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一项研究“死磕”6年！95后博士学会用“玩”的心态做科研 |
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自从接手这个课题已经过去4年了，龚燕的研究进度仍然停滞不前。
“没有任何人可以和你保证，文章一定能投到一个高影响因子的期刊上。我的导师不能保证，我自己心里也没底。我不确定这项研究一定能做出来，并且有个好的结果。”龚燕说。
在这4年里，她几乎没有任何文章产出，迷茫、焦虑、自我怀疑等负面情绪日复一日地充斥着她的内心，无数次萌生出想要放弃的念头。在此期间，看不到希望的龚燕还曾做好了转换研究方向的准备，加入另外一个课题组，开启一段新的科研旅程。
然而，在导师以及同课题组成员的鼓励下，龚燕保留了内心的那份倔强：“我做了那么长时间没有结果，为什么我不能再坚持一下 ，万一有呢？”
功夫不负有心人。终于，在不懈地努力之后，4月24日龚燕迎来了人生中第一篇Nature论文。在这项“死磕”6年的研究成果中，研究团队成功实现了金刚石的常压生长，打破了高温高压制备金刚石的传统范式。该制备方法使用由镓、铁、镍和硅组成的液态金属，在1个大气压和1025°C的温度条件下进行，有望为金刚石薄膜的生产开创一条成本更低的道路。
韩国国立蔚山科学技术院（UNIST）博士生龚燕为该论文第一作者。该校特聘教授、韩国基础科学研究所（IBS）多维碳材料中心主任Rodney S. Ruoff、IBS终身教职研究员罗达，以及高级研究员Won Kyung Seong为该论文的通讯作者。
接手一个“大难题”
2018年，Rodney S. Ruoff受邀来到厦门大学作学术报告。当时在厦大材料学系读硕士一年级的龚燕，对其研究内容产生了浓厚的兴趣。在硕士导师詹达的推荐下，她向Ruoff报告了自己的研究方向，获得了前往韩国访问学习的机会。
早在十几年前，就职于美国得克萨斯大学奥斯汀分校的Ruoff曾率领当时的研究团队，发表了全球首创的石墨烯（SP2碳材料）的两种制备工艺：氧化石墨烯，以及化学气相沉积（CVD）在金属铜上大面积生长石墨烯。
这两项突破性的工作，不仅开创了石墨烯制备领域的新局面，也进一步引发了Ruoff对SP3碳材料——金刚石的关注，开启了常压制备金刚石的研究课题。
众所周知，金刚石是地球上已知最坚硬的天然材料。天然金刚石诞生于地球地幔层，形成于900~1400°C高温和5~6GPa高压的环境下，通过火山爆发而被岩浆带到地表。
目前，人工合成金刚石最主流的方法是CVD和高压高温（HPHT）。这两种方法在受控的实验室环境下，通过模仿金刚石形成的自然条件，能够生长出1厘米或更大尺寸的人造钻石。
在龚燕以访问学者的身份加入Ruoff课题组时，组内一位拥有丰富的传统CVD生长金刚石经验的博士后一直在负责这项课题。然而，这位博士后在做了一段时间的研究发现很难有所突破后，选择放弃“挣扎”，转身投向了其他研究工作，该课题也因此转交到了初来乍到的龚燕手中。
“一开始我非常犹豫，因为我有所耳闻，这个课题非常具有挑战性，即使是这样资历深、经验丰富的前辈做了很久都没有取得突破。”龚燕告诉《中国科学报》。
凭借着年轻人特有的那股子冲劲，本着“年轻有试错成本”的心态，龚燕说服了自己，在没有任何有关碳材料研究知识和经验的背景下，从“0”开始了这项课题。
发现一个五彩斑斓的区域
研究初期，团队尝试了用各种新方法来实现金刚石或类金刚石的常压制备，但是始终没有任何重要的突破。
为了克服瓶颈，他们翻阅了近些年来发表在Science、Nature及其子刊等期刊上有关碳材料的工作。其中，一项利用液态金属作为催化剂，对甲烷、二氧化碳等含碳前驱体进行裂解，从而获得SP2碳材料的研究，给团队带来了灵感——用液态金属或许可以生长出SP3的碳材料。
当他们决定将镓滴在硅片上，尝试催化甲烷在硅片上生长金刚石时发现，硅片从边缘处融入了镓中，与镓形成了均匀液相，这个现象让他们感到很神奇。
“通过进一步查阅硅-镓相图，我们发现，硅和镓有极高的溶解度。同时，我们还研究了硅-碳相图及其原子结构，发现碳化硅是SP3的结构且硅的原子结构与金刚石非常相似，也都是SP3结构。当时，我们就猜测，加入硅可能会帮助金刚石的成核生长。”龚燕说。
抱着这一想法，团队进行了多次试验和优化。最终，在2022年8月22日这一天，龚燕接手这项课题的第5年，研究首次有了实质性的突破进展。
“我清楚地记得，那天当我使用装置进行实验，冷却并取出已凝固的液态金属，用光学显微镜观察样品底部时，第一次看到了一些五彩斑斓的区域。当时，我心想这不会是钻石吧！”龚燕回忆道。
对于龚燕而言，幸福来得太突然，让她感到有些不可置信。
全新的金刚石生长机理是这项研究的亮点之一。在这项研究中，团队自制了一个使用焦耳加热为原理的冷壁真空系统。其中，该设备中有两个电极，中间连接着一个用来装载各种金属催化剂混合物的石墨坩埚。
