徐甲强：厚积薄发，创新图强
文/胡月
作为未来社会经济发展的支柱之一,纳米科技的兴起,对我国提出了严峻的挑战,同时也为我国实现跨越式发展提供了难得的机遇。纳米材料是纳米科技的基础,对信息、生物、能源、环境、宇航等高科技领域,将产生深远的影响并具有广阔的应用前景。上海大学理学院徐甲强教授长期致力于纳米材料方面的科学研究,并致力于成果的产业化,取得了丰硕的成果。
精研纳米材料,取得硕果累累
1981年,徐甲强被郑州大学化学系录取,在这里他学会了如何记笔记,知道了如何做研究。这里有一群朝气蓬勃、求学若渴的莘莘学子,他们寒窗苦读,追求卓越,也使徐甲强养成了良好的学习习惯,成为踏步向前,追赶优秀的学子;这里还有一批倾尽所有、教书育人的普通教师,也有刻苦工作,言传身教,勇攀高峰的学者,受到他们的感染,徐甲强选择了继续学习的科研之路。
1985年郑州大学毕业后,徐甲强考入中国科学技术大学应用化学系攻读硕士学位,专业是无机化学无机新材料方向,导师为沈瑜生教授。在这里徐甲强认识了更多的优秀同学们,这里的老师跟国际名校交往频繁,学校张贴的多是国内外大咖的学术报告,通过聆听国外学者和中科院大师的学术报告和课程,阅读大量的国外期刊,徐甲强开阔了眼界和学术视野,走上了超微粒气敏材料的研究之路。之后超微粒被纳米材料取代,徐甲强也算是从事纳米材料研究的早期学者。在这里的研究工作奠定了徐甲强的职业基础。
毕业后,徐甲强在郑州轻工业学院和上海大学任教30余年,不间断地开展纳米材料与气体传感器的研究工作,并快速在全国气湿敏传感技术专业委员会担任职务,也帮助河南汉威电子有限公司成为全国最大的气体传感器制造商,并成功上市。徐甲强的博士求学是在上海大学,导师是沈嘉年教授,沈嘉年教授对徐甲强的灵活指导,使其在未脱产的情况下顺利地在学制内完成了学位工作。
到上海大学后,出国机会增多,利用国际交流平台,徐甲强到美国、加拿大、新加坡和日本等高校开展了学术交流,为之后联合培养博士研究生奠定了良好基础。
作为从事纳米材料研究的早期学者,徐甲强理解纳米材料的各种制备方法和各种微观结构的控制原理。针对气敏材料气固界面的活性位点和稳定性难以两全的技术难题,他设计采用热氧化法制备出稳定性高的氧化锡纳米材料,在保证气体灵敏度的同时保障了气体传感器的稳定性,该成果被河南汉威电子有限公司采用,获得河南省科技进步三等奖;利用催化剂选择性催化气固界面的氧化学吸附和气敏反应,解决气体传感器的选择性难题,获得河南省科技进步三等奖;通过对金属氧化物气敏材料的微结构控制,化学自组装修饰和气敏机理研究,厘清了金属氧化物气敏材料结构和性能的关系,积累了气敏材料设计的经验,理解了金属氧化物的气敏机理和贵金属纳米颗粒的增敏机理,该项成果获得上海市自然科学二等奖。
在能源材料研究领域,徐甲强团队通过对铂基催化剂成分和微结构的合理设计以及三维多孔纳米结构的构筑,降低了其作为燃料电池催化剂的成本,提高了催化剂的抗中毒能力、寿命和催化效率,具有较好的应用前景。将金属或双金属纳米晶修饰电极,徐甲强团队开发出癌症及糖尿病筛查、农药残留、和生物小分子检测用生物传感器,可为人们的身体健康提供诊疗服务。
徐甲强承担的项目包括国家重点研发计划项目课题1项、国家自然科学基金4项、上海市科委重大专项课题1项、企业委托项目10项。副主持国家重大科研仪器研制项目1项、国家自然科学基金重点项目1项。参与国家重点研发计划项目2项。主研项目分别属于谐振式和半导体式气体传感器的基础和应用研究以及超级电容器和燃料电池领域的应用基础研究。其中“基于微纳谐振敏感效应的界面分子作用热力学/动力学参数提取与材料特性评估装置”项目利用微悬臂梁谐振器测试纳米材料的吸附等温线,利用经典的物理化学方程,提取纳米材料的吸附热力学和动力学特征参数,为纳米材料在传感器、催化剂、气体吸附与净化材料的开发提供理论判据,为界面分子相互作用机理的理解提供实验依据,研究成果的推广应用将为纳米材料的开发和应用提供科学仪器和研究方法。“PdM双金属纳米晶的可控合成及其对金属氧化物气敏材料的多重增敏机理”项目的完成将会加深人们对双金属纳米晶增敏机理的理解,通过合理地设计双金属的组成和微结构,利用双金属的化学增敏、电子增敏、微结构增敏和协同作用开发出性能更加优异的双选择性半导体气体传感器,守护人们的安全,呵护人们的健康。
在纳米材料设计、能源材料和生物材料研究领域,徐甲强团队共取得河南省科技进步奖5项,上海市自然科学二等奖1项,现拥有22项发明专利,其中10项专利被公司采用或转化。
