01 讀懂花粉和樹輪的密語(yǔ)

劉鴻雁

北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)橹脖簧鷳B(tài)學(xué)與植物地理學(xué)。

逸夫貳樓外墻的瓷磚上，有歲月留下的斑駁痕跡。幾十臺(tái)大小不一的冰箱和冷柜，安放在通向電梯間的走廊拐角，讓路過的人很容易忽略劉鴻雁教授實(shí)驗(yàn)室那扇小小的木門。

推門而入，里面其實(shí)別有洞天。這個(gè)面積不大，層高卻引人注目的房間，既是實(shí)驗(yàn)室又是辦公室和書房。一座高大的轉(zhuǎn)角書柜直通到天花板，覆蓋了房間大約三分之一的墻壁。它由教授親自設(shè)計(jì)，以便最大限度地利用房間的高度，容納他珍貴的藏書。在書柜正中偏下的“黃金分割點(diǎn)”，安放著他多年前結(jié)束“洪堡學(xué)者”研究后由德國(guó)洪堡基金會(huì)頒發(fā)的證書，上面殷紅的封泥依舊嶄新。在謝世100多年之后，亞歷山大·馮·洪堡這位生物地理學(xué)鼻祖的精神，仿佛仍然盤桓在萬(wàn)里之外北京大學(xué)的這間斗室里——只有實(shí)地考察，親手實(shí)驗(yàn)，掌握第一手的數(shù)據(jù)，才有可能完成開創(chuàng)性的研究。

在書柜對(duì)面，整合了小書架的書桌上，劉鴻雁正對(duì)著一冊(cè)開本足有半人高的蒙古國(guó)自然地圖集仔細(xì)研究。這片高原上的植被演替，是展示地球氣候變化的一扇窗口；不過，它曾經(jīng)的風(fēng)貌，要由無(wú)數(shù)細(xì)小的花粉共同講述。而在房間的另一邊，僅有的一扇窗戶兩側(cè)，兩張實(shí)驗(yàn)桌上安放著計(jì)算機(jī)，還有幾臺(tái)不同年代的顯微鏡——既有改革開放初期從日本購(gòu)買的“祖?zhèn)鳌痹O(shè)備，又有近幾年從德國(guó)購(gòu)置的有一定“智能”的器材。通過這些設(shè)備，劉鴻雁和他的學(xué)生們便可以讀出花粉和樹木年輪承載的信息，地球氣候變化留在植物界中的印記。

一位即將開始研究生學(xué)習(xí)的同學(xué)，正在一臺(tái)顯微鏡前，分析著一些來(lái)自西伯利亞的樹輪樣品。這并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作，因?yàn)闃淠旧L(zhǎng)的年輪可能出現(xiàn)“雜音”，會(huì)因?yàn)樽匀粭l件的影響而“不按牌理出牌”，需要在觀察的時(shí)候仔細(xì)分辨。劉鴻雁深知，這些大自然的“密語(yǔ)”中有著很多“陷阱”，稍有疏忽便可能謬之千里。

因此，每當(dāng)有學(xué)生流露出想要“走捷徑”繞開復(fù)雜工作、不愿親力親為的苗頭，劉鴻雁便會(huì)想起“Istalles in Ordnung”這句德語(yǔ)的深意，并且將它引為實(shí)驗(yàn)室的精神底色——當(dāng)?shù)聡?guó)人想要詢問事情是否一切都好的時(shí)候，他們用“有序”來(lái)加以強(qiáng)調(diào)。而科學(xué)研究的成果，正是建立在“有序”的基礎(chǔ)之上。只有掌控研究的每個(gè)步驟，方能為成功提供保障，或是在失敗之后找到原因，為下一次研究提供保障。

02 在硅晶圓上雕琢未來(lái)藍(lán)圖

黃芊芊

北京大學(xué)微納電子學(xué)系研究員，主要研究后摩爾時(shí)代超低功耗新原理器件及其應(yīng)用。

硅晶圓上蝕刻出來(lái)的觸點(diǎn)和線路，在顯微鏡下如同城市的鳥瞰圖。身穿皮衣和牛仔褲的黃芊芊研究員，和兩位學(xué)生一起站在測(cè)試臺(tái)前。如果不事先介紹，你不一定能一眼認(rèn)出誰(shuí)是導(dǎo)師。他們將晶圓上需要測(cè)試的區(qū)域停在顯微鏡的下方，操縱探針輕輕抵住觸點(diǎn)，開始對(duì)晶體管進(jìn)行加電測(cè)試。半導(dǎo)體參數(shù)分析儀的顯示屏上很快出現(xiàn)了一條漂亮的電流曲線，說明測(cè)試對(duì)象的性能良好。

