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一项研究“死磕”6年！终登顶《Nature》95后博士学会用“玩”的心态做科研

材料学网 · 公众号 · · 2024-06-12 20:15

正文

四年的时光匆匆而过，龚燕始终坚守在课题研究的战场上，然而，研究进度却似乎陷入了一片迷雾之中，迟迟未能取得突破。"没有人能够确保我的文章能够登上高影响因子的期刊之巅，导师不能，我自己也心存疑虑。" 龚燕坦言道。这四年来，她的学术产出几乎为零，迷茫、焦虑、自我怀疑如同沉重的包袱，日复一日地压在她的心头，让她无数次想要选择放弃。

在希望似乎渐行渐渐远的日子里，龚燕甚至做好了转换研究方向的准备，准备投身另一个课题组，开启全新的科研之旅。然而，在导师与同课题组成员的鼓励与支持声中，她内心深处的那份倔强与执着被重新点燃。"我已经努力了这么久，虽然目前还没有结果，但为什么不再坚持一下呢？或许转机就在前方等待着我。

" 龚燕坚定地告诉自己。于是，她选择了继续坚守，继续探索，用坚韧不拔的精神去迎接未知的挑战。她的故事告诉我们，科研之路虽然充满了艰辛与不确定性，但只要我们心怀信念，勇往直前，就一定能够冲破迷雾，找到属于自己的那片科研天空。

龚燕

经过长达六年的不懈奋斗与坚持，龚燕终于在4月24日迎来了她人生中的第一篇Nature论文发表，这一成果无疑是对她辛勤付出的最好回报。在这项令人瞩目的研究中，龚燕所在的团队成功实现了金刚石的常压生长，打破了长久以来依赖高温高压制备金刚石的传统方式。他们开创性的制备方法是使用一种特殊的液态金属，由镓、铁、镍和硅等元素组成。

在仅有一个大气压和1025°C的温度条件下，这种液态金属便能发挥出惊人的潜力，实现了金刚石的合成。这一研究成果有望大幅降低金刚石薄膜的生产成本，为金刚石在各个领域的应用带来更广阔的前景。作为韩国国立蔚山科学技术院（UNIST）的博士生，龚燕在这项研究中发挥了至关重要的作用，她以第一作者的身份将这一成果呈现在了世界顶级的学术期刊Nature上。同时，她的导师、韩国基础科学研究所（IBS）多维碳材料中心主任Rodney S. Ruoff教授，以及IBS的罗达研究员和Won Kyung Seong高级研究员也共同参与了这项研究，他们作为通讯作者，共同见证了这一成果的诞生。这一重大突破不仅展现了龚燕及其团队在科学研究领域的卓越能力，更为人类对于新材料、新技术的探索与发展开启了新的篇章。让我们共同期待这项研究成果能够为人类社会的进步带来更多的贡献！

Nature 论文截图

接手一个“大难题”

在2018年的一个春日，厦门大学迎来了一位特别的客人——Rodney S. Ruoff教授，他受邀前来为师生们带来一场精彩的学术报告。当时，正在材料学系攻读硕士一年级的龚燕同学，有幸聆听了这场报告，并对Ruoff教授的研究内容产生了浓厚的兴趣。在硕士导师詹达的引荐下，龚燕鼓起勇气向Ruoff教授汇报了自己的研究方向，并因此获得了一个宝贵的机会——前往韩国进行访问学习。这段经历不仅让龚燕的学术视野得到了极大的拓宽，更为她未来的研究之路奠定了坚实的基础。

提及Ruoff教授，他在石墨烯制备领域的成就堪称传奇。早在十几年前，当他还任职于美国得克萨斯大学奥斯汀分校时，就带领研究团队取得了两项震惊世界的突破：他们首创了氧化石墨烯和化学气相沉积（CVD）在金属铜上大面积生长石墨烯的方法。这两项创新成果不仅为石墨烯制备领域开创了新的篇章，还促使Ruoff教授将研究目光投向了另一种SP3碳材料——金刚石。金刚石，这种地球上已知最坚硬的天然材料，它的形成条件极为苛刻，需要在900~1400°C的高温和5~6GPa的高压环境下才能诞生。然而，人工合成金刚石却成为了科学家们的一大挑战。目前，最常用的两种方法是CVD和高压高温（HPHT）。在受控的实验室条件下，科学家们通过模拟金刚石形成的自然条件，成功生长出了1厘米或更大尺寸的人造钻石。当龚燕以访问学者的身份加入Ruoff教授的研究团队时，她面临着一个巨大的挑战。

