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纳米碳材料与功能纳米材料难题挑战者——清华大学化工系研究员张如范
2019-04-04
张如范，清华大学化工系助理教授、博士生导师、特别研究员，中国颗粒学会青年理事、中国化学会会员、中国化工学会会员。2014年博士毕业于清华大学化工系，2014—2017年在斯坦福大学材料系从事博士后研究，2018年1月起在清华大学化工系工作。张如范在纳米碳材料与功能纳米材料等领域开展了一系列研究，取得了多项突破性科研成果，曾制备出单根长度55 cm的碳纳米管，实现了单根碳纳米管光学可视化及宏观尺度可控操纵，发现厘米级长度碳纳米管管壁间超润滑现象，深入研究了PM2.5在纳米纤维上的过滤机理，开发出耐高温高效空气过滤材料。截至目前，共发表论文44篇，其中作为第一作者或通信作者在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Accounts of Chemical Research、Advanced Materials、Nano Letters等国际期刊发表论文15篇，总引用3 100余次，H因子22；获授权国内发明专利5项（一种特定壁数和直径的碳纳米管的制备方法，ZL201210229402.X；一种碳纳米管线轴及其制备方法与编织方法，ZL201210229357.8等）、国际发明专利1项（Air filter for high-efficiency PM2.5 capture，US20160166959 A1）；参与撰写5部学术专著。曾获《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”、中国化学会青年化学奖、高校科研优秀成果奖自然科学奖一等奖、瑞士Chorafas青年研究奖、2018中国新锐科技人物特别奖、国家博士研究生学术新人奖、清华大学研究生特等奖学金、清华大学研究生学术新秀、巴斯夫优秀博士生特等奖等多种荣誉与奖励。
1 提出碳纳米管等概率失活生长机制，制备出碳纳米管以及强度达80 GPa的碳纳米管纤维
碳纳米管是一种具有优异力学、电学及热学等性能的纳米材料，应用前景十分广阔。宏观长度与完美的结构是体现其极致性能的关键因素。如何制备宏观长度、不含缺陷、达到理论性能的碳纳米管，一直是该领域国内外学者公认的难题。张如范团队深入研究了碳纳米管生长机理，提出符合 Schulz-Flory分布的碳纳米管等概率失活生长机制，制备出单根长度达55 cm的碳纳米管，是以往碳纳米管长度的2.75倍。同时，他们验证了此类碳纳米管具有完美结构和接近理论值的力学性能，并研究了碳纳米管管束力学强度与其组成之间的关系，制备出拉伸强度达到80 GPa的超强碳纳米管纤维，其强度远超目前所有已知其他纤维材料。上述3项研究成果分别发表在ACS Nano（2013年）、Advanced Materials（2011年）和Nature Nanotechnology（2018年）上。美国科学院院士、MIT教授M. S. Dresselhaus在2014年碳纳米管国际年会上将该工作作为碳纳米管研究领域年度亮点工作之一。此外，Nature Nanotechnology 将80 GPa碳纳米管纤维工作选为期刊封面，并邀请世界知名碳材料专家Rodney S. Ruoff撰写专题评论：“这项工作架起了跨越碳管理论极致性能与宏观碳管纤维实际力学性能之间巨大鸿沟的桥梁”，该工作还得到Physics Today、ARS Technica 等媒体高度评价。
2 实现超长碳纳米管宏观光学可视化及可控操纵，发现厘米级碳纳米管管层间超润滑现象
在纳米研究领域，对单个纳米材料进行精准定位和可控操纵通常需要在高分辨电镜或原子力显微镜中进行，极为费时费力且难以实现大尺度精密可控操纵。张如范提出碳纳米管自组装TiO2纳米颗粒技术，首次实现单根碳纳米管在光学显微镜下可视化观测及宏观尺度下的可控操纵。基于上述技术，检测到大气环境下厘米级长度无缺陷碳纳管层间存在超润滑现象。超润滑是指当晶体表面以非公度形式接触时其界面摩擦力几乎为零的现象。自 1990 年提出此概念以来，过去20多年发现的超润滑主要在纳米尺度及高真空条件下实现，学术界普遍认为大尺度下超润滑难以存在。申报人在实现超长无缺陷碳纳米管可控制备基础上，首次检测到大气环境下厘米级长度无缺陷碳纳管层间存在超润滑现象，所得到超润滑尺度比文献最高值高3个数量级，这种大尺度超润滑正是源于所用碳纳米管的宏观长度完美结构。张如范等人还阐明了影响碳纳米管管壁间摩擦力的关键因素及作用机理。
上述3项成果分别发表在Nature Communications、Nature Nanotechnology 及Nano Letters上。Nanotechweb、Nanowerk、Materials Views China 等许多科学媒体对上述科学发现进行长篇报道。Nature Nanotechnology将碳纳米管超润滑工作选为期刊封面，世界著名摩擦理论专家Michael Urbakh教授对这一研究进行了专题评述，认为“这些令人振奋的结果架起了引导人类对于摩擦的认识从微观尺度走向宏观尺度的桥梁”。美国哥伦比亚大学James Hone教授对该工作评价道：“碳纳米管由于内外层管壁间存在非公度接触，已在厘米级长度上展示出由于结构超润滑而形成的超低摩擦力”。
3 揭示PM2.5在纳米纤维上的过滤机理，开发出高效PM2.5过滤材料和技术并成功实现产业化
近年来，许多发展中国家面临严重的雾霾问题。张如范开展了一系列利用纳米技术高效过滤PM2.5的工作并取得多项成果。系统研究了不同来源的PM2.5化学组成、粒径分布及颗粒形貌等信息；率先开展了PM2.5颗粒在纳米纤维上捕集及演变行为的原位研究；提出PM2.5高温过滤的概念和技术，开发出耐高温PM2.5高效过滤材料。
