王中林：一位開掛的科學(xué)家和他的納米帝國

圓的方塊

如果你在網(wǎng)上搜關(guān)于王中林的資料，除了高得嚇人的影響因子和眼花繚亂的學(xué)術(shù)成果，似乎很難找到他個(gè)人生活的痕跡。沒有博客，沒有微博，不知道有沒有微信。偶爾上網(wǎng)也只是處理郵件和修改論文，辦公室里都是老婆和女兒的照片，據(jù)說平時(shí)最大的消遣是晨跑和整理花園。

生活中如此低調(diào)的科學(xué)家，他的成長故事卻如同 “開掛”一般，非比尋常的精彩。

誤打誤撞進(jìn)入納米研究領(lǐng)域

王中林，生于1961年，陜西高陽鎮(zhèn)人。全國至少有五個(gè)高陽鎮(zhèn)，這里是最窮的那個(gè)。家里兄妹四人，他是老幺。作為家中最小的孩子，王中林得到了更多照顧。雖然家境不好，但全家人一起努力，給他提供了所能得到的最好教育。他也沒讓家里人失望，小學(xué)、初中、高中一直都是第一名。1978年，他考取了西北電訊工程學(xué)院（西安電子科技大學(xué)的前身），學(xué)習(xí)物理。

1981年，學(xué)校得到了送學(xué)生去美國進(jìn)修的名額，20歲的王中林報(bào)了名，但因?yàn)橛⒄Z太差，沒通過。隨后一年，在大姐買的錄音機(jī)的幫助下，他惡補(bǔ)起了英語。轉(zhuǎn)年的第二次選拔，他順利通過，并成為西北五省唯一被錄取的學(xué)生。隨后，他選擇了亞利桑那州立大學(xué)（Arizona State University）作為目標(biāo)，因?yàn)锳開頭的學(xué)校排在了列表最前面?？赡芤彩峭瑯拥脑?，他投身到了一位名叫考利（Cowley）的教授門下。當(dāng)時(shí)他應(yīng)該不知道，這位全名叫作約翰·麥斯威爾·考利（John Maxwell Cowley）的教授，是高分辨電子顯微學(xué)的祖師級(jí)人物。

就這樣，一次撞大運(yùn)般的選擇，開啟了王中林的科研之路。

起步維艱但依舊開掛

在陽光充沛的鳳凰城，王中林僅用4年時(shí)間就拿到了物理學(xué)博士學(xué)位，而其他人要6年或8年。就這樣，他創(chuàng)造了系里的一個(gè)紀(jì)錄。讀博期間，王中林順利完成了多個(gè)研究課題，從電子顯微學(xué)到納米材料表征。這個(gè)勤勉的中國人得到了考利的高度贊賞——“不管做什么，王都是最好的”。

隨后的故事卻沒有那么順利。畢業(yè)后，王中林首先找到了石溪大學(xué)的一份博士后工作。然而，這里的實(shí)驗(yàn)條件太差。他習(xí)得了一身屠龍之術(shù)，這里卻沒有龍。后來幾經(jīng)波折，他終于來到了英國劍橋大學(xué)，開始了新的研究生活。

可惜，天時(shí)地利人和，總是難以湊全。在劍橋，他缺的是人和。

據(jù)說，王中林提出的一種理論，與當(dāng)時(shí)的導(dǎo)師觀點(diǎn)上有沖突，但他還是硬著頭皮把文章發(fā)表了。“懟”導(dǎo)師這種作死行為自然引起了一系列負(fù)面后果。那個(gè)導(dǎo)師是本領(lǐng)域的權(quán)威，門生眾多。于是，這一派眾人群起而攻之。作為一個(gè)剛嶄露頭角的新人，王中林的起步階段無疑是艱難的。

然而，正是在這段灰暗的歲月，王中林硬是實(shí)現(xiàn)了他的一個(gè)學(xué)術(shù)小高峰。那個(gè)年代，電子顯微學(xué)還不成熟，很多研究者都是自成體系，甚至連使用的符號(hào)都不統(tǒng)一。實(shí)驗(yàn)受挫的王中林不想虛度光陰。他找來了本領(lǐng)域的所有文獻(xiàn)，用了兩年的時(shí)間，將所有這些知識(shí)提煉成了一本書。這本名為《電子成像和衍射中的彈性和非彈性散射》的書是他的第一本著作，一經(jīng)出版就廣受好評(píng)，被媒體稱為 “具有卓越成就的經(jīng)典之作”。

