編者按：
黑磷 （圖片來(lái)自百度百科）
二維黑磷自被發(fā)現(xiàn)起便備受關(guān)注，甚至被科學(xué)家視為硅的理想替代材料。近年來(lái)，黑磷逐漸在電學(xué)、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域都展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
深圳市黑磷光電技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室主任、深圳大學(xué)特聘教授張晗是國(guó)內(nèi)黑磷最早的研發(fā)者之一。2015年，他率先探索出了針對(duì)黑磷的液相制備新方法，并首次利用黑磷實(shí)現(xiàn)了光纖激光器的鎖模；2016年他首次探索到黑磷可在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上發(fā)揮重要作用；今年3月，他與合作團(tuán)隊(duì)成功制備出基于黑磷的光聲成像造影劑，引起熱議。
從非線性光學(xué)到光電器件研究，從石墨烯到黑磷，從激光技術(shù)到納米生物光子學(xué)，敏銳的科研直覺(jué)讓他始終走在業(yè)界前沿；科研之外，作為導(dǎo)師他有著自己的獨(dú)到心得。中國(guó)激光特邀張晗教授與大家分享他的科研歷程與教研感悟。
張晗
超級(jí)材料——黑磷
黑磷是磷單質(zhì)在常壓下最穩(wěn)定的一種同素異形體，它的晶體結(jié)構(gòu)早在1935年就通過(guò)X射線衍射的方法確定。黑磷和石墨烯具有類似性質(zhì)，單層的黑磷不僅具有媲美石墨烯的導(dǎo)電能力，而且存在石墨烯沒(méi)有的能隙。
在半導(dǎo)體中，有能隙的存在，半導(dǎo)體吸收了足夠的能量才會(huì)呈現(xiàn)出另一種狀態(tài)，即在半導(dǎo)體元件中可以表示 0 和 1。顯示器、處理器中的硅基半導(dǎo)體正因?yàn)榫邆溥@一特點(diǎn)才能得到廣泛的應(yīng)用。能隙還對(duì)材料的光電特性有影響，包括光的吸收、發(fā)射和調(diào)制，半導(dǎo)體材料的光學(xué)性能主要依賴于能隙的大小。由于黑磷存在可通過(guò)調(diào)整在硅基板上堆疊的黑磷層數(shù)來(lái)控制的能隙，故被視為一種新的超級(jí)材料。
黑磷 （圖片來(lái)自百度百科）
黑磷可以和光直接耦合，并且它的能隙范圍意味著它可以吸收 0.6 到4.0 μm波長(zhǎng)的光，即它可以檢測(cè)到整個(gè)可見(jiàn)光到近紅外區(qū)域的光譜，這個(gè)特性使得黑磷極有可能成為一種優(yōu)質(zhì)的光電器件材料。此外，黑磷有著獨(dú)特的各向異性結(jié)構(gòu)，在電學(xué)、光學(xué)、生物化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域都展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
黑磷性質(zhì)優(yōu)異，制備出高品質(zhì)二維黑磷的第一步是得到黑磷單晶，但是黑磷難以制備、難以保存。近年來(lái)，該材料迎來(lái)了復(fù)興期，因此摸索出一套成本低、產(chǎn)量高、質(zhì)量好的黑磷大規(guī)模制備方法具有現(xiàn)實(shí)意義。我憑借在科學(xué)研究上的敏銳直覺(jué)，立馬抓住時(shí)機(jī)，在2016年組建了全球首個(gè)黑磷工程實(shí)驗(yàn)室，并擔(dān)任深圳市黑磷光電技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室主任，著手開(kāi)展黑磷材料的研究。
三年研究，碩果累累
我在新加坡南洋理工大學(xué)讀博期間從事光纖激光器中非線性光學(xué)特性的研究，并于2009年首次在光纖激光器中實(shí)現(xiàn)了暗孤子的輸出，揭示了新的激光輸出狀態(tài)。但是國(guó)際上黑磷研究剛剛起步時(shí)，我便認(rèn)定新型二維材料的用途很廣，黑磷性能還有極大的探索空間，它將給人類帶來(lái)無(wú)限可能。