在实验过程中，研究团队在液态合金的亚表层，即距离表面大约几十纳米到几百纳米之间，发现了前所未有的碳超饱和现象，这是金刚石成核的关键之一。
“石墨坩埚中的温度阶梯会带动碳原子或碳簇（例如C2、C3）在亚表层内发生扩散迁移。当碳原子的浓度达到一定程度，即形成所谓碳超饱和现象，此时碳原子浓度达到符合金刚石成核的浓度条件，从而创造了金刚石的生长条件。此时， 1到2个硅原子的加入，在适当的温区（1025°C），就会引发金刚石的成核。成核一旦发生，金刚石就会迅速生长。”龚燕解释道。
当龚燕再次提及硅在钻石新生长过程中的关键性发现，她说：“就是量变产生质变，不停地去试，什么可能就试什么，然后突然就成了。”
然而，生长出钻石只是攻克了第一道难关。接踵而至的金刚石表征测试，其每一步都极具挑战性。
其中一项最重要的表征方法是横截面透射电子显微镜（cross-sectional TEM），龚燕在进行第一步时就遇到了问题。
由于实验样品颗粒小、不导电，龚燕所在团队难以在样品稳定的情况下对其进行精确切割，以获得所需的TEM样品薄片。此外，团队在进行切割时，使用了聚焦离子束（FIB），FIB的能量如果过高，不仅会直接破坏样品，而且会损毁金刚石及其下方的整个产地区域。
“每次制备这么一个样品，短则需要几周，长则甚至要一到两个月。单是这一项表征，我们就做了15~20次。”龚燕说。
2023年5月12日，团队第一时间投稿给了Nature编辑部。3个月后，收到了第一轮审稿意见。
“审稿意见整体上是正面的，其中一位审稿人虽然提出了钻石生长机理的模拟计算，但是也表示，如果很费时间的话也可以不做。”龚燕告诉《中国科学报》。
通常情况下，课题组在收到一篇文章的审稿意见后，会根据审稿人提出的建议进行实验和修改。然而，导师Ruoff对科研严谨性的苛求似乎已经深入骨髓，面对审稿意见，他坚持要求团队把模拟计算做细。
“在我们组，导师和我们强调‘不要看审稿人意见。如果你只围着审稿人的意见行事，你的文章是要被拒的。不能为了发文章而发文章’。” 龚燕说。
于是，龚燕和导师Ruoff、该研究的通讯作者之一罗达，以及他们所合作的计算课题组教授和3名博士后，组成7人团队，每周三定期开会讨论模拟计算，一直持续了4个月才完成。
2023年12月22日，团队向Nature编辑部递交了审稿意见回复。再次等待3个月后，论文被顺利接收了。
当龚燕再次回忆这项研究的经历，她告诉《中国科学报》：“这个项目实际上是站在前人铺垫的肩膀上，在同组组员们和导师的支持帮助下，最终获得了成功。这个成功不仅是我一个人的，也是全课题组的。”
像孩童一样思考
无论是选择研究课题还是专业，龚燕做决定一向都颇为果敢。
龚燕本科就读于福州大学。从小，她的家人一直致力于培养她的艺术天赋，让她学习舞蹈和钢琴。然而，身为艺术生的龚燕从不认为自己有音乐天赋，面对家庭期望，她产生了强烈的逆反心理。
上高中时，龚燕并未选择与艺术相近的文科，而是毅然决然地选择了自己“一窍不通”的理科。因为在她看来，“既然要做选择，就要选差异最明显的。”
2017年，龚燕进入厦门大学材料学院生物科学系攻读硕士学位。而后在厦门大学及硕士导师詹达的支持下，来到UNIST访问学习，并接手常压制备金刚石的课题。
2020年秋季，龚燕从厦门大学获硕士学位，2022年春季重返UNIST，这次是攻读博士学位，并成为了Ruoff的学生。今年5月，龚燕顺利通过了博士学位毕业答辩，她在朋友圈宣布了这个好消息，并附言道：“是终点，也是新的起点。”
龚燕（右）和导师Ruoff（中），以及罗达（左）的合照。
回顾自己的科研经历，龚燕坦言，她的科研心态发生了显著的改变。
“以前，我作为访问学者来到这里时，心浮气躁，而且心理包袱很大，总想着我代表厦门大学，一定要做出成绩，不要辜负母校和硕士导师的期望。”龚燕说。
但是，在导师Ruoff的影响下，现在的她学会了以沉稳和“玩”的心态去做科研。
“导师常说‘think like a child’（像孩童一样思考），只有这样才能做好科研。我觉得我现在的风格非常像他。”龚燕说。
这种心态的转变让龚燕不再执着于结果，而是享受科研的过程。她逐渐变得平和和佛系，不再急于求成，而是投入到实验和研究本身，反而取得了更大的成果。
提及自己如何处理科研工作带来的压力和焦虑，龚燕向《中国科学报》透露了自己的一个小爱好。
“当我每次感到心烦意乱，或因为研究结果苦恼时，总是会驱车去一座离学校大约半个多小时车程的寺庙。倒不是说一定要去求什么，我总觉得寺庙有股神奇的力量，从我踏进去的那一刻开始，溪流的水声会瞬间抚平我的内心，让我放松下来。”
如今，龚燕仍然保持着这个小爱好，时不时就会跑去寺庙感受心的平静。因为在她看来，只有平静下来，才能真正专注于一件事情，并取得更好的科研成果。
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07339-7
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