從空中俯瞰呈“日”字型的北京大學(xué)微納電子大廈，是一棟極具辨識(shí)度的玻璃建筑；它的內(nèi)部更是容納了一座國(guó)內(nèi)高校最大的超凈實(shí)驗(yàn)室，可以提供完整的器件工藝集成實(shí)驗(yàn)條件。他們遵循嚴(yán)格的管理規(guī)則，穿著專用的超凈服進(jìn)入無(wú)塵實(shí)驗(yàn)區(qū)，在晶圓上完成一系列工藝實(shí)驗(yàn)。他們同時(shí)擁有各類測(cè)試儀器，可以對(duì)器件進(jìn)行電流、溫度、脈沖等多方面的測(cè)試分析。

黃芊芊的研究領(lǐng)域，是通過創(chuàng)新晶體管工作機(jī)理，來(lái)獲得能耗更小的芯片。我們知道，現(xiàn)代的集成電路芯片上集成了大量的晶體管，它們通過不斷地開啟和關(guān)斷來(lái)完成指定的任務(wù)。在晶體管開態(tài)與關(guān)態(tài)間的轉(zhuǎn)換區(qū)，電流和電壓的關(guān)系可以用“亞閾值擺幅”這樣一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)來(lái)表征。對(duì)于傳統(tǒng)的晶體管，亞閾值擺幅存在理論上的最小下限值，這使得晶體管以及芯片無(wú)法通過持續(xù)降低電源電壓來(lái)降低功耗。另一方面，隨著信息科技的不斷發(fā)展，芯片速度不再是唯一的追求目標(biāo)。很多現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，速度能夠滿足需求且功耗更低的芯片反而更有優(yōu)勢(shì)，比如物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、可穿戴式設(shè)備、生物醫(yī)療芯片等等。

為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，黃芊芊通過機(jī)理創(chuàng)新，研制出一種全新的梳狀柵雜質(zhì)分凝隧穿晶體管，突破了傳統(tǒng)晶體管在亞閾值擺幅上的限制，且器件綜合性能為國(guó)際報(bào)道中同類器件的最高。達(dá)成這樣的突破并不容易，在遠(yuǎn)非肉眼可見的微觀尺度上進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，需要具備非常扎實(shí)的理論和工藝基礎(chǔ)，并對(duì)關(guān)鍵的科學(xué)和技術(shù)問題進(jìn)行全面深入的研究。實(shí)驗(yàn)的過程繁復(fù)而漫長(zhǎng)，想要取得成功，就必須始終謹(jǐn)慎從事，因?yàn)檫^程中微小的誤差都可能導(dǎo)致功虧一簣。黃芊芊常常對(duì)學(xué)生說起自己第一次流片的經(jīng)歷。當(dāng)時(shí)，她遇到了極為罕見的意外情況，硅晶圓材料自身存在缺陷，導(dǎo)致流片不得不從頭返工，在此后的實(shí)驗(yàn)過程中也遇到了很多問題，但她最終靠著堅(jiān)持不懈的努力成功完成了實(shí)驗(yàn)。

年僅28歲就成為博士生導(dǎo)師，黃芊芊最深的感受便是自身角色的轉(zhuǎn)變。在學(xué)生時(shí)代，她可以沿著導(dǎo)師劃定的大方向探索前行，努力尋求理論與技術(shù)上的突破；但成為博士生導(dǎo)師就意味著擔(dān)任舵手，既要把握研究方向，又要及時(shí)將學(xué)生引領(lǐng)到正確的科研道路上來(lái)。在生活節(jié)奏越來(lái)越快的現(xiàn)代社會(huì)，用幾個(gè)月甚至一年的時(shí)間專注于一次實(shí)驗(yàn)，是對(duì)年輕人的巨大挑戰(zhàn)。因此，黃芊芊不僅是學(xué)生們學(xué)術(shù)上的導(dǎo)師，也同樣是心態(tài)管理上的導(dǎo)師。在她看來(lái)，只有懂得在紛紛紜紜之中耐得住寂寞，能夠堅(jiān)持朝抵抗力最大的路徑踏實(shí)前行，方能在硅晶圓上雕琢出期望中的未來(lái)藍(lán)圖。