2012年，我選擇回國(guó)加盟范滇元院士的科研團(tuán)隊(duì)，并在深圳大學(xué)任教。我的科研團(tuán)隊(duì)組建后僅一、二年的時(shí)間，就取得了多項(xiàng)引發(fā)廣泛關(guān)注的成果：
率先探索出了針對(duì)黑磷的液相制備新方法，揭示了黑磷獨(dú)特的層數(shù)依賴?yán)匦院头蔷€性光學(xué)特性，在“薄層黑磷的大批量制備”上獲得突破，并利用所制備的黑磷實(shí)現(xiàn)了激光的鎖模；
開(kāi)發(fā)出一種新型、簡(jiǎn)易的熱蒸發(fā)法技術(shù)，用于制備鈦或碳納米管支撐的黑磷材料,實(shí)現(xiàn)從紅磷到黑磷的可控制備并研究其光催化活性（Angewandte Chemi）；
基于液相剝離方法制備得到黑磷納米片，揭示了黑磷納米材料寬波段可飽和吸收特性（Optics Express），該工作入選了高被引論文和熱點(diǎn)論文及2015 年“中國(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文”；
實(shí)驗(yàn)證明多層黑磷納米片具備寬帶可飽和吸收響應(yīng)(從可見(jiàn)光到中紅外波段)
采用溶劑熱方法從黑磷體材料成功制備出橫向尺寸約為2 nm的黑磷量子點(diǎn)，將其作為可飽和吸收體用于鎖模激光器中，在通信波段產(chǎn)生超短脈沖（Advanced Optical Materials封面文章）；
利用黑磷的通信波段非線性光學(xué)響應(yīng)，將少層黑磷涂覆在微納光纖上，實(shí)驗(yàn)了全光信號(hào)處理（全光閾值和全光調(diào)制）及波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和非線性光開(kāi)關(guān)技術(shù)，為基于黑磷光通信應(yīng)用開(kāi)拓了新的思路（Advanced Optical Materials和ACS Photonics ）；
基于黑磷材料制備上的創(chuàng)新，研制出快速響應(yīng)、高靈敏度、抗氧化的黑磷光探測(cè)器（Advanced Functional Materials）。
黑磷的研究不過(guò)短短3年時(shí)間，在這個(gè)全新未知的領(lǐng)域就要敢于打破常規(guī)，不僅僅局限于材料領(lǐng)域。
國(guó)際首次——黑磷應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
磷是生物體內(nèi)必需的元素，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也是無(wú)可比擬的。最近，我們探索到了黑磷的這一重要作用，相關(guān)成果發(fā)表在在國(guó)際著名刊物Advanced Materials、Nature Communications等，這是關(guān)于“黑磷應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域”在國(guó)際上的首次發(fā)聲。
我們發(fā)現(xiàn)黑磷在生物光子學(xué)上具備以下獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：1）可包載化療藥物，包載量高達(dá)980%； 2）高效光動(dòng)力，可以驅(qū)動(dòng)藥物的釋放；3）高效光熱效應(yīng)，直接殺死腫瘤/癌細(xì)胞；4）具有光聲效應(yīng)，可用于腫瘤活體成像；5）可釋放單線態(tài)氧，導(dǎo)致腫瘤/癌細(xì)胞死亡或凋亡；6）可直接代謝為“磷”元素，沒(méi)有毒性且半衰期適中。
我們團(tuán)隊(duì)在該方向也有著不俗的成績(jī)：
在成功制備出的黑磷量子點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種核殼納米球結(jié)構(gòu)，這既保證黑磷量子點(diǎn)在光熱反應(yīng)中的穩(wěn)定性，又能實(shí)現(xiàn)緩慢釋放和降解，推動(dòng)了高效安全的腫瘤光熱治療（Nature Communication）；
小鼠注射攜帶藥物的納米球后不同時(shí)間點(diǎn)的體內(nèi)熒光圖像
