11月14日，西湖大学师恩政（左）和王睿（右）在《麻省理工科技评论》颁奖现场，分别获得亚太区和全球区的“35岁以下科技创新35人”，西湖大学材料科学讲席教授黄嘉兴（中）作为颁奖嘉宾出席。

此前，我们曾多次报道过致力于新一代太阳能电池研究的王睿实验室，今天，我们重点带大家一起去看看师恩政和他的材料世界。

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大约在5000年前的良渚，你可以听到绳子切开玉石的窸窣之声。  

沾上细小的石英砂，绳子快速拉动，切割，再打磨，来获得一个温润的平面。制玉工坊像是良渚先民的“材料实验室”，是那个时代的“前沿技术”。  

距离良渚遗址10公里之外的西湖大学，这次要探访的实验室，同样在研究材料领域的前沿——钙钛矿和碳纳米管。实验室的负责人师恩政出门迎接，大大的眼睛，笑起来很阳光。他刚入选《麻省理工科技评论》亚太地区“35岁以下科技创新35人”。  

“材料是天坑专业吗？我不这么想。人类历史可以用材料定义，比如石器时代、青铜时代、铁器时代、信息（半导体）时代等。”师恩政把我带进他的办公室，一下子把话题拉回到远古。  

在接下来的实验室参观中，我才慢慢意识到，材料不仅书写了人类历史，也参与了人类和自然的交流。师恩政的实验室，像是一所折叠的自然博物馆。

全文3000字，约9分钟

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通体白色的仿大理石外墙在阳光下颇为耀眼，师恩政的实验室位于这栋4层建筑的顶层。这位年轻的学者笑称有两间实验室“干湿分离”，一间带水槽和纯水系统，一间摆满了手套箱。实验室刚启用不久，看上去白净清爽。手套箱不用的时候，手套会伸向外面，像在等待一个拥抱。

“喝绿茶还是白茶？”师恩政打开小冰箱，里面摆得整整齐齐，喝茶是他做科研养成的习惯。我们的聊天是从“平面”开始的。

良渚先民追求极致平面，似乎是一种人类天性。1968年，导演库布里克和科幻作家克拉克一起制作了电影《太空漫游2001》，那块黑色平整石碑在电影里神秘反复出现。石碑引发黑猩猩群的躁动不安，只有其中一只敢于伸手触碰。电影戏剧性的一幕出现了，它的眼神有了另一种光。

二维的绝对平面，留给三维的生命却是震撼。

师恩政研究的重点之一就是二维卤素钙钛矿。他拿起办公桌上的一叠纸做比喻。二维卤素钙钛矿可以一层层剥离，最后只剩下一层纳米级的材料。他从那一叠纸中抽出一张，在上面画出了单层钙钛矿独特的八面体结构。

钙钛矿其实指的是一种化合物结构。1839年，德国化学家古斯塔夫·罗斯在俄罗斯乌拉尔山发现了天然钛酸钙（CaTiO₃），这是一种ABX₃的结构，实际上，元素周期表中90%的金属元素都可以成为钙钛矿中的A或B离子。

“就像一个脚手架。”师恩政突然说出了这个比喻。

有研究者估算，在地壳深处，钙钛矿型的矿物占地球总体积的大约38.5%，算是地球常客。就好像地球上27%的元素都是硅，平凡无奇的沙子，可以引导人类进入硅基智能的时代。

而这个“脚手架”，方便了人类去搭建各种“工程”。上世纪70年代，人们研制出了用有机离子（甲基胺或甲脒氢）作钙钛矿结构中的A离子，用铅作B阳离子，用氯、溴或碘阴离子作X阴离子。这样的钙钛矿有非常好的光伏特性，能够把光能转化成电能。

钙钛矿材料被寄予厚望，它甚至可以是柔性的，人们甚至想象像刷墙漆一样，在建筑物外面涂上钙钛矿电池，给房子供电。

但是，这不是一种“完美“的结构，能在室温下加工，也容易在室温下分解，而且还怕水怕氧。这就是为什么，师恩政的实验材料多数需要在手套箱里加工，那里充满了氮气，隔绝了水和氧。

师恩政的突破正是系统研究钙钛矿的稳定策略，成果之一发表在2020年的《自然》杂志上。但太阳能电池只是钙钛矿的应用之一，师恩政说，材料科学好玩的地方就是尝试之前鲜有人探索过的应用领域。

如何让钙钛矿稳定下来？师恩政指了指桌子上一卷蓝色的胶带，悬念恰恰在不起眼的日常细节里。

很多想法直接写在了透明玻璃上

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2004年前，人们认为理想的二维材料不能稳定地存在。

当时英国曼切斯特大学的两位科学家利用胶带在石墨中剥离出单原子层厚度的石墨，也就是石墨烯。

一般人撕胶带只能拆个快递，科学家撕胶带可能真的撕开了脑洞。单层的石墨烯是透明的，碳原子呈蜂窝状牢牢结合。理论上，石墨烯的强度是钢的200倍，电导率是银的1.6倍，热导率是铜的13倍。