组内一位负责金刚石研究的博士后，虽然拥有丰富的传统CVD生长金刚石的经验，但在尝试了多种方法后，依然难以取得突破，最终选择放弃了这项研究。这个重担就这样落在了初来乍到的龚燕肩上。然而，龚燕并没有因此退缩。她深知这是一个难得的机会，也是对自己的一次巨大考验。于是，她毅然接过了这个课题，开始了艰苦而富有挑战性的研究工作。在接下来的日子里，她不断地探索、尝试、失败、再尝试……她的努力和坚持最终得到了回报，她在金刚石研究领域取得了令人瞩目的成果。这段经历不仅让龚燕成为了金刚石研究领域的佼佼者，更为她的学术生涯增添了一笔浓墨重彩的的一笔。她的故事告诉我们，只要有坚定的信念和不懈的努力，就一定能够克服一切困难，实现自己的梦想。

“一开始我非常犹豫，因为我有所耳闻，这个课题非常具有挑战性，即使是这样资历深、经验丰富的前辈做了很久都没有取得突破。”龚燕告诉。

凭借着年轻人特有的那股子冲劲，本着“年轻有试错成本”的心态，龚燕说服了自己，在没有任何有关碳材料研究知识和经验的背景下，从“0”开始了这项课题。

发现一个五彩斑斓的区域

在研究探索金刚石或类金刚石常压制备的初期，我们的团队曾试遍了各种新颖方法，然而，突破性的进展却迟迟未能出现。为了打破这一僵局，团队成员们深入钻研了近年来Science、Nature及其子刊等权威期刊上发表的关于碳材料研究的成果。其中，一篇利用液态金属催化裂解甲烷、二氧化碳等含碳前驱体，从而获得SP2碳材料的研究，为我们带来了全新的启示——或许，液态金属同样能够助力我们生长出梦寐以求的SP3碳材料。

团队决定尝试一个大胆的实验：将镓滴落在硅片上，以催化甲烷在硅片上生长金刚石。然而，实验过程中却出现了一个令人惊奇的现象——硅片竟然从边缘处融入了镓中，与镓形成了均匀的液相。这一现象让我们感到既惊喜又困惑，于是开始深入探索其中的奥秘。通过查阅硅-镓相图，我们惊讶地发现硅和镓之间具有极高的溶解度。同时，对硅-碳相图及其原子结构的深入研究也让我们发现，碳化硅与金刚石一样，都是SP3结构，且硅的原子结构与金刚石颇为相似。这一切似乎都在暗示我们，加入硅可能会对金刚石的成核生长产生积极的影响。基于这一猜想，团队进行了多次试验和优化。

终于，在2022年8月22日这一天，龚燕接手这项课题的第五个年头，我们迎来了突破性的进展。龚燕清晰地记得那一刻的心情：“当我使用装置进行实验，冷却并取出已凝固的液态金属后，用光学显微镜观察样品底部时，突然看到了五彩斑斓的区域。我的心跳瞬间加速，脑海中闪过一个念头：这难道是钻石吗？”那一刻的惊喜与激动，让龚燕至今都难以忘怀。对于龚燕来说，这一突破来得如此突然，让她感到有些难以置信。然而，事实摆在眼前，那片五彩斑斓的区域正是我们梦寐以求的金刚石。这一刻，所有的努力和等待都变得值得。

龚燕第一次在实验中发现疑似金刚石成分的影像

全新的金刚石生长机理是这项研究的亮点之一。在这项研究中，团队自制了一个使用焦耳加热为原理的冷壁真空系统。其中，该设备中有两个电极，中间连接着一个用来装载各种金属催化剂混合物的石墨坩埚。

生长金刚石的实验装置

在实验的深处，研究团队惊喜地发现了一个前所未有的奇迹——在液态合金的亚表层，即距离表面不过几十至几百纳米的隐秘空间，碳元素呈现出前所未有的超饱和状态。这一发现，如同揭开金刚石成核的神秘面纱的一角，让我们窥见了自然界中一颗璀璨宝石的诞生秘密。想象一下，石墨坩埚中的温度如同一个精心编排的舞蹈，引领着碳原子或碳簇（如C2、C3）在亚表层内优雅地旋转、迁移。当它们的舞蹈达到高潮，碳原子的浓度攀升至一个惊人的水平，形成了所谓的碳超饱和现象。

