300万年前，原始人以石头为工具，开启旧石器时代；

1万年前，人类将石器加工成精致的器皿和工具，进入新石器时代；

又过了几千年，人类在寻找石器的过程中认识了矿石，开创了冶金技术，青铜器时代来了……

在人类物质文明的发展史上，制造工具的材料，往往被用来划分并命名不同的社会阶段。这条古老的脉络背后，是人类越来越好的生活。相较而言，材料科学则是一门非常年轻的学问，直至上世纪五十年代，美国西北大学才首先将它独立成为一门科系。

8月2日，原就职于美国西北大学材料系的黄嘉兴，正式加入西湖大学工学院，任材料学讲席教授。

与其说，是我们透过与他的对话，试图张望材料学世界的一隅；倒不如说，是他将探索材料世界的美妙铺陈在我们面前。我们也从黄嘉兴身上看到，一个材料科学家具备哪些特质。

好奇心与洞察力

当你把玩一根玩具软铅笔，你有没有想过这种铅笔为什么折不断？又能想到可以用这种笔直接画出有毒化学气体的监测器吗？

当你在玩橡皮泥，或更流行的超轻粘土，你会把这个有趣的捏合过程，“嫁接”到石墨烯身上吗？

再举个例子，当你哼着小曲冲着凉——这个给许多发明家带来灵感的经典时刻，你能从满头的洗发水中衍生出怎样的奇思妙想？比如，做一块世界上最薄的肥皂？或者，用石墨烯做染发剂？

如果你觉得上面这些设想过于天马行空，那么，你可以在接下来的人生中，试着更大胆地打开自己的好奇心和想象力。因为，这些都是黄嘉兴课题组在过去数年中“发明”的，在他们的实验室里，如此有趣的发现还有许多。

黄嘉兴在美国西北大学的实验室  

从生活中捕捉灵感，然后在实验室里做出来：这是一条简单的方法论，却也不是能轻易做到的。连黄嘉兴都说，自己也还在将其训练成为本能的过程中。

以染发剂的工作为例。2018年，黄嘉兴课题组展示了基于石墨烯的黑色染发剂，将其涂在头发上，就能形成一层微米级的黑色薄膜。与传统的小分子染料相比，这种“二维色素”的好处很多：一方面，它的颜色足够深，不需要高浓度使用；另一方面，它只是附着在头发表面，不需要打开角质层进入头发内部。而与色素颗粒相比，又软又薄的石墨烯片粘附性更强，不需要涂很厚。同时，由于石墨烯的导电性，这种染发剂还能改善静电对发型带来的困扰。

将“高端材料”石墨烯，用在极其生活化的染发上，难怪有人评价这个课题组“脑洞大开”，但黄嘉兴并不满意。

“我后来意识到，连我自己都没有及时把好奇心真正打开，5年前就应该想到（染发剂）这个问题了。”黄嘉兴说，其实线索一直就藏在身边，“印象很深，有一次在欧洲的火车上，身边人五彩斑斓的头发把我逗乐了，但就是没有去想过，这些颜色是怎么做出来的。”

黄嘉兴在美国时任教于西北大学，和西湖大学一样，这是一所倚赖社会捐赠和政府支持办学的私立高校。作为一名材料科学家，他并不刻意限制自己应该专注“书架”还是“货架”，只要是有趣的问题，都可以关注——顺着好奇心深入分析，找出所关注事物的来龙去脉，往往就能够发现一些独特的科学问题。

“我很赞同西北那边一些元老级同事的看法，材料科学的研究人员在打下一定的专业基础后，应该花一点点精力去关注社会中的问题，哪怕是人们生活中的小问题。我自己一开始也没有料到，通过这种关注，竟然还能提炼出科学灵感，能收获定义新的科学问题的机会。”在黄嘉兴的材料世界里，这个“机会”落在氧化石墨烯上。

石墨烯材料，在学术界炙手可热。黄嘉兴对它的兴趣，并不是基于那些为人熟知的光电、力学等方面的优异性质，反倒是氧化石墨烯薄片——这个石墨烯家族里一开始不太受重视的一员，其本身的基础结构令他着迷。

他说，这是一种又像分子、又像颗粒的东西，纵向尺度上只是一个单一的原子层，横向尺度上很方便地就能达到数十微米，这么不同的尺度结合在一个结构单元里，而且用六七十年前的老办法就可以大量制备。“我突然有点兴奋，这种超薄的二维体系，实际上是很漂亮的软材料，它像高分子聚合物，又像胶体，又像薄膜，还像表面活性剂……”

在单一材料上集成的多种可能性，打开了黄嘉兴的好奇心，而他也在接下去的十余年时间里“放纵”了这些好奇：

它在水里是什么状态？是待在水的表面，还是待在水里？在溶液里它是平的，还是皱的？特别小的和特别大的又有什么不同？

能不能把这些薄片揉起来，就好像一个个纸团一样？纸团结构又有什么好玩的地方？纸团这个形状到底该怎么描述，怎么定义？

……

在好奇心的驱动下，黄嘉兴围绕这个小小的二维薄片，厘清了多个在学术界存在了十几年的误解，重新定义了氧化石墨烯的一些基础性质。而在这个过程中，他也“顺便”做出了像染发剂这样的“新奇发明”，在溶液里不团聚的纸团状的胶体颗粒，提出了“二维纳流体材料”这样的新方向。

