交叉科学求创新 独辟蹊径攀高峰

　　----记北京理工大学前沿交叉科学研究院黄元教授

　　科学的起源最早可以追溯到公元前500年的古希腊时期。当时人类对世界的认识还停留在感官和神话猜想的层面。在这些纷繁复杂的现象背后，人们渴望认识世界存在和运行的规律。科学萌芽初期，一些朴素的哲学问题成为推动科学发展的原动力。“世界是怎样构成的”，“世界是怎样运行的”，这一系列问题驱动着人类更深刻地认识客观世界。泰勒斯是古希腊及西方第一个自然科学家和哲学家，他最早提出“世界的本原是什么”这一哲学问题。对这些哲学问题的思考和回答逐渐衍生出不同的学派和学科分支，可以看出，“合久必分”是早期科学发展的主旋律。

　　随着科学的快速发展，不同学科之间壁垒越来越高，而在解决一些重要的科学技术问题或重大应用需求方面，又迫切地需要不同学科之间的交叉融合。因此，当今科学正在朝“分久必合”的方向发展，交叉科学既有挑战又充满生机。近几十年来，我国在科学技术领域取得了飞速的发展，一系列前沿科学成果不断涌现。放眼未来国内外科学发展的大趋势，可以预见交叉科学将成为推动科学技术发展的新引擎，在催生新技术和新学科方向中扮演不可替代的角色。

　　北京理工大学前沿交叉科学研究院黄元教授，长期从事物理、材料、信息和地球科学等相关领域的交叉科学研究，在低维材料量子物性、先进二维材料制备技术、新型电子器件设计与调控方面取得了诸多创新性成果。

　　以二维材料为契机 步入多学科交叉融合道路

　　2004年，曼切斯特大学Andre Geim研究组成功分离出原子级厚度的石墨材料——石墨烯。石墨烯是目前为止发现的最薄的材料，拥有最大的比表面积，并且具有非常优异的热传导性和电传导性。在过去19年中，石墨烯无论是在理论研究还是应用领域，都引起了极大的关注。2011年，研究生学习期间的黄元以国际交流学生身份赴新加坡国立大学石墨烯中心学习，在这里第一次接触了单原子层的石墨烯，也由此开始了他在二维材料领域的探索。

　　黄元说：“石墨烯的发现打开了二维材料研究的大门。二维材料家族种类繁多，涵盖了绝缘体到半导体、导体和超导体，有着丰富的物理性质，是目前凝聚态物理、材料科学和信息科学等领域的前沿研究方向。”

　　据了解，在二维材料的制备方法中，比较常见的主要有化学气相沉积、分子束外延、化学插层和机械解理技术等。其中，利用机械解理技术制备的二维材料具有极高的质量，已被广泛应用于本征物性和先进功能器件的研究中。

　　在早期的研究中，解理技术并没有作为一个重要的研究方向，研究人员大多是凭经验“撕”出各种二维材料。但是这种经验性的解理技术制备效率低、样品尺寸小，限制了很多研究手段对新型二维材料的研究。

　　为了解决二维材料解理技术中的瓶颈问题，黄元在壁虎的爪子上获得灵感，对固体表面间的范德华相互作用进行了深入分析，成功找到了制约范德华力的关键因素：原子间的距离和偶极相互作用。在澄清了界面作用机制以后，黄元与合作者发展了氧气等离子体辅助和金属膜辅助的解理技术，成功制备出了40多种大面积二维材料，有效解决了样品制备效率和尺寸的难题，为该领域的研究人员带来了极大的便利。

　　黄元说：“这项研究中，我们从壁虎爪子这一生物结构中找到灵感，深入分析其背后的物理机制之后，解决了材料科学中的一个重要问题，可以算是我在交叉科学领域的第一次尝试。”

　　材料的制备只是走向应用前的第一步，二维材料在电子器件应用中最大的优势在于可调控性非常强。电场是调控二维电子器件的常用手段，然而常规的栅压方式难以对厚层的二维半导体产生有效的调控。通过对调控机理的分析，黄元提出了一个大胆的设想：用去离子水作为栅压介质。2014年，还在美国布鲁克海文国家实验室从事博士后研究工作的黄元首次将这种去离子水栅压技术应用到二硫化锡场效应晶体管调控中。他发现去离子水不仅可以很好地调控薄层二硫化锡晶体管的开关特性，还可以在厚层晶体管中调控出很高的开关比。有趣的是，这种调控手段在黑磷、二硫化钼等其他二维半导体晶体管中也有很好的普适性。

　　见微知著 揭开褶皱的“通道效应”

