【科技日报】陆春华:穿梭于“光影”世界 助力光谱材料跨界

作者:科技日报     审核:     发布时间:2021-03-30     点击数:

这几天,南京工业大学材料学院院长陆春华与他的手机进入“蜜月期”。前不久,他购置了4块太阳能电池板,将团队研发的辐射降温膜贴在上面,查看这种新材料能否给电池板降温,发电量又是否会增加,为下一步的中试做准备。让他兴奋地是,“贴膜后,太阳能电池板每天的发电量比以前提高了3%-5%。”

近日,陆春华荣获第二届“江苏建材行业十大科技人物”称号。自1998年到2021年,他穿梭于光影世界,研制防激光玻璃材料、利用光转换促进植物生长、用光催化降解污染物或制氢,将光谱材料的性能被发挥到极致。

历时一年,烧出第一块吸收激光的玻璃

在获悉荣获第二届“江苏建材行业十大科技人物”称号后,陆春华欣喜之余,却对记者提起他心心念念了3年的一块特殊玻璃。这块玻璃对于陆春华意义非凡,那是他读研时成功烧制的第一块玻璃。它和其它玻璃一样晶莹剔透,不同的是,它被掺杂了特殊的离子材料,经过1450高温烧制,最终冷却后,可以成功地吸收激光。也是从这块玻璃开始,陆春华和光谱材料结下了不解之缘。

陆春华与玻璃的缘分,要追溯到1998年上半年的一天。那时,在读研究生二年级的他,突然接到导师许仲梓教授一个任务:做一种国内前所未有的防激光玻璃材料。这是国内急需的一种材料,陆春华毫不犹豫地接下这块“硬骨头”。可是该从何处入手呢?“当时关于这种玻璃材料一点概念都没有,它的原理是什么,该如何设计,没有任何经验。”

“一无所有”的陆春华选择了从做文献调研做起。陆春华翻遍了当时学校乃至整个南京的图书馆,一无所获。于是,他又动身前往北京国家图书馆,“日出而作、日落而息”地翻阅文献。

当时,陆春华住在大学同学单位的会议室,每天坐着水泥搅拌车,雷打不动地第一个进图书馆,最后关门时候才出来。15天过去了,陆春华翻遍了图书馆激光防护材料方面的文献,可资借鉴的却几乎为零。

回到学校后的陆春华,决定从最基础的颜色玻璃开始学习。“需要吸收的激光波长是确定的,我就开始以此着手,不断地尝试哪种离子可以吸收该波段的激光。”大概经过了一年半时间,吃喝住都在实验室的陆春华,大约试过了几乎所有能够吸收光的金属离子材料,包括20多种具有多种价态的过渡金属与稀土离子。

直到1999年底的一天,实验室的显示屏上,保持了一年多的直线终于“急转直下”,材料显示出良好的激光特征吸收属性。陆春华终于烧出一块可吸收激光的玻璃。突破性的进展让陆春华喜出望外,他一鼓作气,通过调整材料的配方和制备工艺,满足了项目要求万分之一透过率的严苛要求。

辐射”制冷,让光材料变换百变多姿

“你想做什么课题?”还在读研究生时,导师曾抛给陆春华这个问题。他曾毫不犹疑地回答“想做有挑战性的课题”。实际上,在陆春华的科研生涯中,“挑战性”从未缺席。

陆春华所在的课题组最初的研究对象是玻璃质材料。2012年,他突然有个特别的想法:是否可以将玻璃体系设计思路拓展到陶瓷基体上去?

“玻璃烧到1400已经是液体,但是陶瓷在1700还是固体,显示出更强的耐高温、抗激光性能。”基于这一现象,他发明了一种新型防激光透明陶瓷,这项发明随即也申请了国家发明专利,学院传统的研究领域也得以进一步拓展。

在课题组研究人员倪亚茹眼中,陆春华永远有冒不完的想法和使不完的劲。激光吸收材料研究成功后,好奇心又驱动着陆春华去做更多地拓展:材料强烈吸收光后产生大量的热,影响性能怎么办?材料吸收的光是否可以直接转换成光而不是热?在反复的思量中,“连锁反应”开始出现。

2009年,在做光的选择性吸收研究时,陆春华开始尝试做光谱的选择性反射与吸收辐射一体化功能材料。“夏季很多建筑物环境温度高,需要空调制冷,消耗了大量能源,我们就想研发一种降温材料,让它既能高度反射太阳光,又能通过大气窗口强烈辐射红外线,但最大的难点在于一种材料表面同时具备这两种好的光谱特性。”带着一届一届的硕士和博士研究生,通过近十年的艰苦研究,他成功将材料的内部热能通过红外选择性热辐射方式向外传输,发明了太阳光下可以“辐射制冷”的纳米功能膜,由于利用了材料特殊分子组成和结构实现热能的辐射转移,因而其能耗为零。该成果申请了国家发明专利5项、国际PCT 2件,在新型建筑用内置百叶门窗系统应用技术开发方面取得了阶段性重要突破。

近些年,陆春华研究团队研发的辐射降温功能膜正从实验室快速走向应用,走进人们的日常生活。百叶窗、食品包装袋、化学储物罐被施了“膜法”,一批公司慕名而来。“光的‘辐射’给了我很多新挑战,也给予我很多新思路。”

从自然界寻找灵感,用光材料保护环境

陆春华课题组的研究生陈明学,最近正在写关于辐射降温材料的毕业论文。研究生一年级时,陈明学就开始跟着陆春华做辐射降温材料,降温材料效果虽然已经很明显,但是却“卡”在了最后一个环节上:如何将几个微米厚的降温涂层牢牢地结合到作为基底的PET镀铝膜上。

由于这张膜非常柔软,极难贴合,陈明学多次想放弃,但关键时刻,陆春华总是鼓励他“不要放弃,一定可以成功”。最终,陈明学在“绝望五十天,成功五天”的日子里挺过来了。

在美国公派留学的博士生代宝莹也有过类似的经历。2015年,陆春华带着她研究如何通过太阳光光催化材料的氧化还原反应,降解有机物污染物,从而保护环境。

这研究课题一度令代宝莹毫无头绪、极其痛苦。“走投无路”时,她会找陆春华聊一聊。

陆春华曾启发她,“太阳光中含有紫外光、可见光和近红外等不同波长的光子,它们能量大小不同,但人们现在利用较多的是紫外光、近紫外光,很多可见和近红外光无法利用。我们能不能吸收利用所有的太阳光,并利用风能、水流动形成的机械能,提升材料的光催化性能来更好的降解有机污染物?”

“陆老师总是有很多奇思妙想,开导我、激励我,很有治愈力。”代宝莹说。

陆春华的灵感,除了广泛阅读的文献,还有大自然:“自然界中的生物具有自愈系统,可以帮助其抵御外界的损伤或攻击,它们的强大能力是我们宝贵的思路来源。”

在导师的启发下,代宝莹在藤蔓植物中找到了灵感,她将压电复合材料设计为螺旋结构,使其在风、水流等自然流体介质作用下发生变形产生压电势,从而提供能量驱动自修复内建电场,实现了光催化效率的持续提升,相关研究成果发表在《先进材料》《先进功能材料》等期刊上。

采访结束时,陆春华从包里掏出一块红色透明玻璃,这块玻璃与三年前遗失的那块玻璃一样,有着同样的使命:不断鞭策激励自己。在陆春华眼中,“永远有更好的材料等着科研人员去开发”。

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