常換山頭常登頂：戴宏傑的跨界密碼
?斯坦福大學教授戴宏傑
編者按： 在10月14日於北大舉行的「求是—西湖論壇」上，著名華裔化學家、斯坦福大學教授戴宏傑作為化學分論壇的首位演講嘉賓，介紹了他在低維碳材料、新型納米電池和納米材料在生物醫藥應用方面的最新研究成果。 在從事納米材料研究近20年的過程中，戴宏傑在納米材料的生長合成、物理性質研究、納米電子器件研發、納米生物醫學以及可再生能源等方面都取得了卓越的成就，他也是國際碳納米材料研究領域最具影響力的研究者之一。在演講中，戴宏傑分享了他是如何做到每十年左右就找到新的研究方向、並且做出頂尖工作的科研歷程。本文根據戴宏傑當天的演講整理並略作編輯而成。
演講 | 戴宏傑（斯坦福大學教授）
整理 | 徐可
責編 | 呂浩然
● ● ●
提到跨界，這個詞我特別喜歡。
我曾是學物理的，現在卻在化學分會做報告，確實是有一點跨界的性質。現在我們工作的方向有一點偏向生物和能源，雖然主持人李彥（編者註：北京大學化學與分子工程學院教授）說我是做碳的，但我希望能夠在其它領域也做一些事情。
碳納米管的研究
碳材料的研究我們確實做了很多年，明年就是我「出道」的第二十個年頭。起初，我們研究的是碳納米管，這麼多年研究它的人很多，成果也非常卓著，從物理性質到光譜研究都非常豐富，但能將之轉化的特別成功的企業卻並未出現，我覺得同樣的問題也存在於石墨烯上。
我的課題組做過碳納米管的生長，後來也開創了石墨烯帶的合成，我們能將碳納米管從一個硅的柱子長到另一個柱子上，並研究它的力學性質和電學性質，這些事情我們都做得非常早、非常深入。
1999年，我和范首善老師（編者註：范首善，中國科學院院士、清華大學教授）在斯坦福大學用三個月時間做出了碳納米垂直於表面生長（Science 283, 512 (1999)）。多年來范老師非常執著，已經能夠把這個材料做成手機的屏幕，石墨烯現在也有了類似的應用。能從一個科學（成果）轉化成一個有實際用途的東西還是非常了不起的。
?1999年，范首善、戴宏傑等人在碳納米管方面的成果發表在Science雜誌上，Vertically Aligned Nanotube Arrays
?范首善
另外有一件我比較自豪的工作，是我的第一個博士生孔敬，北大本科畢業，後來在斯坦福拿到了博士學位，她使得單壁納米管在矽片上進行生長（Nature 395, 878，1998）。
當時，這項工作確實令人非常激動，因為我們可以實現將碳納米管集成到電路裡面做電子器件。在這個過程中我確實也學到了很多東西，如將碳納米管懸掛起來研究它的力學性質和電學性質。碳管的完美之處在於每個原子都要在它應該在的位置上，通過低溫進行測量，我們發現完美的納米管的實驗結果與理論的磨合是一樣的，把材料能夠做到這樣的質量是不太容易的。孔敬現在是麻省理工學院的教授。
我的另外一個學生Ali Javey和我們的合作者將碳納米管的器件做到了極致。碳納米管的晶體管，能夠證明電子可以順暢地從一端跑到另一端，中間卻沒有電阻，而且可以把接觸做得非常好。這些工作在Intel、IBM等半導體行業產生了較大的影響。究竟未來這種材料能不能取代硅，IBM和斯坦福的電子器件專家都還在繼續做這種研究，試圖用納米管做計算機。
?1998年，孔敬等人在單壁納米管方向上的成果發表在Nature雜誌上，1998: Growth of SWNTs by CVD
?孔敬
此外，清華化學系副教授焦麗穎在斯坦福做博士後時把碳納米管拉開，做成了石墨烯的帶子（Nature 458 (2009), 877-880）。隨後，我們也發現了石墨烯帶子的電子態與碳管的不同，從物理上來說確實很有意思。
?2009年，焦麗穎等人在碳納米管方向的研究發表在Nature雜誌上，Unzip Nanotubes For Graphene Nanoribbons
碳納米管在生物學上的應用
前面提到的都是低維碳材料的工作，而現在我們比較感興趣的是生物和能源。實際上我們的研究思維很大程度上受到了前輩科學家的影響，比如Calvin Quate（編者註：斯坦福大學應用物理和電子工程學榮譽教授，原子力顯微鏡發明人之一），我剛到斯坦福的時候他已經八十歲了，但仍非常活躍，一直積極同我們合作。