两位科学家因此获得了2010年的诺贝尔奖，也开启了二维材料研究的时代。

二维层状的钙钛矿同样可以像石墨一样层层剥离，师恩政在卤素钙钛矿的结构中，引入了噻吩类共轭有机配体。这相当于在卤素钙钛矿的表面，增加了一层疏水的“保护膜”，而师恩政用这种有机配体，比前人研究的材料更具“刚性”，隔绝水和氧，能更有效抑制钙钛矿这个“脚手架”的“垮塌”。

果然是万物皆可“贴膜”，就如同万物皆可生长。

结晶生长是自然界常见现象，冬天的雪花，地壳下的矿物晶体，甚至我们厨房里的冰糖，他们都是生长后的晶体，当然也包括钙钛矿。

师恩政一个个介绍着用于钙钛矿生长的实验装置——可以是在溶液中生长；可以通过球磨机，在高速碰撞下用机械力结合；甚至是像棉花糖机一样，通过高速旋转形成。这些都仿佛一种自然力量的微缩模拟，在实验室中形成一个折叠的自然博物馆。

但不同的是，师恩政团队要调控晶体长成的结构，比如两种不同种类的二维钙钛矿生长在一起，形成一个外延的同心异质结构，甚至是更复杂的超晶格。师恩政戴上护目镜，把一小份材料样品拿到显微镜下，在紫外光的照射下，不同类型的钙钛矿会显示不同的颜色。

师恩政“眼里”的钙钛矿材料

一幅多彩又富有几何感的图像通过显示屏展现在我们面前，绚烂异常。把两种不同的半导体接触形成的界面就是异质结，这是半导体应用中，“结”一个很基础和重要的概念。

比如不同的半导体形成的多量子阱，也是一种复杂的异质结，基于多量子阱结构的激光器具有阈值电流低、性能稳定等优点。这是目前师恩政实验室重点探索的领域。

虽然，材料科学所做的基础材料研究工作，有些时候，被解读成“天坑”，但在关键时刻上，它可能会成为“天选”。

荧光显微镜下的钙钛矿外延异质结，呈现回字形

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在师恩政的办公室里，贴着一张小纸片，上面是马克思的头像，以及他在《青年在职业选择时的考虑》里的一句话：

如果我们选择了最能为人类谋福利而劳动的职业，那么，重担就不能把我们压倒，因为它是为大家而献身；那么我们所感到的就不是可怜的、有限的、自私的乐趣，我们的幸福将属于千百万人，我们的事业将默默地，但是永恒发挥作用地存在下去，而面对我们的骨灰，高尚的人们将洒下热泪。

办公室一角

在师恩政看来，从事纳米半导体材料的研究，在这个过程中开发新型的材料制备、加工技术，揭示材料结构和性质的对应关系，进而指导新材料的应用，同时拓宽人类的知识边界，就是能为人类谋福利的劳动之一。

实验室确实很像厨房劳动，有水槽，有高温高压的设备，有手套。“有时候做实验是一种沉静和放松，就像做菜一样。”他说。

在实验室的一个角落，一位博士生正在准备接下来的碳纳米管的制备实验。他反复清洗着研钵。碾磨催化剂的时候，尽量要避免丝毫的杂质的干预。外界所不太理解的材料科学，往往就是这些细节所构成的。

碳纳米管和石墨烯相似，是碳原子“卷”成了一个一维空心结构。可以在实验室的石英管里，通过上千度的高温，用气相沉积法来生成。但目前的困难是碳纳米管的长度和取向很难控制。和石墨烯一样，这类材料有非常好的强度以及导电性能。

化学反应产生的碳纳米管是“一团乱麻”， 师恩政提出“过滤”的方法，这是一种全新的碳纳米管定向组装策略，可以将随机排列的碳纳米管组装成高定向度、高密度、高电流承载力的水平排列。

一种材料性能的新发现，可以改变人类技术应用的方向。在碳纳米管制备技术的基础上，师恩政制备了碳纳米管-二硫化钼异质结，形成晶体管阵列。这一类超纳米管管束水平阵列可以作为微纳电子器件的电极材料，相比金属可以做的更小，而且发热更少。

“你看过《三体》吗？三体里有一根超级细超级强悍的绳索，可以切割巴拿马运河上的船体。如果有的话，那个可能就是碳纳米管材料。”师恩政用手在空中比划了一条线。

他说，目前来看，碳纳米管的强度完全可以做到，只是无法大量制备较长的碳纳米管材料，纤维的失效出现在不同碳纳米管连接的地方，而自己正在着手做这方面的研究。

如果可以的话，碳纳米管还可以做成太空天梯，这是师恩政的梦想。我突然想到画家彼得·伯鲁盖尔的名画《巴别塔》，那是人类正在修建的“通天塔”。

画面里，巴别塔穿入云霄，夕阳下光彩闪耀。众所周知，它没有完工，但人类的故事还在继续。

END

师恩政，西湖大学独立PI，特聘研究员，助理教授。长期致力于低维电子材料及其异质结领域的前沿探索。现阶段的主要研究方向为新型卤素钙钛矿材料、异质结构的制备，在晶体管、光电探测器中的应用；一维纳米材料（如碳纳米管）的化学气相沉积合成、组装和操控，及在纳米电极中的应用。迄今为止，研究成果发表在Nature，Nature Nanotechnology, Nature Chemistry等学术期刊。

师恩政实验室网址

https://shilab.mysxl.cn/