通過(guò)檢測(cè)黑磷量子點(diǎn)的光學(xué)屬性和對(duì)不同細(xì)胞系生存率的影響，發(fā)現(xiàn)其展示了優(yōu)異的近紅外光學(xué)性能，在近紅外激光的照射下能夠顯著的殺死腫瘤細(xì)胞，并且在多種細(xì)胞系中均展現(xiàn)出良好的生物相容性（Angewandte Chemi）；
二維黑磷納米薄片較大的表面積比能夠?yàn)榛熕幬锓肿拥拇罅课降於ɑA(chǔ)，同時(shí)在808 nm激光照射下能夠產(chǎn)生局部高熱，用于腫瘤的光熱治療和驅(qū)動(dòng)藥物釋放（Advanced Materials封面論文）；
與中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院喻學(xué)鋒、王懷雨研究員合作，成功制備出基于黑磷的光聲成像造影劑，用于實(shí)現(xiàn)高效安全的腫瘤光聲成像診斷（Small封面文章）。
黑磷量子點(diǎn)作為造影劑，獲得了小鼠體內(nèi)腫瘤的光聲圖像。
科研之外，教書育人
或許在外人看來(lái)，科研工作者不過(guò)是坐在實(shí)驗(yàn)室里擺弄瓶瓶罐罐、搗鼓儀器、在電腦上計(jì)算些看不懂的數(shù)字符號(hào)。對(duì)我個(gè)人而言，將科研工作提升為一種興趣愛(ài)好，帶著快樂(lè)的心情去追尋真理，這個(gè)過(guò)程所帶來(lái)的滿足感和成就感，是一種人生樂(lè)趣。
從事科研工作多年，指導(dǎo)學(xué)生也有五六年了，對(duì)于如何引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展科研、開(kāi)展跨學(xué)科研究以及協(xié)調(diào)組內(nèi)與組外合作，我的獨(dú)到心得是：各抒其長(zhǎng)，互幫互帶，敢于打破常規(guī)。
對(duì)研究生來(lái)說(shuō)，正處于科研基礎(chǔ)的奠定時(shí)期，首先需要學(xué)好專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、過(guò)好英語(yǔ)語(yǔ)言關(guān)，其次就要多進(jìn)實(shí)驗(yàn)室觀摩師兄師姐們做實(shí)驗(yàn)，早日進(jìn)入科研角色。好比學(xué)游泳，最好是跳下水再學(xué)，空談?dòng)斡纠碚摚幌滤肋h(yuǎn)學(xué)不會(huì)；
博士期間要通過(guò)論文寫作關(guān)，要想在寫作的時(shí)候下筆千言，還是得靠論文閱讀量的積累。對(duì)于該領(lǐng)域的國(guó)外經(jīng)典文獻(xiàn)至少讀20篇，其中10篇左右需要重復(fù)研讀和做比較分析，發(fā)表在國(guó)內(nèi)一流期刊的文獻(xiàn)最好悉數(shù)翻閱（一般也在20篇左右）。
閱讀文獻(xiàn)更需要連貫性，我讀博士的時(shí)候可以一個(gè)月連續(xù)閱讀不間斷，期間還需要分類整理，寫出詳細(xì)的閱讀筆記，并獨(dú)立書寫文獻(xiàn)述評(píng)。
博后階段科研素養(yǎng)已經(jīng)形成，會(huì)面臨平衡導(dǎo)師課題與自己興趣的難題。博后的研究既要有自己獨(dú)立的研究方向，也要與導(dǎo)師的專業(yè)特長(zhǎng)結(jié)合起來(lái)，才能產(chǎn)生1+1＞2的效果；在課題研究過(guò)程中，要敢于打破條條框框的束縛，從宏觀角度進(jìn)行把握，對(duì)于不太擅長(zhǎng)的細(xì)節(jié)可以由組內(nèi)的其他人補(bǔ)充，爭(zhēng)取取得原始性創(chuàng)新。
張晗教授在實(shí)驗(yàn)室
開(kāi)放合作，情牽深圳
如果時(shí)光回溯到一二百年前，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)那時(shí)的很多科學(xué)家僅憑一己之力就能做出很多科研成果，我們學(xué)到的很多定理就是以他們的名字命名的。由于科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，如今學(xué)科的劃分更加細(xì)致，一個(gè)人很難有精力涉及好幾個(gè)領(lǐng)域。如果想把自己的領(lǐng)域做深做透甚或有些突破，那么相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)或者跨學(xué)科的科研合作就顯得尤為重要。