他一直在跟我們講，一個好的科學家要經常思考是否能做一點新的東西，也許每十年做一個新的東西、稍微改變一下方向是一個比較聰明的做法。他以朱棣文為例，朱得諾貝爾獎的工作和他現在做的工作一點關係都沒有。我受到了啟發，也確實覺得一個材料做了一段時間以後，你會覺得平淡，包括碳管和石墨烯，到了一定程度就要敢於放下，往前走。
隨後，我們不斷地思考，也許可以嘗試做一點不太熟悉，但卻很有意義的領域。這是不太容易的事情，如果每天都在研究碳管，可以很容易地發表文章，但若換一個不熟悉的領域，你卻不一定知道該做什麼。
通過一段時間的摸索，我們開始找到了一些新的方向，其中一個與孔敬畢業之前的工作有關係。她在畢業以前還有一個很重要的發現——如果空氣中的一些分子吸附到了一根碳管上，就會對碳管中的電子運動造成很大的影響。因為一根碳管的表面效應立刻就可以影響它的物理電學的性質，會形成一個感測器（Sensor），後來的納米感測器（Nano Sensor）用的碳管和納米線應該就是從這個工作開始的。
?2000年，孔敬等人在碳納米管方向的發現發表在Science雜誌，Nanotube Transistors for Electronic NanoSensors
從此，我們嘗試做了一些分子探測的工作，並思考將納米碳材料與生物的分子結合起來做生物檢測——一些和疾病相關的抗體和蛋白的檢測。我們做了一系列的工作，包括如何對碳管進行化學修飾，然後接上一些蛋白或抗體。接下來我們又做了細胞輸葯治療腫瘤這一系列的工作，最早應該是從Nadine Kam開始，把碳納米管送到腫瘤細胞內，然後用紅外激光照射殺死腫瘤。我的另外一個學生劉庄（編者註：現任蘇州大學教授）現在也是中國化學界一個非常出色的「新人」，當時的研究成果將我們碳納米管輸葯治療腫瘤的工作推動到了一個高潮。
?2006年，劉庄在碳納米管輸葯治療腫瘤的文章發表在Nature Nano，Carbon Nanotubes for Biology & Medicine
納米成像
今天我想著重講一個比較新的、也是我們很看好的一個方向，它是一種新的熒光成像的工作。
一般的熒光都是可見光，而現在我們做的有一個特色，就是把熒光成像做到了很長的波長，我們把它叫做NIR-II，即近紅外二區。我們的激發光的波長是800納米，用來激發一些我們開發的特殊的熒光材料，來實現發射光的波長能達到1000多個納米。這些熒光材料現在已經包括了納米管和量子點，也包括了有機聚合物和小分子。
大家都知道，人和動物的皮膚組織是不透明的，所以生物熒光成像一般只能到表皮而進不到人體內。但很多情況下，我們希望有辦法直接看到組織內的情況，且達到分子級的解析度，至少要達到細胞級的解析度，即十個微米。如果能夠看到一個單細胞在人體幾厘米的深度如何工作的話，生物和醫學就會有很大的進步。
在一般成像情況下，可見光的光子進入體內以後會散射，出去以後也會散射，那麼這種成像就會因為光子被散射的物理現象（Scattering）從而變成一片模糊。在過去八年左右的時間，我們意識到了生物組織的吸收光隨著波長有變化，實際上波長在1000多納米的光的吸收率還是比較低的。如果減小散射，那麼就可以看見體內的結構。就是這樣一個概念，讓我們開創了現在所謂的二區成像。我們和Bruce Weisman以及 Richard Smalley（編者註：Richard Smalley，美國萊斯大學已故化學系教授，被譽為「納米技術之父」）在這方面的工作非常重要，Smalley去世之前發現碳管是可以發熒光的，比如用800納米激發的時候可在1000多納米測到熒光（Science. 2002 Jul 26;297(5581):593-6）。如此大的波長差可以降低生物體系的自身熒光來賦予熒光生物成像的超低背景，大大提高成像的信噪比。
