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人造皮肤的解密者 斯坦福首位华人女性院长——鲍哲南

来源:未知 阅读: 2021-09-02 23:47 我要评论



人体的自然皮肤非常奇妙,外界的一点细微的变化,皮肤都能够感知到。如外界有一点风吹,有一点日晒,有一只苍蝇或者蝴蝶停在皮肤上,皮肤都能明确地感知到,并且迅速通过大脑做出反应。甚至当皮肤碰到火,或者是碰到针刺的时候,身体也会条件反射地收回来。由此可见,皮肤确实是极为敏感的。

那么我们是否能够通过科学技术手段制作出来呢?

如果我告诉你有一个科学家和她的团队,正在致力于发明人造皮肤,希望人造皮肤能够达到和自然皮肤一样的灵敏度,你可能觉得这不现实。可是,正是这样一位华裔女科学家,已经在人造皮肤的研究上走得非常远,而且已经取得了巨大的成就。

根据科学研究进程的预测,这种和人类的自然皮肤具有同样功能的人造皮肤,在20年的时间里,就能够完全问世。而领导研发的人正是美国斯坦福大学化工学院、材料学院终身教授,美国最著名的女化学家之一,入选全球顶尖100材料科学家名人堂榜单的著名科学家鲍哲南。




据Fusion Fund消息,鲍哲南已经升任斯坦福大学化学工程学院院长,是第一个在斯坦福当院长的华人女性。而且鲍哲南于2010年底作为创办人之一的C3Nano公司在美国硅谷成立,2011年获得影响世界华人大奖,2015年《自然》年度人物,2017年获得世界杰出女科学家奖。据统计,在数以十万计的中国留美女学生中,能最终成为美国知名学府的教授、副教授和助理教授的,还只是极少数。可以说,鲍哲南为华人女科学家树立了榜样。2016年初,鲍哲南当选美国工程院院士。

伟大的科研好奇心

1970年11月,鲍哲南出生于南京,成长于一个科研之家,父亲鲍希茂、母亲陈慧兰均是南京大学的教授。她是出生在一个高级知识分子家庭,从小就受到了父母的耳濡目染。

鲍哲南后来在接受记者采访的时候,曾经讲到了父母对她的培育。父母工作非常忙,社会活动也非常多,研究任务也非常重。但是,她父母依然会努力抽时间陪伴她,并且用特殊的方式来对她进行教育。有一次,鲍哲南抱的父亲陪她玩,当时她正在吃一块冰糕。她父亲对她说,这块冰糕如果丢进水里面会怎么样呢?鲍哲南不假思索地说,肯定会沉入水底。鲍哲南的父亲就让她丢进水里试一试。结果并没有沉入水底,而是浮在了水面上。于是,鲍哲南因此就明白了冰的密度比水的密度小这样一个原理。

可以说,鲍哲南后来能够成功,一方面是她的基因很强大,另外一个方面也是因为她的父母,用了这种非常特殊的方式来教育她,给予了她实验精神和探索的勇气。

1987年,鲍哲南从南京第十中学毕业以后,考取了南京大学化学系。由于她学习非常努力,在实验课上表现非常出色,因此,她在读完大二以后,就进入了薛奇教授的科研实验室,跟着薛奇教授进行科学研究。并且在薛奇教授的指导下,发表了第一篇论文。大学三年级的时候,他进入了美国伊利诺伊大学芝加哥分校读书。

有人可能觉得,毕竟鲍哲南的父母都是高级知识分子,都是教授,所以她读书,有那样的条件。但其实鲍哲南固然出身比较好,却与她的勤奋和努力也是分不开的。她去美国读书的时候,是一边学习,一边还要打两份工,来维持生计的。




1991年,美国的芝加哥大学在鲍哲南并没有取得本科学士学位的情况下,就根据她的优异表现,破格录取她为该校化学系的公费研究生。可以说,这一切都与鲍哲南的努力和优异表现是分不开的。

在芝加哥大学读研究生期间,鲍哲南选择了华裔高分子化学家于鲁平作为他的指导老师,并于1995年取得芝加哥大学化学系的博士学位。毕业后,她又进入了著名的贝尔实验室,进行博士后的研究。2004年,她选择了斯坦福大学,在斯坦福大学化学系任教。2017年,她升任为斯坦福大学化学工程学院的院长,这时候她才47岁。

“挫折”打不倒的女科学家

2001年是鲍哲南的丰收年,就在这一年她成为贝尔实验室的杰出研究员,这是贝尔实验室科技雇员的最高级别,同时还斩获了美国化学学会团队创新奖、研发100奖等美国著名大奖。

而就这一年,她也遭受了一场舆论风波。

鲍哲南与贝尔实验室的同事舍恩都主要研究半导体方面的内容,因此工作上长期合作实验,还共同发表了好几篇论文。

当时年仅31岁的物理学家舍恩科研水平早已让许多科学家艳羡,他加盟贝尔实验室4年来就发表了100多篇论文,最夸张的时候每8天就发表一篇,他制造出世界最小的纳米晶体管,在科学界却制造出巨大的骚动。同时其令人咋舌的高产高质科研作品一度让舍恩被捧为诺贝尔奖的热门人选。