03 航天器“內(nèi)臟”的煉成之處

宗秋剛

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授，現(xiàn)從事空間物理的教學(xué)與研究工作，主要研究方向?yàn)榇艑游锢怼⒖臻g天氣學(xué)和空間探測(cè)。

地空學(xué)院宗秋剛教授的辦公室里，隨處擺放著運(yùn)載火箭、星際探測(cè)器、空間站等各類模型，看上去像是一座小型的航天博物館。而在辦公室斜對(duì)門的兩間實(shí)驗(yàn)室里，他的團(tuán)隊(duì)正在為形形色色的人造衛(wèi)星和星際探測(cè)器打造“內(nèi)臟”，也就是研制這些航天器上搭載的科學(xué)儀器。

實(shí)驗(yàn)室的氣氛忙碌而不凌亂，用于制作科學(xué)儀器原型機(jī)的印刷線路板和芯片，還有在整塊金屬上加工出來(lái)的外殼，都在有限的空間里各居其位。一位工作人員拿來(lái)了剛剛制作完成的線路板，它如同已經(jīng)被描畫好的龍，只要再加上芯片這個(gè)“點(diǎn)睛之筆”便可以蘇醒過來(lái)，成為研究地球磁暴起源的全新科研儀器的核心。在他的工作臺(tái)旁邊，一扇厚重的鐵門被牢牢鎖住，掛著“禁止入內(nèi)”的標(biāo)志，里面是一個(gè)超凈間，處理芯片的關(guān)鍵步驟要在這里進(jìn)行。

走出實(shí)驗(yàn)室，來(lái)到團(tuán)隊(duì)的會(huì)議室，兩個(gè)普通得有些簡(jiǎn)陋的鐵柜里陳列著一件件航天器的原理樣機(jī)。它們并不會(huì)直接搭載在航天器上，而是提交給擁有制造資質(zhì)的單位，以此為“模板”制作實(shí)際搭載的載荷。就在這場(chǎng)采訪進(jìn)行的時(shí)候，它們的復(fù)制品已經(jīng)搭載在“風(fēng)云”系列氣象衛(wèi)星和“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)著復(fù)雜多變的空間輻射環(huán)境。

宗秋剛的主要研究領(lǐng)域是地球磁層中能量粒子的產(chǎn)生機(jī)制。而他與這個(gè)領(lǐng)域結(jié)緣要追溯到20世紀(jì)80年代末他前往南極洲參與中山站建設(shè)的時(shí)候。夜晚的極光如同天空中垂下的簾幕，大自然勾勒出的這一幅幅美景吸引著他走進(jìn)了空間物理的研究領(lǐng)域。

地球周圍的充滿了高能帶電粒子的區(qū)域，被稱作輻射帶，關(guān)于能量粒子的產(chǎn)生機(jī)制，宗秋剛解釋說，這個(gè)過程就像屈原在《九歌·河伯》的開篇所寫的那樣：“與女游兮九河，沖風(fēng)起兮橫波。”（我和你暢游在九河上，大風(fēng)吹過河上起波浪。）太陽(yáng)風(fēng)的“吹拂”，最終成為能量粒子被加速的動(dòng)力。目前，大約98%的航天器都運(yùn)行在地球輻射帶覆蓋的范圍內(nèi)，而“殺手”電子（能量大于100千電子伏特的電子）可以穿透航天器的蒙皮，永久損壞它搭載的電子元件，嚴(yán)重威脅著這些航天器的安全。隨著空間科學(xué)和空間技術(shù)的不斷發(fā)展，預(yù)警和規(guī)避這種空間天氣災(zāi)害逐漸成為可能，這也是宗秋剛的實(shí)驗(yàn)室里正在努力做的事情。

回到宗秋剛的辦公室時(shí)，開門的風(fēng)激起了一陣嘩啦啦的響聲。原來(lái)在門邊的幾排掛衣鉤上掛滿了上百個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議的胸牌，上面用不同的語(yǔ)言寫著會(huì)議召開的時(shí)間和主題。宗秋剛說，這些胸牌如同他的日記本，無(wú)暇寫日記的他只要翻看它們就會(huì)回想起學(xué)術(shù)會(huì)議上的一幕幕場(chǎng)景。歲月如梭，宗秋剛已在空間物理領(lǐng)域深耕30多年，他和他的實(shí)驗(yàn)室更是未來(lái)可期，正如他們定制的襯衫上，用不同語(yǔ)言寫著的“我們的征途是星辰大海”。

