金屬催化體系進行了深入、細致的研究。他們發(fā)現(xiàn)，液態(tài)催化劑不僅能夠消除固態(tài)表面的不均勻性和晶界對石墨烯成核生長的影響，大幅提高石墨烯的制備質(zhì)量；而且因其流動性，更便于石墨烯的組裝與大面積生長。此外還能有效控制石墨烯化學氣相沉積（CVD）生長的成核過程，極大提高石墨烯的生長速度，從而奠定其在電器件中大規(guī)模應用的材料基礎?！昂芏嗫茖W發(fā)現(xiàn)都是來源于偶然。我們要做的，就是不放棄任何一個‘偶然’，并從中探求未知的‘必然’規(guī)律?！眲⒃欺吆苁桥d奮，他告訴記者，他們希望做出單層、單晶的石墨烯，不斷提升其質(zhì)量和純度。而基于其課題組的研究，未來高質(zhì)量石墨烯的量產(chǎn)指日可待。

利用在金屬催化劑表面生長的石墨烯制備器件，往往需要面臨后續(xù)的轉(zhuǎn)移過程，在此過程中，石墨烯表面將產(chǎn)生大量的雜質(zhì)、褶皺以及破損等。如果可以在絕緣基底表面直接生長石墨烯，或能有效地避免這一不利情況，并且還會大大簡化石墨烯器件的加工制備過程。

然而，在絕緣基底上生長的石墨烯由于催化活性低，制備出來通常晶疇較小且質(zhì)量不高。課題組再次向未知出發(fā)，提出了氧輔助化學氣相沉積方法，并實現(xiàn)了在介電層上石墨烯的直接生長。通過基底預處理來增加氧懸鍵的數(shù)量，加強碳的沉積，從而直接在二氧化硅介電層或石英玻璃基底上制備了高質(zhì)量石墨烯。通過優(yōu)化生長參數(shù)，課題組目前已經(jīng)在SiO2/Si的表面生長出了10微米的石墨烯單晶。劉云圻告訴記者，單晶石墨烯陣列能保留單個單晶石墨烯片的優(yōu)秀電學性能，無缺陷和無晶界，易構筑高性能的器件陣列和制備電路，不需要復雜的加工工藝。而在這個技術的催化下，能夠直接與硅電子學的加工工藝實現(xiàn)兼容，這些都為石墨烯器件的直接構筑奠定了基礎。

調(diào)控性能，不斷拓展石墨烯的應用領域

與此同時，劉云圻一直在思考，如何進一步拓展石墨烯的應用。要實現(xiàn)石墨烯在微電子器件中的應用，還需打開帶隙和實現(xiàn)載流子極性的調(diào)控?！安粌H要有P型半導體，還需要有N型半導體”，劉云圻講到，只有研制出N型半導體，才能夠拓展石墨烯在二極管和邏輯電路中的應用，而摻雜是實現(xiàn)該目標的最有效手段之一。他們在實驗上率先制備了氮摻雜的石墨烯樣品，發(fā)明了高濃度氮摻雜的石墨烯單晶低溫生長技術，實現(xiàn)了石墨烯電學性能的有效調(diào)控，獲得了空氣中穩(wěn)定的N-型氮摻雜石墨烯單晶材料。

電極材料和界面修飾材料，是石墨烯的另一個應用領域。課題組同期開展了“石墨烯修飾金屬電極的界面工程”研究，采用圖案化的金屬層為催化劑實現(xiàn)了石墨烯的圖案化生長和金屬電極的有效修飾，率先將石墨烯應用于有機場效應晶體管（OFET）器件中，為高性能、低成本有機場效應晶體管的制備提供了有效途徑。

所有這一切應用的前提是實現(xiàn)石墨烯的大規(guī)模可控制備。為解決這一問題，劉云圻課題組開發(fā)了一種模板CVD生長石墨烯納米帶的方法，采用ZnS納米帶為催化劑和模板，實現(xiàn)了石墨烯的形貌控制和大規(guī)模制備，得到規(guī)整結構的石墨烯帶?！盎谑У募{米機電開關器件顯示出良好的開關性能，開關比達104—108?！?劉云圻說，該結果對實現(xiàn)石墨烯的最終應用具有重要價值。

目前，其課題組已獲授權發(fā)明專利19項?！盎A研究是起點，同時我們也非常關注應用技術和成果轉(zhuǎn)化?！眲⒃欺弑硎?，創(chuàng)新從來沒有終點，與產(chǎn)業(yè)的真正融合，將成為石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強勁動力。

