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纳米发电草 ?九三学社社员、西南交大杨维清教授及其团队把纳米能源玩成花

来源:西南交通大学微信公众号      日期:2017-07-12    

“巧妙!很有创新性!”国务院副总理刘延东5月20日在参观2017年全国科技活动周暨北京科技周主场活动时,对展出的关于风能收集的草坪状摩擦纳米发电机(简称纳米发电草)表现出浓厚兴趣。纳米发电草是由九三学社社员、四川省“千人计划”入选者、西南交大材料科学与工程学院杨维清教授课题组和美国佐治亚理工学院王中林院士合作发明的。

能源是人类生存、发展的基础,人类正面临着日益严重的能源短缺和环境破坏问题。在此背景下,发展绿色能源对于保障能源安全、促进环境保护、减少温室气体排放、实现国民经济可持续发展具有重要意义。杨维清对这一点有着清醒的认识,为此,他组建纳米能源课题组,展开了持续研究,并取得了系列成果。

把纳米能源玩出花样

师从王中林院士的杨维清抓住了这个新时代下萌生的契机,并在学成回国后一直致力于研究纳米能源材料与微电子集成器件、超级电容器与锂电池储能器件和光电子材料与器件的研究。凭着创新的心,杨维清带领课题组把纳米能源玩出了花样。

得到刘延东副总理称赞的纳米发电草是一种制作工艺简单、成本低廉、柔性的透明纳米摩擦发电草坪。据统计,如果将10层纳米发电草铺在300平米的房顶,预计可输出的电能足以支撑室内照明。杨维清说,这为传统的绿色能源开发提供了新思路。

智能可穿戴设备也是目前国内外研究的热点之一,如何将自己的研究成果应用进去?杨维清设计了一款“智能安全帽”。该安全帽可结合纳米摩擦发电和电磁发电的优点,收集人走动产生的振动能,转化成电流、电压都很稳定的电源。在无特殊情况时,可以照明,在遇到矿难时,它能够经无线发射装置将被困人员准确位置发射出去,便于营救。“这一发明受到了很多关注,有很多公司正在与我接洽”,谈到自己的研究成果广受认可,杨维清笑容满面。

创新,让一个想法创造无限可能。基于纳米材料,杨维清课题组还研究出了“车流量检测仪”和“智能键盘”等运用纳米能源自我供电的设备。源源不断的巧妙想法和创新思维让他所做的工作很快便被美国国家自然基金委(NSF)、Newscientist等近10家媒体专题报道,同时也受到国内外多家知名媒体的关注。

“无源无线安全监测系统”的研制是目前杨维清课题组的主要研究项目。其实早在杨维清在美国随王中林进行博士后研究时,他就想着如何能将自己的研究切入到目前飞速发展同时也是交大实力最强的轨道交通领域中。“轮对高速旋转时的安全监测是现今轨道交通领域的一个世界级难题!”杨维清解释道,“现有技术是通过在轮对上打孔,将线路引进去,再通过集流环把电源引入,但该项技术目前仅局限于实验室试验。”

而我们的‘无源无线安全监测系统’恰恰弥补了现今轨道交通安全监测技术上的空缺。”这一监测系统的工作模式大致可分为“能量采集”、“能量储存”和“无线发射”:膜状的纳米发电机在轮对一体化生产时就喷涂在轮对两侧,采集轮对高速运转时的机械能转化为电能,超级电容器则“水杯式”地将电能积少成多,“有的放矢”地为无线传感器提供稳定电源,并用无线射频技术将数据传输出来。故完全不需要电源供给就可以使得这一整套监测系统的能源自给自足,真正做到节能环保。该项目为高速列车关键部件服役行为的无源无线实时监测提供了革新式的技术解决方案,具有重要的战略地位和前瞻性。

实验设备我们自己造

课题组教师张海涛回忆说:“有次,一个几吨重的设备到了,杨老师立刻招呼大家一起把设备吭哧吭哧地扛上了四楼,等设备搬完,杨老师这才发现新买的裤子坏了。”张海涛认为,杨维清这种实干到底的工作态度感染着团队里的每一个人,艰苦奋斗、自力更生的延安精神渐渐成为团队前进的风向标。