勇于创新,科研教学双丰收
创新是科研的灵魂。从事科研工作如果没有创新,不可能创造出新的价值。虽然创新的途径有很多,但能做到源头创新的人却是凤毛麟角。徐甲强认为,创新需要脚踏实地、创新需要知己知彼、创新需要厚积薄发、创新需要把握机会;创新需要掌握创新的思维、创新需要强列的好奇心、创新需要逆向思维考、创新需要勇气,敢于否定自我,否定传统。
徐甲强也非常欣赏中科院院士徐光宪对创新的定义:学而问,问而思,思而行,行而果,这就是创新。在徐甲强的研究领域徐甲强通常采用延伸式、扩展式、联想式、逆向式和综合式思维方式。如α-氧化铁的气敏机理在八十年代一般认为其和γ-氧化铁的体电阻控制机理一致,即在还原性气氛中被还原为四氧化三铁,降低电阻;在空气中再氧化为α-氧化铁,完成测试循环。鉴于两种氧化铁的晶体结构不同,徐甲强认为两者很难走同一条路径。在逆向思维指导下,徐甲强设计了一系列实验来验证α-氧化铁的机理与γ-氧化铁不同。徐甲强在氮气和空气气氛中分别测试了两种氧化铁的电阻-温度曲线和还原性气体敏感性能,发现了α-氧化铁在空气中的阻温曲线与表面电阻控制型气敏材料氧化锡和氧化锌相同,即出现氧化学解离产生的电阻最大峰;而氮气中的阻温曲线则没有电阻最大峰;还原性气体在氮气中的灵敏度大大低于空气中的灵敏度。再结合铁氧比和氧吸附活化能与气体灵敏度的关系,证明了α-氧化铁的气敏机理是基于检测气体与表面吸附氧的相互作用而不是体电阻变化引起,该工作1992年发表在“无机材料学报”第一期上。在碳纤维自行车整体框架的研制中,为了将自行车框架轻量化,徐甲强团队设计使用轻质高强碳纤维为原料,将工业设计、力学模拟、树脂成型工艺和机械制造专业人才相结合,优势互补,协同创新,在90年代制造出国内最轻的碳纤维自行车整体框架,获得河南省科技进步二等奖。
众所周知,气体传感器的发展离不开纳米材料的应用。纳米材料的应用充分发挥了表面电阻控制型气敏材料的优点:(1)能级分裂导致其在空气中的电阻增大,有利于气体灵敏度的提高;(2)比表面积的增大,产生更多的活性位点,有利于氧气和检测气体的吸附和反应;(3)更多的氧气在表面解离,形成更厚的表面电子耗尽层,增大空气中的阻值,有利于气体灵敏度的提高。可以看出纳米材料的使用主要在于提高气体传感器的灵敏度,加快响应恢复速度,扩大其检测与应用范围。但是纳米材料本身不属于热力学稳定材料,比普通材料具有更高的能量,在灵敏度提高的同时不可避免的会带来选择性和稳定性的下降。为此对气敏材料体系进行了创新,即敏感材料和增敏材料都使用稳定的晶态纳米材料以提高稳定性;敏感材料使用缺陷工程和表界面调控以提高灵敏度;贵金属增敏剂利用组分和晶面调控以提高灵敏度和选择性。这样的综合创新大大优化了金属氧化物半导体气体传感器的敏感性能,在高稳定性的氟系制冷剂、酒精、硫化氢、氨气、氢气、一氧化碳、甲烷、甲醛和TVOC传感器开发方面取得了很好的应用,多项成果在河南汉威电子有限公司、徐州精英电器技术公司、上海灵磐电子科技有限公司、河南圣玛斯科技有限公司、上海摇撸仪器设备有限公司使用,产生良好的经济效益和社会效益,并获得河南省科技进步三等奖和上海市自然科学二等奖。
教书育人是每一位教师的天职,是高等教育的根本任务。徐甲强一向非常重视教学工作,除了做好自己的教学工作外,徐甲强还组织上海大学无机化学教研室的老师们积极开展课程和教材建设活动。在科学出版社出版了《工程化学系列教材》和《无机化学》教材。此外还编着《材料合成化学与合成实例》、参与编着《现代无机合成与制备化学》和《材料化学若干前沿研究》等。《工程化学》(第二版)获得上海市优秀教材二等奖;工程化学系列教材入选国家13.5重点规划教材。无机化学课程入选上海市精品课程,工程化学课程被列为上海大学精品课程。
一路走来,辛苦与收获并存。徐甲强认为大学教师一定不能把教学作为负担,而应该作为责任,作为事业来做,教学和科研从来都不是互相矛盾,而是相互促进,相得益彰。科研可为教学提供创新的思维、成果和生动的案例,而教学则可以从理论基础、团队建设、优秀生源等多方面促进科研。工作经验方面主要是做好教学与科研、个人与团队、职责与发展之间的平衡,在解决主要矛盾的同时,实现自身价值的提升。
总结过去,展望未来。徐甲强希望在科研方面能把自己的研究成果产业化,更好地为我国物联网、大健康和人工智能产业提供服务,为国家的公共安全、安全生产和健康生活提供更多的智能气体传感器产品。