在新材料探索中，見證中國科技進步

作為共和國同齡人，劉云圻的成長伴隨著整個新中國的發(fā)展壯大。他見證了我國由弱變強，更見證了改革開放之后科技的迅猛騰飛。從最初的碳納米管到后來的石墨烯，探索的一路，劉云圻感受到國家對科技的關注與支持力度不斷加強，也感受到中國這些年來國際話語權的不斷提升。“目前石墨烯的制備和產(chǎn)品的國際標準，有許多都是中國科學家制定或參與制定的?！眲⒃欺叻浅Ｗ院?。

國家政策的轉(zhuǎn)變讓青年時期的劉云圻獲得了“自愿報名，群眾推薦”的機會，告別了知青生活，進入南京大學讀書。大學畢業(yè)后他被分配到中科院，帶著滿腔抱負投入到科研工作中去，幾年后被中科院選派到日本繼續(xù)深造。在此過程中，劉云圻認識到我們與發(fā)達國家的差距，更加激發(fā)了他投身科研，報效祖國的熱情和決心。

改革開放之后,劉云圻在參加高效聚丙烯催化劑和芳綸紡絲研究工作時,分別獲中科院重大科學成果獎兩項和院科技成果二等獎一項。1994年,他又獲得中科院自然科學二等獎。劉云圻逐漸在自己所研究的分子材料與器件領域成為頂級專家，為國內(nèi)分子材料與器件領域從國際上籍籍無名到接軌領先水平做出重要貢獻。其間，曾有國外科研機構想留住他，但他堅決不為所動。他的心愿就是，把智慧和心血奉獻給眼前的事業(yè)，以科研成果回報國家。

如今，我國的石墨烯基礎研究和產(chǎn)業(yè)化研發(fā)工作已經(jīng)與國際先進水平接軌，處于全球第一方陣，尤其在產(chǎn)業(yè)化方面居于領先地位，劉云圻充滿了欣慰。針對多年以來困擾低維納米碳材料發(fā)展和影響其邁向產(chǎn)業(yè)化的關鍵科學問題，其課題組的研究已經(jīng)持續(xù)了十多年的時間。在實驗室工作期間，劉云圻始終堅持7:30開始工作，不到23:00不離開的習慣。近年來即便已經(jīng)臨近古稀，仍然堅持21:30左右離開實驗室?！俺顺鋈ラ_會，不論周六周日，還是國家法定假日，在辦公室內(nèi)總能看到劉老師的身影?！痹n題組成員于貴告訴記者，劉云圻每天都關注國內(nèi)外最新的研究進展，和同學們探討科學創(chuàng)新的方法。“劉老師非常敬業(yè)，鼓勵自由的學術討論，科研上精益求精，不論為人還是做科研都非常謙遜。”于貴說，這種幾十年如一日，孜孜不倦、勇攀高峰的精神讓大家深受感染。

如今，劉云圻門下的不少學生已經(jīng)成長為學科帶頭人?！氨热缬谫F、胡文平、占肖衛(wèi)和孫艷明，均已榮獲‘國家杰青’；獲中科院百人計劃、科技部‘萬人計劃’領軍人才、‘國家優(yōu)青’等的學生則更多一些?！眲⒃欺呷鐢?shù)家珍。“長江后浪推前浪，希望學生們都能比我更優(yōu)秀，出更多的成果?！边@是作為老師的劉云圻的熱切期待。

“工作要有原創(chuàng)性、要對學科有發(fā)展、有比較重大的國際影響”是劉云圻一直以來對于自己的要求。讓他更加欣慰的是，看到當前國家從戰(zhàn)略上重視石墨烯，并不斷給予積極的扶持，政產(chǎn)學研協(xié)力推進?！皣椰F(xiàn)在對科研人員的政策不斷改進，對基礎研究更加重視，青年人比我們年輕時候有了更好的科研條件、更寬松的科研氛圍、更充足的經(jīng)費保障……”他希望，未來能有更多的年輕人從事這個領域的研究，共同為我國科技的發(fā)展不斷探索新的材料。

貯箱里面變魔法，衛(wèi)星在軌延壽命

2018年11月19日，中國利用“一箭雙星”發(fā)射方式，再次將兩顆北斗衛(wèi)星送入軌道。截至2018年11月底，以長征五號發(fā)射、嫦娥四號探月、北斗衛(wèi)星組網(wǎng)為代表，我國在2018年已經(jīng)進行了34次航天發(fā)射活動，發(fā)射次數(shù)遙遙領先于其他航天發(fā)射大國。

在這些重要的航天器中，微重力流體的高效管理和高精度控制至關重要。目前，我國已經(jīng)自主研制成功了板式表面張力貯箱系統(tǒng)，并成為世界上第二個掌握基于板式表面張力貯箱的衛(wèi)星推進劑在軌加注關鍵技術的國家。而更令人贊嘆的是，研制這些技術的是中國航天科技集團北京控制工程研究所的一支年輕的“80后”團隊。