我的學生Kevin Welsher（現任杜克大學教授）在2009年把碳納米管打進了小鼠體內並成功實現了近紅外二區的動物成像，可以清晰地透過皮膚看到體內的一些血管，並且可以在小鼠的腫瘤內看到直徑大概十幾二十微米的單根血管（Nature Nanotechnology 4, 773 - 780 (2009)）。這個事情在當時是不太容易的，因為傳統的單光子動物熒光成像一般只能看到非常表面的東西。
?2009年，Kevin Welsher把碳納米管打進了小鼠體內並成功實現了近紅外二區的動物成像，The First NIR II Fluorescence Imaging of Mice
?Kevin Welsher, Duke
我的另外一位傑出的博士生洪國松也是北大的學生，現在哈佛大學做博士後。他把NIR-II成像推進到了一個更加全面和高端的境界，他的工作首次清楚地揭示了1000多納米的熒光可以透過小鼠腿部皮膚組織看見血管結構，達到幾毫米的深度，而且可以看到實時血管流動的情況。成像的穿透深度及清晰度遠遠優於傳統的800納米的熒光成像方法。
?洪國松把NIR-II成像推進到了一個更加全面和高端的境界，NIR-II Imaging of Vasculatures in Mouse Models
在這之後，因為當時做大腦的研究很熱門，我們就思考是不是可以直接看到小鼠的大腦內部？以往如果想要用傳統的熒光技術對大腦成像，無一例外要在頭上打一個洞，把皮膚和骨骼都去掉，然後才能成像。我們實現了在近紅外二區檢測1300納米的熒光可以看進去小鼠大腦成像，有點「火眼金睛」的感覺。
另外一個北大的學生刁碩進一步把熒光成像做到了1700納米，可以清楚的看到小鼠頭部四毫米的深度約四微米寬的血管，遠遠小於一個細胞的尺寸。我相信近紅外二區成像可以做到進入頭顱或者皮膚厘米級的深度，且達到遠低於單細胞尺度的解析度是沒有問題的。
?2014年，戴宏傑通過NIR-II對小鼠大腦進行成像，該成果發表在Nature Photonics上，Through-Skull Brain Imaging in NIR-IIa: 1300-1400 nm
此前我們研究的是碳管及其他無機材料，而現在我們已經開始了新的熒光分子開發。這是一個挑戰，我現在非常希望能夠做分子的合成。FDA批准了一種可以用在人體的熒光分子，叫做ICG，它的發光波長在800納米，為什麼FDA能夠批准？因為它可以迅速從尿液排出去，對人體沒有任何的負面影響。受此啟發，現在我們開始做一些分子。第一個成功的例子發光波長是1100納米，到了紅外二區，成像的質量有了很大提升。而且分子從小鼠的尾部注射以後很快就會進入膀胱並從尿液當中排泄出來。
?A Small Organic Molecule for NIR-II Imaging。Alexander Antaris, Hao Chen, Xuechuan Hong, Zhen Cheng, Hongjie Dai. et al., Nature Mater, 2015
我們覺得這一類分子是可以應用到臨床的，可以真正到人體內去觀察一些病症，並可以在手術的時候提供一些指引，這個還可以進入腦部的腫瘤，將腦部的腫瘤照亮。另外，還可以把熒光分子接到一些抗體上，這樣就可以有選擇性地接到腫瘤裡面。
最近我們的合作者南方科技大學的梁永曄教授合成了一個新的分子，這個分子較之前的分子要更亮一些，發光波長是1100或者1200納米，我們用來做有創性腦部傷（Traumatic Brain Injury）研究。圖示是一隻小鼠，腦部被擊打之後我們發現（有一段時間）血液流不進去，這被稱為灌注不足（Hypoperfusion）。用這個辦法我們就可以直接觀察這個過程，還可以看到一些血管的破壞，不需要任何的手術就可以對大腦進行熒光成像來觀察腦部受損的情況。
?NIR-II Imaging Traumatic Brain Injury:Hypoperfusion Phase
?NIR-II Imaging Traumatic Brain Injury:Observation of Subdural Hematoma
以上是我們在生物成像方面的工作，這應該是可以做到在臨床上改變一些醫學的方向，也定將是我們以及越來越多同事們未來發展的一個項目。
鋁離子電池
我和我的團隊另外一個新的成果是鋁離子電池的發明。
