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[科技日报]陆春华:穿梭于光谱世界的“膜”法师

时间:2021-08-19 来源:科技日报 作者:朱琳 摄影: 编辑:王小轩 上传:

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视觉中国供图

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人物档案

受访者供图

陆春华,1974年出生,南京工业大学教授、博士生导师,主要从事激光、太阳光等光电磁波的高效选择性吸收与能量转换研究,先后承担重大科研项目30余项,在学术期刊发表学术论文100余篇,获得国家发明专利授权36项。

◎本报记者 金 凤 通讯员 朱 琳

和往年一样,这个暑假,南京工业大学教授、材料学院院长陆春华依旧没有休息,而是选择留在实验室。前不久,他购置了4块太阳能电池板,将团队研发的辐射降温膜贴在上面,查看这种新材料能否给电池板降温、发电量又是否会增加,为下一步的中试做准备。让他兴奋的是,“贴膜后,太阳能电池板每天的发电量比以前提高了3%到5%”。

前不久,陆春华荣获第二届“江苏建材行业十大科技人物”称号。自1998年到2021年,他穿梭于光谱世界,研制防激光玻璃材料、利用光转换促进植物生长、用光催化降解污染物或制氢,将光谱材料的性能发挥到极致。

烧制出能吸收激光的玻璃

说起陆春华的科研故事,就不得不提到一块他心心念念了多年的特殊玻璃。

这块玻璃对于陆春华来说意义非凡,那是他读研时成功烧制的第一块玻璃。它和其他玻璃一样晶莹剔透,不同的是,它被掺入了特殊的离子材料,经过1450摄氏度的高温烧制,最终冷却后,可以吸收激光。也是从这块玻璃开始,陆春华和光谱材料结下了不解之缘。

陆春华与玻璃的缘分,要追溯到1998年上半年的一天。那时,在读研究生二年级的他,突然接到导师南京化工大学教授许仲梓的一个任务:研制一种国内前所未有的防激光玻璃材料。这是国内急需的一种材料,陆春华毫不犹豫地接下这个任务。

可是该从何处入手呢?“当时,对于这种玻璃材料,我一点儿概念都没有,它的原理是什么、该如何设计,没有任何经验。”陆春华说。

“一无所有”的陆春华,选择从研究文献做起。他翻遍了当时学校乃至整个南京的图书馆,却一无所获。于是,他又动身前往北京国家图书馆,开始了“日出而作、日落而息”的翻阅文献生活。

当时,陆春华住在大学同学单位的会议室,每天坐着水泥搅拌车,雷打不动地第一个踏进图书馆,最后关门时才出来。15天过去了,陆春华翻遍了图书馆里激光防护材料方面的文献,不过可供借鉴的文献几乎没有。

即便如此,陆春华仍未放弃,他回到学校后,决定从最基础的颜色玻璃开始学习。“需要吸收的激光波长是确定的,我就开始以此着手,不断地尝试哪种离子可以吸收该波段的激光。”他说。

此后一年半时间,吃、住都在实验室的陆春华,大约试了几乎所有能吸收光的金属离子材料,包括20多种具有多种价态的过渡金属与稀土离子。

直到1999年底的一天,实验室的显示屏上,保持了一年多的直线终于“急转直下”,材料显示出良好的激光特征吸收属性。陆春华终于烧出一块可吸收激光的玻璃。突破性的进展让陆春华喜出望外,他一鼓作气,通过调整材料的配方和制备工艺,满足了项目要求万分之一透过率的严苛要求。

发明可辐射制冷的纳米功能膜

“你想做什么课题?”还在读研究生时,导师曾抛给陆春华这个问题,他毫不犹疑地回答“想做有挑战性的课题”。实际上,在陆春华的科研生涯中,“挑战性”从未缺席。

陆春华所在的课题组最初的研究对象是玻璃质材料。2012年,他突然有个特别的想法:是否可以将玻璃体系设计思路拓展到陶瓷基体上去?

“玻璃烧到1400摄氏度已经是液体了,但是陶瓷在1700摄氏度还是固体,其显示出更强的耐高温、抗激光性能。”基于这一现象,他发明了一种新型防激光透明陶瓷,随即也申请了国家发明专利,学院传统的研究领域也得以进一步拓展。

在课题组研究人员倪亚茹眼中,陆春华永远有冒不完的想法和使不完的劲。激光吸收材料研制成功后,好奇心又驱动着陆春华去做更多的拓展:材料吸收光后积累了大量的热,影响性能怎么办?材料吸收的光能否被直接转换成光而不是热?

“想到之后,更重要的是做到。”陆春华说。

2009年,在做光的选择性吸收研究时,陆春华开始尝试做光谱的选择性反射与吸收辐射一体化功能材料。

“夏季很多建筑物环境温度高,需要空调制冷,消耗了大量能源,我们就想研发一种降温材料,让它既能反射太阳光,又能通过大气窗口辐射红外线,但最大的难点在于一种材料表面,难以同时具备这两种优质的光谱特性。”陆春华说。

带着一届又一届的硕士生和博士生,通过近十年的艰苦研究,他成功将材料的内部热能通过红外选择性热辐射方式向外传输,发明了太阳光下可以“辐射制冷”的纳米功能膜。由于利用了材料特殊分子组成和结构实现了热能的辐射转移,其能耗为零。该成果申请了国家发明专利5项,在新型建筑用内置百叶门窗系统应用技术开发方面取得了阶段性重要突破。

近些年,陆春华研究团队研发的辐射降温功能膜已走出实验室,走进了人们的日常生活。百叶窗、食品包装袋、化学储物罐都被施了“膜法”。

具有“治愈力”的导师

陆春华课题组的研究生陈明学,前不久在写亚搏app_亚搏app下载官网辐射降温材料的毕业论文。在读研究生一年级时,陈明学就开始跟着陆春华研制辐射降温材料,降温材料效果虽然已经很明显,但是却“卡”在了最后一个环节上:如何将几个微米厚的降温涂层牢牢地结合到作为基底的PET镀铝膜上。

由于这张膜非常柔软,极难贴合,陈明学多次想放弃,但关键时刻陆春华鼓励他“不要放弃,一定可以成功”。最终,陈明学在经历“绝望50天”后,迎来了胜利的曙光。

公派留学的博士生代宝莹,也有过类似的经历。2015年,陆春华带着她研究如何通过太阳光光催化材料的氧化还原反应,降解有机物污染物,从而保护环境。

起初,代宝莹对该课题毫无头绪,此项研究一度令她极其痛苦。“走投无路”时,她会找陆春华聊一聊。

陆春华曾启发她:“太阳光中含有紫外光、可见光和近红外等不同波长的光子,它们能量大小不同,但人们现在利用较多的是紫外光、近紫外光,很多可见和近红外光无法利用。我们能否吸收利用所有的太阳光,并利用风能、水流动形成的机械能,提升材料的光催化性能,进而更好地降解有机污染物呢?”

“陆老师总是有很多奇思妙想,开导我、激励我,很有治愈力。”代宝莹说。

在导师的启发下,代宝莹从藤蔓植物中找到了灵感,她将压电复合材料设计为螺旋结构,使其在风、水流等自然流体介质作用下发生变形产生压电势,从而提供能量驱动自修复内建电场,实现了光催化效率的持续提升,相关研究成果发表在《先进材料》《先进功能材料》等学术期刊上。

采访结束时,陆春华从包里掏出了一块自己研制的红色透明玻璃,在他看来,每一块玻璃都有着同样的使命:不断鞭策激励自己。在陆春华眼中,“永远有更好的材料等着科研人员去开发”。

2021年8月17日《科技日报》:

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