歷時十年攻關，該團隊憑借“微重力流體高效管理與高精度控制技術及工程應用”項目，獲得2017年度北京市科學技術獎一等獎。

填補板式貯箱空白，實現(xiàn)流量的高精度測量

在軌衛(wèi)星是對國家安全和國民經(jīng)濟建設具有重要意義的空間資源。衛(wèi)星的成本很高，而目前衛(wèi)星壽命的終結主要源于推進劑耗盡和管理失效，如果能在太空為其補加燃料，實現(xiàn)衛(wèi)星推進劑的重復加注和高效利用，帶來的經(jīng)濟效益將十分可觀。

通常，衛(wèi)星貯箱中的流體都是由惰性氣體和推進劑組成，根據(jù)需求將液體推進劑擠壓進衛(wèi)星發(fā)動機。與地面環(huán)境不同的是，在微重力環(huán)境下，氣液不會出現(xiàn)上下分層，而是處于懸浮狀態(tài)。要為在軌衛(wèi)星發(fā)動機提供不夾氣的推進劑，最大限度實現(xiàn)推進劑的有效利用，就需要克服四大難題：難定位、難測量、難控制、難補給。

“我國以往的貯箱中，大部分用的都是網(wǎng)式表面張力貯箱，利用毛細網(wǎng)來實現(xiàn)對液體的管理。由此帶來的問題是，由于結構限制，在微重力環(huán)境下網(wǎng)式表面張力貯箱的流體阻力非常大，因而不能大流量、重復加注，相對板式表面張力貯箱存在重量偏大、結構復雜的劣勢?！表椖恐饕瓿扇酥?、北京控制工程研究所“80后”高級工程師莊保堂介紹，為解決這一問題，他們經(jīng)過反復實驗，摸索出微重力流體在輻射狀蓄液片與圓錐外殼結合結構的蓄留穩(wěn)定性規(guī)律，由此發(fā)明了我國首個輕質(zhì)長壽命雙葉片板式貯箱。它的蓄液器內(nèi)部金屬板呈輻射狀排列，而主導流板內(nèi)部則是內(nèi)外交錯分布的導流葉片，可實現(xiàn)氣液高效分離和推進劑貯箱的在軌重復加注，擠出效率達99.85%，達到國際先進水平。

 “板式貯箱的優(yōu)點主要體現(xiàn)在兩個方面，一是能夠確保把液體排出同時不排出氣體，二是可以實現(xiàn)推進劑的大流量可重復加注。”莊保堂講到，板狀的結構能夠解決蓄留液體的問題，同時能夠?qū)⒁后w傳輸?shù)街付ㄎ恢谩Ｍㄟ^微重力落塔實驗，他們獲得了微重力液體蓄留規(guī)律、傳輸速度等特性，由此設計并優(yōu)化了板式貯箱的結構。研制過程中，團隊成員經(jīng)過反復設計、數(shù)值仿真、微重力試驗、地面試驗，多次進行技術改進，完成了樣機研制，最終形成了板式貯箱產(chǎn)品研制。

與此同時，項目團隊也在思考，如何提升剩余流量的測量精度，來更加精準地預測衛(wèi)星使用壽命?！耙酝话闶峭ㄟ^壓力、溫度變化等參數(shù)來計算。當預測到推進劑燃料即將用完時，會讓衛(wèi)星離軌?！钡@些方式的估算精度比較低，大約誤差正負六個月左右。其團隊腦洞大開，創(chuàng)造性地發(fā)明了一種適用于衛(wèi)星推進系統(tǒng)的高精度超聲波流量計，可以通過超聲波的方式，以其穿過液體的時間差來測算流速，進一步計算推進計量。該項技術將測量精度提高了一倍，衛(wèi)星壽命估算誤差降到了正負三個月，從而有效節(jié)省了衛(wèi)星成本。目前，已經(jīng)完成了在軌驗證，并將應用于東方紅五號衛(wèi)星平臺研制。

著眼技術細節(jié)，開拓流體管理系統(tǒng)的工程應用

 “天高地迥，覺宇宙之無窮?！痹诓粩嘌鐾强盏倪^程中，新一代航天人正著眼當下每一個技術細節(jié)，精益求精。

無論是流量的驅(qū)動還是液體的傳輸，泵都是其中的核心部件。目前空間上所使用的泵大部分都是通過電機主軸直接驅(qū)動的，以電機軸驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)，從而把液體輸送出去，但這種結構不能很好地解決介質(zhì)相容性問題。莊保堂團隊發(fā)明了一種通過磁力驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)，從而把電機與葉輪完全隔離開，完美解決了推進劑對電機的腐蝕性問題。