科研论文讲究可重复性,也就是其他科研人员能重复论文中的实验方法,得出相同的实验结果。舍恩如此耀眼的作品自然得到许多实验者的追逐,但质疑的声音也油然而生,他们发现舍恩的一些实验结果始终无法重复。有证据表明,舍恩在Nature、Science等国际学术报刊上发表的论文有数据造假的痕迹,贝尔实验室立即成立审查委员会对他展开调查。

最终确认了舍恩的学术造假情况属实。

而世界上最小纳米晶体管的两篇论文,主要作者除了舍恩之外,还有鲍哲南。外界针对鲍哲南的猜测与谣言沉重地压在了她的身上,认为她也涉嫌学术造假。要知道,科研就是鲍哲南的生命,科研价值就是她的人生价值,这一打击有可能直接断绝了她的科研道路。直到后来调查证明她对舍恩篡改实验数据的情况并不知情,她才得以恢复清白。好在舆论的风波没有过多地影响鲍哲南的科研热情,之后她接受了斯坦福的邀请到化学工程系执教。

转折斯坦福

不同的阶段可能有不一样的研究方向,鲍哲南一直是一个对科研事业如痴如醉的女强人。进入斯坦福大学后,她不再局限于有机电子学科,而开始对能源电池产生了兴趣。这时她遇到了另一位材料界的好搭档——崔屹教授,两人被称为斯坦福大学的“双子星”,多次合作推动化学电源性能的改善。

学科跨越的障碍挡不住鲍哲南的研究热情,凭借对高分子聚合物的研究基础,她将石墨烯涂覆的镍纳米粒子嵌入聚乙烯材料,也就是改良了我们常见的塑料,制造出轻薄且导电的薄膜。

这种塑料薄膜嵌入到锂电中,不仅有助于电流更快通过,还改善了锂离子电池过热起火的安全性问题,不到两年,两人再度联手攻克钠离子电池的性能难题,纳米材料再一次展示了它优异的特点。他们发现将电池中的正极材料块状玫棕酸二钠替换成相同的纳米材料后,电池充放电的能力得到了显著的提升,在锂电瓜分了大部分市场份额的今天,钠电也逐渐迎头赶上。

鲍哲南在英国《自然》、《美国科学院年报》、《美国化学会志》、《先进材料》、《应用物理通讯》等杂志发表论文300多篇,申请专利60余项(其中获准30多项);担任美国材料学会的执委,美国化学会聚合物材料科学与工程分会执委和程序委员会成员,《先进功能材料》、《材料化学》和《今日材料》杂志编委以及美国国家自然科学基金委评委等。鲍哲南在制造用于柔性薄型显示器的全塑晶体管的新型高性能有机、高分子半导体材料方面有突出贡献。她在有机薄膜晶体管领域发表的文章在1997-2007年得到2226次引用,在被引用最多的20名作者中排名第4。2015年当选《自然》杂志年度十大人物,2016年获世界杰出女科学家奖。




在鲍哲南取得的所有研究成果中,于2010年公开发表的人造皮肤研究,引发了人们广泛的关注。

神奇的“人造皮肤”

所谓的人造皮肤,准确地说,就是一种电子皮肤。它是用一种柔软塑料配上电子传感器件做成的。说起来简单,但要让配有电子传感器家的柔软塑料达到人的自然皮肤那样的功能,其实是相当困难的。

2010年的时候,鲍哲南和她的研究小组,制造出了能够感知微小压力的人造皮肤。这样皮肤上一点点的变化,都能被皮肤所感知,这其实就是压力对于皮肤的影响。到了2011年,鲍哲南和她的研究小组,又研制出了一种可以拉伸的太阳能电池,用在人造皮肤上。这样一来,人造皮肤就具有了自我发电的新功能。它既可以拉伸收缩,又可以自我发电,人造皮肤就能够一直使用下去了。

2015年,鲍哲南和她的研究小组,又让人造皮肤具有了人造皮肤一样的触觉。虽然原理和人体皮肤触觉原理不一样,但效果是一样的。时间来到了2017年,他们又开发出了一种导电性和拉伸性都很好的高分子材料。这种高分子材料运用在人造皮肤上,让人造皮肤向自然皮肤的发展又有了进展!

而这种模拟人类皮肤的柔软塑料电子传感器件—人工电子皮肤,有望在假肢、机器人、手机和电脑的触摸式显示屏、汽车安全和医疗器械等诸多方面获得广泛应用。因在人造皮肤研究中取得突破性进展,鲍哲南获得由凤凰卫视联合海内外十余家知名华文媒体和机构共同评选的“影响世界华人大奖”。

鲍哲南自认不是一位天才,认为通向成功更多地是需要后天的努力。从事科研,她认为最重要的是:“要坚持不懈,决不放弃,永远乐观。”

在被问及科研的最终目标是否是诺奖时,她却坦言科研是兴趣,做自己感兴趣的事就会开心,而不必在乎荣誉。鲍哲南从感兴趣的领域入手,逐渐把领域的边界打破,然后发现科学的高度在于各个交叉学科的融会贯通,她的科学研究始于兴趣,没有终点。

在斯坦福,她坚持走路上班。斯坦福大学为了减少校园内的汽车停车位的紧张状况,提倡步行、骑自行车或公共交通上班。由于鲍哲南长期坚持走路上班,她被评为斯坦福大学校园“走路英雄”,为此,还将她的照片和留言制成明信片,并悬挂于斯坦福的校车之中。

(节选自网易、未来科学大奖)



 

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