所以，“从生活中捕捉灵感，然后在实验室里做出来”，这条方法论的前面其实还有必不可少的一环：理解材料的基础性质。

一个好的材料科学家，往往具备这种敏锐的洞察力，能将基础研究中取得的发现与生活中捕获的问题关联起来。而多数时候，这种洞察力的背后，需要的是无边无际的好奇心，是天马行空的想象力。

使命感与学习力

2020年初，新冠疫情在中国肆虐，面对突如其来的陌生病毒，恐慌的情绪在人群中蔓延。有人问他：“黄教授，这波疫情你怎么看？”

他一下被问懵了。

在学术圈外的人看来，当认知的盲区暴露在眼前，大学教授总能知道得多一些。黄嘉兴也被这样的想法所裹挟，但对病毒的一无所知让他觉得沮丧，他发现自己“甚至都没有能力形成一点看法”。

干脆，他买了一本病毒学入门的课本来看，也辗转联系了一些国内传染病专业的医生请教。他很快意识到，对于呼吸道传染病来说，那些隐藏在呼吸道液滴里的病原体，是必须要先脱离它们的原生环境，离开人体，穿过物理空间才能去感染下一个人的。

“这一下子给了我很大的鼓舞，虽然我们不是研究生物或免疫的，但是物理空间这一段，可是到了我们的地盘上啊！”黄嘉兴说，“就好像对付蚊子传播的疾病一样，就算不懂治病，总可以帮忙想想怎么把蚊子挡住，或者直接拍死吧？”

他找到组里的一名中国学生黄海月。“愿不愿意冒个险？”

这位连博士生中期考核都还没过的年轻人，一点也不顾忌导师的面子说：“没问题，（新冠）这个研究比我的课题有意义多了！”

于是，他们一边学习病毒学的知识，一边琢磨自己所了解的材料科学能在其中发挥什么作用。一轮又一轮头脑风暴之后，思路逐渐清晰，想法也越来越多。最终，他们联合了国内九位生医材料、新冠检测、临床诊治、重症救治和公共卫生方面的专家，起草了一份倡议书，鼓励物质科学和工程方面的研究人员主动思考与疫情相关的科学问题。去年，武汉解封的那一天，这封倡议书正式发表。

他们的研究课题也同时启动了。当时，新冠疫情已经开始席卷全球，升级成“大流行”（pandemic），西北大学也采取了“封校”措施。向校方申请“必要研究人员”身份后，黄嘉兴组里包括黄海月在内的几个人，“住”进了材料系的楼里。

在疫情中科研攻关的课题组  

“西北大学生医方面的很多同事都在从事与疫情相关的紧急科研攻关，但整个材料系的楼里，大致只有我们实验室有人。”黄嘉兴回忆，正是那段“闭关”的时间，让他们快速取得了一些收获。

比如，最近课题组利用护发素中的一种常见成分，开发出吸收气溶胶液滴的涂层，可以像捕蚊子一样，捕获空气中的气溶胶液滴，抑制液滴在环境物体表面（实验中使用了有机玻璃阻隔屏）或透明面罩上的弹跳，从而防止带病毒的液滴“逃”回到空气中积累。黄嘉兴也计划在西湖大学继续深入研究这个课题。

事实上，在启动这项课题之前，黄嘉兴的课题组一直关注国内、特别是武汉的疫情。那一张张年轻的、朝着疫情中心逆行的面孔，让他们由衷地感佩。他也尤其赞赏选择临时加入这些项目的课题组成员们，欣赏他们“与其在家中坐等，不如来做点什么”的决断。

“过去一年半有挺多的感动和感悟，也感谢新认识的和重新认识了的那些了不起的人们。”黄嘉兴说，正是这个过程触发了他和他身边的一些人萌生了回国的想法。

从一个湖到另一个湖

两周前，黄嘉兴结束了14+7+7的集中与居家隔离，走进西湖大学云栖校区。这已经不是他第一次来到这里——2019年10月，他作为美国西北大学材料学系的教授，应邀主讲一场西湖名师论坛。

2019年，黄嘉兴在西湖名师论坛  

也是在那时，他收到了来自校长施一公的邀请，请他回国全职加入西湖大学。

和生命科学学院院长于洪涛差不多的是，黄嘉兴选择西湖大学的其中一个重要原因，也是这里充满活力、思想开放而又积极进取，甚至还带点浪漫色彩的青年特质。

“材料科学与工程的特性，尤其是跨越空间和时间尺度的‘构-效’思维方式，决定了我们可以与很多学科天然交叉，更有学不完的东西。来到西湖大学，对我来说是再次学习和成长的机会，这里有这么多优秀的人和思想，又有能够自由探索的氛围，能够不断给我们带来灵感和刺激。”黄嘉兴说，“我觉得西湖会是一个特别好的环境。”

黄嘉兴课题组在密歇根湖边  

年轻，就应该是无畏的，纯粹的。

年初，黄嘉兴问他的学生们，要不要换个湖待待，从密歇根湖边的西北大学，到中国杭州的西湖大学。

他们说：“走啊，还等什么！”