　　著名物理学家黄昆先生曾提出“物穷其理，宏微交替”的学术思想。受到黄昆先生的学术思想的影响，黄元在思考很多科学问题的时候也常常将宏观和微观的一些规律联系起来。黄元认为，有很多微观和宏观的现象有相通的机制，特别是当这些现象背后有普适性的物理和数学规律时，这种相通性就更加明显。

　　在研究二维材料解理过程时，常常会伴随有褶皱的出现，这是由于层状材料层间相互作用弱，容易产生滑移。黄元发现层状材料形成褶皱后层间距会增加，且褶皱交汇点化学活性显著增加。更重要的是，层间距的增加可以通过勾股定理严格的进行证明，且与具体的材料体系无关，只与是否具有层状结构有关系。他敏锐地意识到地壳具有层状结构，在受到挤压应力后也会形成褶皱，即大型山脉。山脉层间距的增加可以为流体物质富集和运移提供通道，并诱导各种地质活动。

　　氦气是战略性资源，然而我国氦资源基本完全依赖国外进口(美国、俄罗斯和卡塔尔等)，严重制约了我国高科技的发展。经过大量的调研和分析，黄元明确指出氦气在地球环境中只能通过核裂变产生，与天然气无必然伴生关系。基于山脉中的“通道效应”，黄元指出由于氦气密度低，探寻氦气应该重点关注高原地区，如青藏高原[《物理》 49, 8, 551 (2020) ]。

　　2021年6月黄元亲自带领学生前往西藏开展实地考察，在多个热泉中收集气体，并在实验室进行气体质谱分析。结果表明西藏热泉中具有较高浓度的氦气(>0.25%)，初步证实了“通道效应”模型的正确性，也为我国开采稀有资源提供了新的思路[Chinese Science Bulletin, 66, 33, 4212 (2021)]，相关成果也被《人民日报》所介绍。

　　能够从二维材料研究中提取出普适性的规律，并且拓展到宏观的地球科学领域，这种研究思路充分体现了黄元教授的多学科交叉特色。黄元本科阶段就读于中国石油大学(华东)材料物理专业，除了物理相关的课程以外，他还积极学习了各种地质、石油相关的课程。谈到二维材料与地球科学的交叉科学研究，黄元说：“我从很小的时候就对地球科学特别感兴趣，大学也选择了具有地球科学特色的中国石油大学。但本科阶段学到的地球科学知识基本上是碎片化的，对很多地质现象背后的机理没有深入的思考。直到最近几年，在研究二维材料过程中获得了一些灵感，对一些地质活动的机理有了更加深刻的认识。当找到一些普适性的物理和数学规律时，一切纷繁复杂的表象都变得非常简单。”

　　纵向深耕到横向拓展 培育交叉学科的土壤

　　在科学研究中，不同的领域之间在科研术语和科研模式等方面都存在很大的差别。大部分科研人员都会选择在自己的研究领域去深耕，这里不乏有很多杰出的科学家。如何跳出自己的科研舒适圈，寻找更多的交叉创新点是年轻科学家需要思考的问题。相比于按部就班的从事本专业领域的研究，开展交叉科学研究显然具有更大的风险，失败的概率也更大。

　　近年来，我国科学界逐渐鼓励多学科交叉，成立了相应的交叉科学部，也涌现出了很多优秀的青年科学家。黄元认为，尽管交叉科学研究充满风险，有时也会得到来自其他领域研究人员的质疑和不屑，但这片科研土壤一定是充满生机的。既要有在自己专业领域深耕的能力，又要有跳出本领域推动多学科融合的勇气和视野，只有这样才能够做出好的交叉科学成果。

　　在谈到交叉科学研究领域的科学家所应该具备的一些品格时，黄元说：“科学本身是一个整体，只是很多时候我们局限在自己的研究领域，很难轻易跳出来。在治学方面，我们应该多向前辈们学习。近代中国的学者中，陈寅恪先生在做学问的品格上对我们影响很大。1929年陈寅恪先生在给国学大师王国维《海宁王静安先生纪念碑铭》中写到：先生之著述，或有时而不章;先生之学说，或有时而可商;惟此独立之精神，自由之思想，历千万祀，与天壤而同久，共三光而永光。我们在做科研的时候，如果能够保持这种独立之精神，自由之思想，是非常难能可贵的。不为文章所累，不为名利所扰，就更有可能做出有交叉性、创新性的成果。”

　　在未来的研究中，黄元教授将与团队成员一起，继续探秘多学科交叉中的未知世界，推动物理、材料、信息和地球科学领域的科技融合，为创新型国家的发展贡献一份力量。相信黄元教授所走的这条静谧的交叉科学小路必将充满更多惊喜，也必将越走越宽。