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原創(chuàng) 廣州市科協(xié) 廣州市科協(xié)
在肉眼看不到的原子世界，一個(gè)細(xì)小的改變，或許就能引起人類世界的巨大變革。我們常接觸的不銹鋼、鋁合金等絕大多數(shù)金屬，放大來看，是一個(gè)個(gè)有序排列的原子，這種合金被稱之為晶體。經(jīng)過特殊加工之后，原子的排布可能會(huì)變得無序，也就是非晶態(tài)金屬，很多神奇的性能也隨之出現(xiàn)——儲(chǔ)氫、制氫能力倍增，這在能源緊缺的當(dāng)下，尤為珍貴。
暨南大學(xué)先進(jìn)耐磨蝕及功能材料研究院副研究員林懷俊將這些非晶態(tài)金屬視作珍寶，借此探索提高儲(chǔ)氫制氫性能的奧秘。漫長(zhǎng)的科研歲月，由無數(shù)失敗瞬間組成，偶爾有幾次柳暗花明瞬間，如沙里淘金。面對(duì)無序的原子世界、枯燥乏味的旅程，他步履堅(jiān)定，十余載回轉(zhuǎn)身一望，已是新的一番天地。
暨南大學(xué)先進(jìn)耐磨蝕及功能材料研究院副研究員林懷俊
發(fā)現(xiàn)金屬的溫度
在林懷俊的生命旅程中，起初發(fā)現(xiàn)冰冷金屬的溫度，或許是摸到父親修過的手表和眼鏡的那瞬間。各式各樣的鑷子、鉗子、螺絲刀在手中轉(zhuǎn)動(dòng)，將一個(gè)個(gè)鏈條、螺絲帽、眼鏡腿兒、手表機(jī)芯一陣鼓搗，就成了街坊鄰里鼻梁上、手心里的寶貝。小小年紀(jì)的他見識(shí)到了一個(gè)工匠的巧手可以帶來的威力。那時(shí)起，他就在心里悄悄埋下了一個(gè)工程師夢(mèng)。
大二那年暑假，他在深圳龍華一個(gè)模具廠實(shí)習(xí)，帶他的同事畫完設(shè)計(jì)圖之后，就去工廠車間里跟師傅們討論細(xì)節(jié)。他想，自己以后的生活大概也是這樣，那不是他喜歡的生活，當(dāng)工程師的想法就擱置了，而是繼續(xù)碩博連讀攻取博士學(xué)位。
博士期間兩位導(dǎo)師的言傳身教，讓林懷俊堅(jiān)定了想要往科研、教學(xué)路上走的想法。他的導(dǎo)師之一是華南理工大學(xué)副校長(zhǎng)朱敏教授，很多次，晚上8點(diǎn)多的時(shí)候，朱敏還去實(shí)驗(yàn)室，一句句地幫學(xué)生改論文，或是講解實(shí)驗(yàn)原理。
“我特別感動(dòng)，他作為科學(xué)大師，身兼數(shù)職，事務(wù)繁雜，但對(duì)我們學(xué)生還是特別負(fù)責(zé)。我挺受影響的，覺得做老師挺好的，能帶學(xué)生、傳授知識(shí)。”
2013年農(nóng)歷新年第一天，大概早上9點(diǎn)左右，林懷俊打電話給自己的另一位導(dǎo)師——中科院物理研究所汪衛(wèi)華院士拜年。林懷俊打的是辦公室電話，出乎意料的是，導(dǎo)師真的接了，他正在實(shí)驗(yàn)室里工作。導(dǎo)師輕描淡寫說道：“我們這個(gè)工作哪有什么假，初一也沒什么特別的?！痹诹謶芽】磥恚瑢?dǎo)師汪衛(wèi)華特別勤奮、刻苦，近年來他甚至利用坐飛機(jī)的時(shí)間寫了一本關(guān)于非晶態(tài)合金材料的書。導(dǎo)師們點(diǎn)點(diǎn)滴滴的努力和成就，給了他鼓舞和動(dòng)力。
11年，重復(fù)兩件事
明確了方向之后，林懷俊一直在研究能提高制氫儲(chǔ)氫性能的非晶態(tài)合金材料上發(fā)力。
煤、石油等能源的使用造成了很大的環(huán)境污染，氫能作為儲(chǔ)量豐富的清潔能源，被寄予了解決能源和環(huán)境問題的厚望。但氫的利用需要經(jīng)過很多環(huán)節(jié)。
林懷俊介紹，比如在制氫這一環(huán)，工業(yè)上制備氫氣主要通過對(duì)化石燃料的重整，目前世界上90%以上的氫氣都是以這種方式制取的，對(duì)環(huán)境不友好。而通過電解水的方式，難度很大，所需的能量很高，效率也比較低，需要催化劑來幫忙。非晶態(tài)合金由于有更多的活性位點(diǎn)，容易吸附水，解離成氫氣和氧氣，因此是很有應(yīng)用前景的催化劑。