我的課題組有一位出色的博士后，我將他安排在與他之前專業(yè)不同的小組里，一段時(shí)間后，通過(guò)這種不同學(xué)科間思想的碰撞，這個(gè)小組取得了很多高水平成績(jī)。所以，我在課題組成員的聘用與組合上不會(huì)拘泥于專業(yè)，但又看重專業(yè)的相通性；尊重個(gè)人科研的獨(dú)立性，但又從方向上進(jìn)行溝通磋商與宏觀把握。按照所做的課題，根據(jù)每個(gè)成員的知識(shí)結(jié)構(gòu)，靈活采取小組合作制。
這幾年，我們與劍橋大學(xué)、哈佛醫(yī)學(xué)院、瑞典卡琳羅斯卡醫(yī)學(xué)院、新加坡國(guó)立大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)等高校密切聯(lián)系，在學(xué)術(shù)交流、人才培養(yǎng)上取得合作。通過(guò)這些交流，學(xué)生們屢次獲得前往國(guó)際知名高校的學(xué)習(xí)交流機(jī)會(huì)，并將先進(jìn)的科學(xué)理念和成果帶回國(guó)內(nèi)。
我們團(tuán)隊(duì)來(lái)到深圳大學(xué)以后，一直非常渴望能夠培養(yǎng)一批優(yōu)秀的學(xué)生，為這座城市的未來(lái)發(fā)展貢獻(xiàn)綿薄之力。因?yàn)橐粋€(gè)城市的魅力，不僅在于能夠吸引人才進(jìn)來(lái)，還在于它可以輸出怎樣的人才，為這座城市服務(wù)。
張晗簡(jiǎn)介：
深圳大學(xué)光電工程學(xué)院特聘教授、博士生導(dǎo)師，首屆國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者、中組部青年千人計(jì)劃獲得者、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才獲得者、深圳市黑磷光電技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室主任、深圳市孔雀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、深圳市政協(xié)委員等。從事非線性光學(xué)與超快激光研究10余年，累計(jì)發(fā)表SCI 文章170余篇，SCI總引用次數(shù)超過(guò)7300，H因子為42，兩篇論文入選中國(guó)百篇最具影響力國(guó)際學(xué)術(shù)論文。擔(dān)任Photonics Research副主編及Scientific Reports期刊編委。主持基金委國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目、深圳市孔雀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目13項(xiàng)。
張晗課題組簡(jiǎn)介：
課題組是從國(guó)內(nèi)外各個(gè)大學(xué)引進(jìn)到深圳市、深圳大學(xué)，重新組建的國(guó)際化科研團(tuán)隊(duì)。目前，課題組由具有物理、材料、光學(xué)甚至醫(yī)學(xué)等多學(xué)科背景的博士后、博士與研究生組成。近兩年來(lái)，在深圳大學(xué)范滇元院士領(lǐng)導(dǎo)下，在教育部二維材料光電技術(shù)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室大力支持下，該課題組在Nature Communications (1篇)、Advanced Materials (2篇)、 Angewandte Chemie (3篇)、Advanced Functional Materials (3篇)、ACS Photonics(3篇)等光電子期刊上共發(fā)表30多篇高水平論文，其中十多篇封面論文；兩篇論文分別被評(píng)為2014年和2015 年“中國(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文” ；兩篇論文入選2015 年物理領(lǐng)域中國(guó)作者發(fā)表的高被引研究論文 Top 10。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