1995年，王中林應(yīng)聘到了佐治亞理工學(xué)院當(dāng)副教授，從事納米科學(xué)研究。

初來乍到，沒有專用的實(shí)驗(yàn)室，只能白天看文獻(xiàn)，晚上蹭別人的實(shí)驗(yàn)室。有些教授歧視他，想用他的啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)去買設(shè)備，這個(gè)倔強(qiáng)的西北漢子當(dāng)然不能認(rèn)慫。王中林硬是扛下了這些壓力，用三年時(shí)間發(fā)表了80多篇論文，并一舉獲得了終身教授席位。隨后，又用了五年，成了佐治亞理工的董事教授 （Regents Professor）。全校數(shù)千名教職員工，這個(gè)榮譽(yù)每年只有兩個(gè)名額。以至于后來，系里的其他教授面對(duì)王中林時(shí)都會(huì)感慨：“沒有對(duì)比就沒有傷害?。╕ou make us look bad）?！?/p>

然而，故事才剛剛開始。

探究一種不走尋常路的發(fā)電方式

隨著時(shí)間進(jìn)入21世紀(jì)，筆記本電腦和手機(jī)開始占領(lǐng)人們的生活。笨重的電池似乎愈發(fā)難以滿足這些精致的電子產(chǎn)品。與此同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，微型傳感器得到了大規(guī)模應(yīng)用。這些數(shù)以萬計(jì)的傳感器比指甲蓋還要小。如何給它們供電，成了一個(gè)大問題。

于是，王中林適時(shí)地提出了 “自驅(qū)動(dòng)（self-power）” 的這一概念。所謂的自驅(qū)動(dòng)，是指不依靠電池等儲(chǔ)能器件，讓電子產(chǎn)品直接從環(huán)境中收集能量。這個(gè)概念一經(jīng)提出立刻引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注。

為了實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)的構(gòu)想，王中林將目光投向了氧化鋅（ZnO）。氧化鋅這種半導(dǎo)體材料具有很多神奇的特性，而最讓王中林著迷的，就是它的壓電效應(yīng)。

氧化鋅的晶體結(jié)構(gòu)具有非中心對(duì)稱性，在受到外力作用時(shí)，材料本身的正負(fù)電荷中心會(huì)發(fā)生分離，產(chǎn)生電場，可以驅(qū)動(dòng)電子移動(dòng)，從而為外電路供電。

氧化鋅的這種壓電效應(yīng)早已被人發(fā)現(xiàn)，但一直也沒有得到足夠的重視。王中林卻覺得這是塊寶。

2009年，王中林通過一個(gè)納米針尖，撥動(dòng)氧化鋅納米棒，成功輸出了5毫伏的電信號(hào)。這種納米級(jí)氧化鋅具有很好的柔韌性，即使發(fā)生30%的形變都不會(huì)破裂，這可以讓壓電效應(yīng)得到最大程度的發(fā)揮。然而，電信號(hào)仍然太微弱了。于是，王中林結(jié)合他數(shù)十年納米領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終制備了一種氧化鋅納米棒的陣列結(jié)構(gòu)，再結(jié)合精密的電路設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了1V的電信號(hào)輸出。這個(gè)輸出強(qiáng)度已經(jīng)可以點(diǎn)亮一個(gè)小燈泡了。

這似乎還不夠。

2011年，學(xué)生在測試一款納米發(fā)電機(jī)時(shí)觀察到了5V的電壓信號(hào)。起初大家以為這是一個(gè)誤差，因?yàn)閿?shù)值比預(yù)想的要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。但王中林覺得這其中應(yīng)該另有玄機(jī)。經(jīng)過仔細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)是器件中使用到的材料表面比較粗糙，在實(shí)驗(yàn)中封裝不穩(wěn)，發(fā)生了滑動(dòng)，造成了摩擦起電。問題找到了解答，按理說，故事到這就應(yīng)該完結(jié)了。但是，王中林心中想的卻是：為什么不把這個(gè)效應(yīng)利用起來呢？