04 三間陋室里的“電池王國(guó)”

郭少軍

北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博雅特聘教授，英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士，重點(diǎn)研究燃料電池、氫能與儲(chǔ)能電池。

郭少軍教授的實(shí)驗(yàn)室，設(shè)在北京大學(xué)圓明園校區(qū)的一棟二層小樓里。3個(gè)大體排成“品”字形的房間，占據(jù)了這棟樓二層的一角。在其中一間實(shí)驗(yàn)室里，離心機(jī)、電爐和其他一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備的電機(jī)，不斷發(fā)出粗重的顫音，如同電池耗盡的錄音機(jī)在播放磁帶上的蜂鳴。空氣中彌漫著高溫?zé)Y(jié)材料引發(fā)的難以名狀的氣味。但沒有人可以否認(rèn)，這似乎不太適合接待訪客的處所，卻蘊(yùn)含著電池的未來(lái)。

現(xiàn)代生活很大程度是建構(gòu)在電池之上，比如鋰電池，其為移動(dòng)電話、筆記本電腦和其他一些電子設(shè)備提供電能，也為現(xiàn)在越來(lái)越流行的純電動(dòng)汽車所用。然而，鋰電池儲(chǔ)存電能的效率急需提升，充電時(shí)間也需要加快。相比之下，氫燃料電池便成為一種異軍突起的選擇，它通過氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能。不過，即使氫燃料電池大展宏圖，鋰電池也仍然有用武之地。

由3間陋室組成的“電池王國(guó)”，就代表著郭少軍對(duì)這種發(fā)展趨勢(shì)的看法。他和學(xué)生們致力于氫燃料電池領(lǐng)域的攻關(guān)，也在嘗試研制新的鋰電池材料，以及介于傳統(tǒng)鋰電池和燃料電池之間的“鋰-空氣”電池，因?yàn)樗鼈冊(cè)谖磥?lái)世界都將各盡所能。

在其中一間實(shí)驗(yàn)室里，一具碩大的手套箱占據(jù)了一角的空間。它的內(nèi)部充滿了氬氣，想要將試劑送到里面，需要經(jīng)過兩道氣密閘門，就像離開宇宙飛船進(jìn)行太空行走的宇航員，在穿好航天服之后還要穿過特制的氣閘艙一樣。氬氣可以讓鋰和鈉這些極為活潑的金屬不至于自燃或是爆炸，而是成為可以直接上手操作的實(shí)驗(yàn)素材。

在手套箱的對(duì)面，一個(gè)個(gè)像是服務(wù)器的測(cè)試箱里，安放著一枚枚CR2032架構(gòu)的電池樣品。這種在電子詞典上很常用的紐扣電池，此時(shí)其實(shí)只剩下外皮，里面早已“脫胎換骨”。經(jīng)過不斷的充放電實(shí)驗(yàn)，更有應(yīng)用前景的電池新材料便會(huì)脫穎而出。

燃料電池與氫能是郭少軍老師的核心研究方向。郭少軍幾乎不愿意談?wù)撍诿绹?guó)的科研經(jīng)歷，因?yàn)闅淙剂想姵氐膸讉€(gè)主要模塊，時(shí)至今日仍然是中國(guó)面臨的“卡脖子”技術(shù)。而作為它的“心臟”，完成電化學(xué)反應(yīng)的膜電極就更是如此。在這個(gè)領(lǐng)域取得突破，無(wú)疑要比追溯往昔的成就更有吸引力。

膜電極包括了催化劑、氣體擴(kuò)散層和質(zhì)子交換膜，而催化劑又是核心中的核心，直接決定了電化學(xué)反應(yīng)的效率。目前，最好的燃料電池催化劑體系是使用自然界中儲(chǔ)量很少的鉑（白金）。郭少軍的團(tuán)隊(duì)想要達(dá)成的目標(biāo)，便是將每個(gè)車用燃料電池的鉑用量，從目前的30～40克減少到5克。這是因?yàn)椋瑐鹘y(tǒng)燃油車的尾氣處理裝置里，會(huì)使用5克鉑催化劑。氫燃料電池汽車顯然不需要處理尾氣，所以，如果它的鉑用量能減少到與燃油車持平的程度，便意味著它將會(huì)大展宏圖，使人類收獲清潔出行的未來(lái)。而郭少軍的團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行的工作，會(huì)使中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

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