人類對電池的需求自不必說，我們每天都在使用手機、電動車。用鋁做電池很容易理解，因為鋁是地球上含量最豐富的金屬。用鋁做電池科學界大概研究了三四十年左右，試圖將它做出來。我們在2015年終於成功地研製了可充放電的鋁離子電池，而且方法特別簡單，也特別意外。
電池的兩個電極一個是鋁，一個是石墨，就這麼簡單，拿一個家家戶戶都有的鋁箔和鉛筆里的石墨，然後放進有機鹽和無機鹽的離子液體溶液，就可以做一個電池。當然，實驗不是一蹴而就的，我們在幾乎要放棄的時候才偶然完善了電池的配方。
這個電池的原理是負極（鋁）這邊有一個可逆的金屬鋁的氧化還原反應，因為電池要充電放電一定要有可逆的電極反應。這個氧化還原稍微有點複雜，不是單一離子在這裡作氧化反應，還有其它的離子參與。這個鋁的反應學術界研究了三十年左右，雖然鋁這邊的反應三十年前就知道了，那麼如何把這個可逆的鋁的氧化反應利用起來做成電池人們卻一直不得而知。
?Aluminum + Graphite + Salts = Al Ion Battery。Mengchang Lin, Ming Gong, Yingpeng Wu, Bingan Lu, et. al., Nature, 2015
我們在2015年偶然發現用石墨做正極與鋁搭配就可以實現一個鋁的二次電池。我們發現AlCl4- 離子雖然有較大的結構，但是它可以可逆地插到石墨層之間來實現碳的氧化還原反應。我們發現如此大的離子不光可以進到了石墨層之間，隨後還可以出來，並且可逆次數可以超過萬次。兩極氧化還原的電位差是兩伏，所以充放電的電壓都在兩伏左右。
?Al Redox + Graphite/Anion Redox Reactions
當時做出這些結果來的時候，我們非常的興奮。我們進一步在充電、放電用了一個多孔的石墨材料做正極，多孔的好處是可以使離子液體的浸潤及離子的擴散非常容易，在這種情況下離子出入特別的快，可以實現一分鐘的充放電次數達8000次，實驗室最多曾達45000次，而且對石墨基本無損。
讓人更加興奮的是我們和台灣工研院一塊合作的結果。去年年底他們已經把鋁離子電池做成了一個真正意義上的電池：利用並聯串聯這樣一些簡單的原理做了一個大電池塞到摩托車裡面，這個車子就可以跑了。這對我來講是一個很重要的事情，因為一個結果從實驗室文章發表以後六個月就做出產品讓摩托車在路上跑了，可以說是給我的一個很大的回饋。毫無疑問現在鋁電池可以工作了，下一步的問題是這個電池會有怎麼樣的前景。
?鋁電池摩托
我覺得鋁電池有一系列潛在的優點。儲能的需求實在是太多了，除了鋰電池和鉛酸電池基本上沒有其它的電池。所以任何新的電池應該都值得細緻的研究，探索它的前景到底能怎麼樣。我們現在可以用鋁和碳這兩個在地球上富有和廉價的元素來實現一個表現不菲的二次電池，離子液體的成本也大有下降的空間。鋁電池的循環次數上萬，充電時間可到一分鐘，且不會起火燃燒，非常安全，能量密度雖然不如鋰電池，但可以和鉛酸電池競爭。而鉛酸電池眾所周知是對環境有負面影響的，性能方面如循環次數也是很有限的，然而現在全球鉛酸電池的市場在所有電池中是第一位，所以對鋁電池以後的發展我很有信心。
戴宏傑
納米科學家，1989年畢業於清華大學，隨後進入哥倫比亞大學攻讀研究生，取得碩士學位後跟隨導師Charles Lieber來到哈佛大學，並於1994年獲得應用物理及物理化學方向博士學位。1995年博士畢業後到Rice大學做博士後，師承諾貝爾化學獎得主Richard Smalley。
1997年，戴宏傑在斯坦福大學擔任教職，隨後當選美國科學院和美國藝術和科學院雙料院士，已發表文章的引用數目近十萬次。2011年2月，在Thomson Reuters公司根據研究論文影響力發布的2000—2010年全球頂尖一百位化學家榜單上，戴宏傑教授排名世界第七，華人排名第一。他在中國創立的《納米研究》（Nano Research）是材料科學研究領域屬於中國的第一份真正具有世界影響力的雜誌。
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