另外由于氫原子很輕，密度小，氫氣的儲(chǔ)存也很困難，100斤的儲(chǔ)氫罐都儲(chǔ)存不了一斤的氫氣。如果固態(tài)材料能像海綿一樣吸取氫氣，儲(chǔ)氫的密度就會(huì)大大提高。林懷俊在研究中發(fā)現(xiàn)，一些晶態(tài)材料經(jīng)過非晶化處理之后，儲(chǔ)氫量可以提高10%左右。
從開始碩博連讀算起的11年的科研路上，林懷俊一直重復(fù)著兩件枯燥的事——把非晶態(tài)金屬材料做出來，然后分析它的結(jié)構(gòu)和性能。
“每天都在經(jīng)歷失敗，有的是小失敗，有的是大失敗?！彼锌f。
樣品被污染是最常見的問題，做實(shí)驗(yàn)所需的樣品往往只有10毫克或20毫克，用量非常少，很容易被污染了，就會(huì)導(dǎo)致失敗。另外，非晶態(tài)合金不穩(wěn)定，導(dǎo)致經(jīng)常測(cè)不出性能，或是做出的材料不理想。
曾經(jīng)，他想要開發(fā)一種新型非晶態(tài)合金，可以有更高容量的儲(chǔ)氫密度，這種合金還沒有人報(bào)道過。他懷著在荒野上開辟新路的使命感，花了2個(gè)多月，一直在嘗試改變合金的成分和工藝，沒有一次成功。后來他跟導(dǎo)師討論，覺得難度太大，這個(gè)材料可能做不出來。那對(duì)他來說，是一次刻骨銘心的失敗。
導(dǎo)師們告訴他，科研是一條很崎嶇的路，有時(shí)候是有心栽花花不開，無心插柳柳成蔭。
柳暗花明
終于，林懷俊等來了旅程上的柳暗花明。
盡管有很多挫折，但在碩博連讀的五年間，他一直堅(jiān)持研究高容量、高儲(chǔ)氫密度的非晶態(tài)合金。遇到瓶頸了，就先停下去做別的研究，過段時(shí)間再回到主路上來。
到了博士快畢業(yè)的時(shí)候，他發(fā)現(xiàn)通過一些處理，非晶金屬材料的性能可以得到比較大的提升。通常晶體金屬都要經(jīng)過活化，也就是去除金屬表面的氧化物，氫氣才能進(jìn)入其中。但他發(fā)現(xiàn)這些非晶態(tài)合金不需要活化就可以吸氫，儲(chǔ)氫量比晶態(tài)合金提高了10%，達(dá)到5%，另外通過調(diào)控其中某一個(gè)元素，能提高材料脫氫的性能。
遇到一塊硬骨頭，繞過它，過段時(shí)間再來交手，這是拉鋸戰(zhàn)的智慧。而有時(shí)候，科研上的突破也需要一絲幸運(yùn)，但足夠有耐心的人，才能等到幸運(yùn)的降臨。
一次做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，有一個(gè)材料被氧化了，一般認(rèn)為這已經(jīng)被污染了，肯定是要扔掉了。一天中午，林懷俊正在做實(shí)驗(yàn)，習(xí)慣性地把被氧化的樣品拿起來，測(cè)了樣品的穩(wěn)定性。出乎意料的是，他興奮地發(fā)現(xiàn)，用這個(gè)材料脫氫的溫度降低了，這也就意味著材料更容易脫氫，性能更好了。
看著溫度曲線慢慢往下，他不太相信，以為是出錯(cuò)了。在跟導(dǎo)師討論之后，他又用了更多的實(shí)驗(yàn)手段去測(cè)，看到材料更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)，這是他從未見過的共生納米粒子結(jié)構(gòu)。他才意識(shí)到，自己發(fā)現(xiàn)了一種新的可以提高儲(chǔ)氫性能的材料。他像打了雞血一樣，興奮地睡不著覺，很快就把將研究結(jié)果發(fā)表了出來。
然而一項(xiàng)成果從實(shí)驗(yàn)室到應(yīng)用端，有很長(zhǎng)的路要走。林懷俊說，現(xiàn)在需要解決的問題是降低鎂基儲(chǔ)氫材料的工作溫度，提高電解水制氫的效率，用鐵基合金等比較廉價(jià)的金屬催化劑，代替鉑金等貴金屬。
“對(duì)做材料研究的人來說，最大的希望是看到這個(gè)材料得到運(yùn)用的那一天，比如可以用到純氫能汽車中。隨著人們對(duì)環(huán)境的要求越來越高，我們的材料也會(huì)發(fā)揮更大的價(jià)值?！?/p>
采寫：吳曉嫻
攝影：林里
原標(biāo)題：《青年人才托舉工程｜林懷?。簭臒o序世界探索儲(chǔ)氫制氫奧秘》