“科研经费是有限的,我们要把每一分钱都花到刀刃上”,因此,杨维清把大多数的钱花到了设备上。在杨维清的实验室里,仪器设备摆得满满当当的,很多设备的外形并不美观,一看就不像是厂家生产的成型设备,但杨维清却骄傲地说:“自己动手,丰衣足食!我们的大多数设备都是学生亲手搭造的,我在这些设备上都刻上了学生的名字。”比如实验室的主要仪器——电晕极化装置的外壳上就清晰地刻着博士研究生张彬彬的名字和设备的搭建日期。

要知道用各种网上购买的零件由学生自行搭建设备花费的价钱,有时仅是一些厂家卖的成型设备价格的1/10。“像那台静电纺丝系统,从厂家买要花近十万,而我们自己买零件组装起来前前后后只花去了一万五”,杨维清自豪地说。

在善用经费的同时,学生们的动手能力大大提高了,“一些机械专业的学生过来参观时,都大为震惊”,杨维清对此很是骄傲。他认为,眼高手低是当代大学生普遍存在的现象,培养动手能力是团队建设的重中之重。学生花上几个月、大半年时间,想方设法搭建设备的过程,就是锻炼自己动手能力的过程。

这也符合他一贯的教育理念——“先造火车头,再造火车尾”,“火车头”是项目,“火车尾”是知识,即是以项目实践引导学生按需学习,激发科研兴趣,然后通过理论教学将学生的层次不断提高。杨维清解释道:“我们要做的不是将学生要学的全部手把手教授,而是针对学生各自的特点对其思维方式进行引导,让学生由以前的被动接受式的学习转变为主动获取式的学习。”

机会来了就要死死抓住

杨维清在课题组搭建过程中,十分注重文化建设。除了延安精神,他还有一个法宝——狼性文化。杨维清常说:“每个人的机会就那么几次,一旦来了,就要死死抓住,越有困难,越要向上!”因此,杨维清提倡团队中要有狼性文化,“团队作战能力固然重要,但单兵作战能力同样不可或缺”,团队内部竞争意识的培养能够让整个团队动力十足。他要求,团队里不论老师还是学生,对困难要“残忍”,毫不留情,绝不手软;对工作要有“贪性”,永无止境地去拼搏、探索。他说,群体奋斗意识能让整个团队拧成一股努力向上的劲,激发出意想不到的潜能。

在杨维清带领下,课题组自2014年起,从1个人到20余人,实验平台不断完善,成果丰硕。据介绍,杨维清培养的博士研究生张磊几乎获得了交大的所有荣誉,一年内各类奖学金累计达15万元,其发表的关于“纳米发电草”的文章也被世界知名科普类杂志“new scientist”专题报道。另外,课题组张海涛老师在去年年底受聘西南交通大学“雏鹰学者”岗位,并获2016年度中科院百篇优秀博士论文奖。

短短3年时间里,杨维清团队搭建了各类研究平台,目前已在国际顶级期刊以交大为第一单位已发表20余篇高影响因子文章,其中绝大多数为中科院1区,IF>10高影响因子6篇。ESI高被引论文6篇,其中以西南交通大学为第一单位的高被引论文2篇。团队发表的一篇文章刊登于国际顶尖杂志《Advanced Materials》,影响因子达到19.791,3次上榜ESI高被引论文,受到了国家自然科学基金、四川省千人计划项目、Hightower Chair 基金以及国家千人计划等项目的支持。

谈到自己带领学生取得的成就时,杨维清指着办公桌面前的墙壁开怀地说,“我想把每一个毕业学生照片贴在墙上,等我退休后,看看我培养的学生们,这将是一个老师的最大幸福。”

“非常感谢学校给予我的大力支持,让我有了这样的平台。我很幸运,也很满足。”对于科学研究,杨维清如同一座活火山,对科研强烈的兴趣支持着他不断前行,创意不时喷薄而出。科研道路上,他有着自己的企图心,“我要将我的团队带进全国知名乃至世界闻名的行列!这是我一直以来的理想,也是我人生的终极目标!”掷地有声的话语和充满自信的目光让人不得不相信,在这位年轻老师的身上,有着无穷的能量等待释放。