这一刻，仿佛是大自然的魔法降临，为金刚石的诞生创造了完美的条件。而在这神奇的转变中，1到2个硅原子的加入如同点睛之笔。在适宜的温度下，它们仿佛激发了某种神秘的力量，让金刚石开始成核，随后迅速生长。龚燕博士用她生动的语言为我们描绘了这一奇妙的过程：“这就像是量变引起质变，我们不停地尝试、探索，直到有一天，突然就成功了。” 然而，金刚石的生长只是研究路上的第一座山峰。接下来的金刚石表征测试，每一步都如同攀登险峻的山脊，充满了挑战。其中，横截面透射电子显微镜（cross-sectional TEM）的测试尤为关键。然而，由于实验样品颗粒微小且不导电，团队在制备TEM样品薄片时遇到了巨大的困难。他们使用聚焦离子束（FIB）进行切割，但FIB的能量稍有不慎就可能破坏整个样品，甚至毁掉整个产区。每一次制备样品，都可能需要耗费数周甚至数月的时间。龚燕博士告诉我们：“仅这一项表征，我们就尝试了15~20次。” 然而，正是这样的坚持和不懈，让团队的研究成果最终得以闪耀。2023年5月12日，他们满怀期待地将论文投稿给了Nature编辑部。

经过漫长的等待和紧张的审稿过程，他们收到了第一轮审稿意见。虽然其中一位审稿人提出了关于钻石生长机理的模拟计算要求，但团队并没有因此气馁。在他们的导师Ruoff教授的坚持下，他们组成了一个7人团队，每周三定期开会讨论模拟计算，经过长达4个月的努力，终于完成了这一挑战。2023年12月22日，团队向Nature编辑部递交了审稿意见回复。再次经过3个月的漫长等待，他们的论文终于被顺利接收。当龚燕博士回首这段旅程时，她感慨地说：“这个项目的成功并非我一人之功，而是整个课题组共同努力的结果。我们站在前人的肩膀上，凭借着团队的智慧和力量，最终攀登到了这座科学的高峰。”

像孩童一样思考

龚燕，这位年轻的女学者，总是以其果敢的决策能力为人们所瞩目。无论是在选择研究课题，还是确定专业方向，她都展现出了与众不同的决断力和勇气。龚燕的本科生涯在福州大学度过，从小她就沐浴在家人对她艺术天赋的悉心培养之中，舞蹈与钢琴成了她生活的一部分。然而，她并未被这些艺术的光环所束缚，反而对家人期望的音乐之路产生了逆反心理。高中时期，她毅然决然地放弃了与艺术紧密相连的文科，选择了一条充满挑战与未知的理科道路。对她来说，既然要做选择，就要选那条与众不同的路，挑战那些看似无法逾越的障碍。2017年，龚燕踏入了厦门大学材料学院生物科学系的硕士学习阶段。在这里，她凭借扎实的学术基础和不懈的努力，获得了前往UNIST访问学习的机会，并勇敢地接手了常压制备金刚石的课题。这一课题不仅具有极高的学术价值，也充满了未知与挑战，但龚燕并未因此而退缩，反而迎难而上，展现出了顽强的拼搏精神。2020年秋季，龚燕顺利地获得了厦门大学的硕士学位。

然而，她并未停下脚步，而是选择再次挑战自己，于2022年春季重返UNIST攻读博士学位，并成为了Ruoff的得意门生。这一次，她更加坚定了自己的学术追求，以更加饱满的热情投入到科研工作中。今年5月，龚燕迎来了她学术生涯的一个重要时刻——她顺利地通过了博士学位毕业答辩。这个喜讯在朋友圈中引起了广泛关注，她激动地写道：“是终点，也是新的起点。”这句话不仅是对她过去努力的肯定，更是对她未来无限可能的期许。龚燕的故事告诉我们，选择并不总是那么简单，但只要有足够的勇气和决心，我们就能够挑战自我、超越极限。她的经历激励着我们去追求自己的梦想，去勇敢地面对生活中的每一个挑战。

一项研究“死磕”6年！终登顶《Nature》95后博士学会用“玩”的心态做科研

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