經(jīng)過整整一年的探索，2012年初，王中林團(tuán)隊(duì)終于構(gòu)建了一個(gè)全新的納米器件：摩擦納米發(fā)電機(jī)。這個(gè)裝置可以通過摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)效應(yīng)把微小的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。更重要的是，摩擦發(fā)電具有史無前例的輸出性能，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)數(shù)千伏的電壓輸出。它既用不著磁鐵也不用線圈，使用的都是便宜的高分子材料。通過小巧的摩擦納米發(fā)電機(jī)，王中林可以把走路、呼吸、心跳、肌肉收縮等等日常中的零碎能量收集起來，轉(zhuǎn)換成電能，給手機(jī)或者其他設(shè)備供電。當(dāng)初的一個(gè)“實(shí)驗(yàn)誤差”，如今已經(jīng)發(fā)展出了一個(gè)全新研究領(lǐng)域。正如總是掛在他嘴邊的一句話：“絆倒你的不一定是石頭，可能是個(gè)金磚。”

雖然給手機(jī)充個(gè)電沒問題，但王中林覺得摩擦發(fā)電的潛力應(yīng)該不止于此。他的下一個(gè)目標(biāo)是駕馭海洋——將海浪的能量收集起來，實(shí)現(xiàn)人類夢(mèng)寐以求的“藍(lán)色能源（Blue Energy）”。為此，王中林設(shè)計(jì)了一款基于摩擦發(fā)電原理的球狀發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)由一個(gè)空心殼層和一個(gè)內(nèi)部球體組成，可以漂浮在海洋上。隨著海浪的沖擊，殼層與內(nèi)部球體發(fā)生相對(duì)位移與摩擦，從而產(chǎn)生電流。如果將成千上萬個(gè)球體發(fā)電機(jī)串聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，將產(chǎn)生數(shù)量極其可觀的電能。

就這樣，納米發(fā)電機(jī)走出了一條從基礎(chǔ)科學(xué)到工程設(shè)計(jì)再到工業(yè)技術(shù)的“一條龍”路線，這種研究實(shí)踐在世界范圍都相當(dāng)罕見。

不斷升級(jí)的科學(xué)家人生

在王中林看來，科學(xué)家的人生分為三個(gè)階段，第一個(gè)階段是向世界證明自己的才華;第二個(gè)階段是盡力幫助朋友和周圍的人;第三個(gè)階段要用自己的知識(shí)來為國家和社會(huì)作貢獻(xiàn)。他覺得自己已經(jīng)進(jìn)入了第三個(gè)階段。

2004年，他接受邀請(qǐng)擔(dān)任國家納米科學(xué)中心海外主任，正式在中國開始了研究工作。2009年，當(dāng)選最年輕的中國科學(xué)院外籍院士。1978到2010年的三十余年間，有近200萬出國留學(xué)人員，王中林是他們其中唯一當(dāng)選的外籍院士。

更大的契機(jī)發(fā)生在2010年。那年元旦，王中林本打算動(dòng)身回美國，卻在辦公室桌上發(fā)現(xiàn)了一封“院士春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)”的邀請(qǐng)信，也沒多想，他就去了。當(dāng)晚碰到了中科院白春禮院長。白院長把他拉到一邊，跟他聊了聊中組部想要成立一個(gè)納米研究所的計(jì)劃。王中林回憶說“如果我改票走了，就沒有之后的事了”。所謂“之后的事”，就是成立了中科院納米能源與系統(tǒng)研究所，以王中林為首席科學(xué)家，主要工作圍繞納米發(fā)電機(jī)和自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)展開。也就是說，整個(gè)研究所都是王中林的科研團(tuán)隊(duì)。

王中林的故事，滿足了世人對(duì)卓越科學(xué)家的所有幻想：天才，勤奮，反抗權(quán)威再成為權(quán)威。從關(guān)中小鎮(zhèn)到名牌學(xué)府，從科學(xué)理論到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，從個(gè)人奮斗到開宗立派，他每時(shí)每刻都在展現(xiàn)著巨大的才華和與之相配的野心。

（劉誼人摘自“我是科學(xué)家”微信公眾號(hào)）