此外，想要完成重復加注任務，服務衛(wèi)星和在軌衛(wèi)星需要進行對接，在太空進行這種無人操作，復雜性高、難度大，且對于對接精準度的要求極高。項目組研究出了一種基于球面軸承和浮動彈簧組的五自由度位置與姿態(tài)誤差方法，建立起接口柔順對接動力學模型并進行結構優(yōu)化設計，并提出一種基于螺線管式的電磁驅(qū)動鎖緊方法和復合式接口密封結構，解決了衛(wèi)星密封接口高精度、自導向、柔順自主對接等難題。

目前，“微重力流體高效管理及其高精度控制技術”已經(jīng)推廣至多家單位，實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，切實服務于我國通信、遙感、科學探測等國家重大工程。該系列技術應用在40顆高低軌衛(wèi)星，全面提升了我國衛(wèi)星的技術水平和品質(zhì)，并實現(xiàn)多顆衛(wèi)星出口，服務“一帶一路”倡議。此外還帶動了相關流體類產(chǎn)品的研制和應用，比如貯箱類、流量計類、微型泵、傳感器類、閥門類等前沿技術研究和產(chǎn)品研制。該套技術正轉(zhuǎn)化于其他民用領域，如人工心臟泵、醫(yī)療計量器械、汽車熱控系統(tǒng)等。

新時代航天探索，不斷邁向遠方

改革開放以來，國家經(jīng)濟實力穩(wěn)步提升，不僅為航天事業(yè)的發(fā)展提供了強大的物質(zhì)基礎，更注入了寶貴的無形資產(chǎn)，創(chuàng)新意識、以人為本、可持續(xù)發(fā)展等伴隨著改革開放誕生成長的先進理念，使航天事業(yè)獲得了更加強大的加速推力。

莊保堂是2011年來到中國航天科技集團北京控制工程研究所工作的。當時，我國的航天正處于蓬勃發(fā)展期，這也是他工作之后參與的第一個重要項目。團隊共有十多個人，基本上都是跟他同齡的“80后”們，充滿了銳氣?！昂教靾髧膲粝?，讓大家凝聚在一起。這些年輕人都夢想著自己的科研成果能夠飛向太空，那會有無限的自豪感。”他說。

“項目的首席專家潘海林，以及副所長李永給我們年輕人奠定了很好的研究基礎。”在團隊中，莊保堂主要負責課題的組織、任務的分解、貯箱的研究等，“老專家?guī)ш牥殃P，年輕人把人員組織好、把活兒做好?！彼f。科研過程不是一蹴而就的，總會面臨很多新問題，需要團隊攜手一步步攻克。莊保堂清晰地記得，在最初缺少資料的情況下，團隊每天頭腦風暴做多輪設計，加班已成為家常便飯，甚至放棄節(jié)假日；在樣機的實驗和測試階段，有任何一項指標不合格，都會仔細地去尋找原因，重新修改與優(yōu)化。“在這樣的不斷試錯中，獲取了更多的技術更新和經(jīng)驗積累。”

作為在改革開放背景下成長的青年科技工作者，莊保堂切身感受到了國家對于年輕人創(chuàng)新的鼓勵，感受到老一輩航天人對年輕人的支持和肯定，讓年輕人沖在前面，讓他們首先享受到豐收的果實。無論是科研經(jīng)費，還是職稱評定、獎勵申報，都給了年輕人足夠的科研動力。此外，舍得投入、寬容失敗，鼓勵大家放心去做、大膽去想的機制激勵著他們一步步推進創(chuàng)新與變革。莊保堂講到，正是一次次的大膽嘗試，否定再否定、顛覆再顛覆，讓他們快速成長。

美國國家航空航天局2015年發(fā)布的《NASA技術路線圖》將“推進劑儲存與輸送”列入空間推進技術的重要發(fā)展方向之一。我國《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》將“深空探測及空間飛行器在軌服務與維護系統(tǒng)”列入重大項目，在軌存儲與補給是該項目的核心支撐技術。

“改革開放為我國的航天事業(yè)注入了強大動力?！鼻f保堂對于自己所從事的領域充滿了信心，“我們現(xiàn)在已經(jīng)逐步邁入航天強國。很榮幸自己能夠成為其中的一份子，作為在改革開放中成長的新一代青年，我們將繼續(xù)不斷探索，把個人選擇和國家需要聯(lián)系在一起，為祖國贏得榮譽的同時，實現(xiàn)自己的人生價值，與祖國的科技進步同行?！?/p>

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