在材料发现和制备的路途上，中国处于什么位置？新兴材料如何助力构建美好未来？纳米碳材料作为主导未来高科技产业的战略新兴材料，成为回答这两个重要问题的关键词。但是，如何将纳米碳材料所蕴含的美好理想变为现实，则有赖于研究者以与多元主体互动的方式，推进基础研究和应用转化的双轮并驱。
2022年10月27日下午4点，本学期第二期“周三茶座”有幸邀请到了中国科学院院士、北京大学博雅讲席教授、北京大学化学与分子工程学院、材料科学与工程学院张锦教授为大家主讲“纳米碳材料——主导未来高科技产业的战略新兴材料”。中国科学院院士、北京大学物理学院王恩哥教授主持了此次茶座。
王恩哥教授介绍主讲人
本次茶座以纳米碳材料的演进为主轴，结合主讲人正在开展的工作，介绍了纳米碳材料作为主导未来高科技产业战略新兴材料的优点、现状、挑战及解决办法，呈现了科学研究者在推进原始创新中的努力，就学科交叉的价值、路径和可能展开了深入讨论。
主讲人张锦教授
一、回顾：纳米碳材料研究的演进
主讲人以6000年前的金刚石为起点，讲述了20世纪中叶以来碳材料的几次重大转变，并定位了中国在该演进轴上的位置。纳米碳材料是以金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨炔等为代表的具有特殊结构和新奇物理化学特性的碳同素异形体材料，具有优异的力学、热学、电学等性质。
金刚石具有碳原子sp3杂化形成的面心立方结构，具有超高的硬度。我国人造金刚石颗粒的产量占世界90%以上，质量达到国际领先水平，应用于精密研磨、抛光、复合镀层等领域，并为高功率器件奠定了材料基础。
富勒烯是于1985年发现的由五元环和六元环构成的一系列封闭笼状结构的全碳分子。由于具有完美的对称结构、独特的稳定性和新奇的电子结构等特点，富勒烯展现出抗辐射和化学腐蚀、导电性、抗压性、抗氧化性和生物相容性等优势，并被广泛用于生物医药等领域。我国的富勒烯制备和应用处于国际领先水平。
碳纳米管是由sp2碳原子构成的具有管状结构的一维纳米碳材料，由日本的lijima教授于1991年发现。由于碳纳米管优异的电学和力学特性，在光电探测、能源以及未来电子芯片技术领域具有重要的应用价值。目前，碳纳米管已经在我国形成了生产厂家超百家、总产能超万吨/年的产业。
石墨烯是由sp2杂化碳原子以类蜂窝状结构排列组成的单原子层二维晶体材料，具备高力学性能、高电子迁移率以及高热导率等，被广泛应用于功能材料、电子信息、能源、生物医学等多个领域。石墨烯材料在我国发展迅速，石墨烯产业也逐渐形成共识，即“石墨烯新材料产业远未成熟，也绝非攻坚阶段，更不是立即借以发家致富的金矿”。同时，制备决定未来，科学研究和产业发展应立足于石墨烯的制备。我国的石墨烯薄膜材料制备技术处于国际领先水平。
石墨炔是由sp-sp2两种杂化态的碳原子构成的新型全碳二维原子晶体，被认为具有优于石墨烯的电学性质，因而受到广泛关注。石墨炔是具有中国标签的新型纳米碳材料，由中国科学院化学所李玉良院士首次在实验上合成获得。
目前，我国在纳米碳材料的制备和应用方面取得一系列重要成果，但仍面临诸多挑战亟待突破，包括构建从微观结构到宏观聚集体之间的桥梁、揭示材料优异性能从微观到宏观的传递规律、实现纳米碳材料与其他高性能材料的高效复合，规模化制备装备研发以及杀手锏级应用的寻找。
讲座现场掠影
二、当下：北京大学纳米碳材料研究现状
北京大学是先进碳材料研究的重镇，以交叉促融合，以科学促工程，做有组织的科研，打造石墨烯产业的中国引领、烯碳纤维的中国标签和碳基芯片的中国方案，成立了北京石墨烯研究院和北京元芯碳基集成电路研究院等新型研发机构，形成了全链条式纳米碳材料研究体系。
北京大学的研究团队在纳米碳材料的控制制备与应用、复合纤维与碳基电子应用等领域取得了突出进展，在碳纳米管和石墨烯的化学气相沉积生长领域处于国际领先水平，实现了材料的结构控制，解决了碳基器件应用的部分技术难题；突破了高性能碳纳米管/芳纶Ⅲ复合纤维的制备技术，提出结构-功能一体化碳纳米管纤维的制备策略，为新一代高性能纤维的制备提供了新思路；在碳基电子器件相关材料和制备工艺的研究中取得了系列突破，为推进碳基集成电路的实用化发展奠定了基础。
烯碳材料是指碳原子sp2杂化六元环结构组成的低维全碳材料，主要包括碳纳米管和石墨烯。主讲人的研究团队聚焦烯碳材料的可控制备方法、表征方法学、烯碳纤维的制备技术及特种功能应用；以关键应用为牵引，开发具有轻质、高强、功能、智能的系列烯碳纤维产品，打造高品质烯碳纤维的研发高地。
三、未来：以学科交叉促原始创新
分享完科学研究的进展后，主讲人回到科学发展的原动力，强调原始创新的重要性。张锦教授引用140年前美国物理学家亨利·奥古斯特·罗兰在美国科学促进会上题为《为纯科学呼吁》演讲中的一段话，表达对中国科学研究的殷切希望：
“中国人知道火药的应用已经若干世纪，如果他们用正确的方法探索其特殊应用的原理，他们就会在获得众多应用的同时发展出化学，甚至物理学。因为只满足于火药能够爆炸的事实，而没有寻根问底，中国人已经远远落后于世界的进步。我们现在只是将这个所有民族中最古老、人口最多的民族当成野蛮人。”
主讲人以DNA结构的发现和碳纳米管的发展为例，进一步强调学科交叉的重要性，指出这种交叉不限于学科，而也应该是范式和人群之间的交叉。新的研究范式为多学科交叉提供新平台，学科交叉理应被提倡，也是未来的方向。
张锦教授的演讲引发了在场听众的共鸣，对学科交叉的呼吁和原始创新的期待也引发了大家的激烈讨论。傅军教授、王恩哥教授等与会嘉宾着重就如何调适基础研究与前沿研究、范式差异与学科交叉、科学研究与市场需求之间的矛盾展开了讨论，针对当前新工科等高等教育研究改革中出现的问题和存在的可能交换了意见。
现场交流与互动
最后，王恩哥教授代表前沿交叉学科研究院和听众对张锦教授表示了衷心感谢并赠送了周三茶座纪念日历。
赠送纪念日历
撰稿：谭萌、张锦
摄影：冯慧敏
