孫雅琴

趙懷周

能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)。我國擁有著世界第二大能源系統(tǒng)，但同時也有著龐大的人口，能源供需正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，常規(guī)能源資源僅占世界總量的10.7%，人均能源資源占有量遠(yuǎn)低于世界平均水平。隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加快，世界能源短缺和枯竭已經(jīng)成為每個國家不容忽視的問題，嚴(yán)重制約著社會長期穩(wěn)定發(fā)展。在這一背景下，全球各國對新型環(huán)保能源替代材料的重視度不斷提升。

20世紀(jì)90年代以來，熱電材料的研究成為材料科學(xué)的一個研究熱點(diǎn)。熱電材料的應(yīng)用不需要使用傳動部件，工作時無噪聲、無排棄物，和太陽能、風(fēng)能、水能等二次能源的應(yīng)用一樣，對環(huán)境沒有污染，并且這種材料性能可靠、使用壽命長，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的環(huán)境友好材料。幾十年來，各國科研工作者在熱電材料的開發(fā)應(yīng)用中，做出了諸多開拓性探索，而這其中更不乏中國科學(xué)家的身影。中國科學(xué)院物理研究所研究員趙懷周及其科研團(tuán)隊(duì)就是其中的優(yōu)秀代表。

瞄準(zhǔn)我國的能源現(xiàn)狀，趙懷周長期從事熱電材料、熱電輸運(yùn)新機(jī)制、熱電器件與應(yīng)用系統(tǒng)研究。他和研究團(tuán)隊(duì)將基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究相結(jié)合，服務(wù)于祖國的工業(yè)發(fā)展及人民生活。在打通相關(guān)材料與器件產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的道路上，他們孜孜不倦，求索不輟，力求用科研成果為我國社會及能源發(fā)展注入新的動力。

遠(yuǎn)渡重洋，汲取先進(jìn)科研思想

21世紀(jì)初，我國的科學(xué)研究事業(yè)發(fā)展得如火如荼。當(dāng)時為了能夠接受到更多先進(jìn)的科研思想，很多青年學(xué)子決心走出國門，開闊自己的研究視野。彼時的趙懷周剛從中國科學(xué)院物理研究所獲得博士學(xué)位，便懷著接受國外先進(jìn)科研思想的決心，漂洋過海，來到了美國波士頓學(xué)院物理系從事博士后研究工作。

在那里，趙懷周師從任志鋒教授開展科研工作。“任教授對于納米科技、化學(xué)、生物傳感器和新能源方面的研究都有著充足的經(jīng)驗(yàn)，在研究中他也會根據(jù)每位學(xué)生的研究優(yōu)勢與特點(diǎn)，讓學(xué)生充分發(fā)揮自身的潛能開展研究工作?！壁w懷周說。

在任志鋒教授的課題組中，匯集了來自美國、印度、尼泊爾等國的科研工作者。沉浸在各國研究學(xué)者互相交流、互相學(xué)習(xí)的氛圍中，趙懷周度過了一段難忘的科研之旅。博士后階段初期，趙懷周主要從事納米器件的相關(guān)研究工作，在任志鋒教授的引領(lǐng)下，他在相關(guān)領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時也取得了一些創(chuàng)新性科研成果?；谮w懷周先前在研究中所打下的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，任志鋒教授結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景，建議其接觸一些熱電領(lǐng)域的研究工作。

“科研人深耕一個領(lǐng)域，往往需要10年或者更久才會有很大的成果積累。”因此，最初趙懷周在更換研究方向前，也有一些遲疑。但經(jīng)過反復(fù)衡量，他還是決定勇敢跳出“舒適區(qū)”，開始在熱電材料領(lǐng)域開展一段全新的旅程。通過在這一研究領(lǐng)域深耕，他愈加體會到了熱電材料研究的意義，并決心在這一方向中努力前行下去。

創(chuàng)新不倦，科研報(bào)效祖國

能源問題是21世紀(jì)的重大課題。近十幾年來，我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與能源需求之間的關(guān)系，越來越受到全社會的關(guān)注。在趙懷周看來，能源問題無小事，相關(guān)能源材料的探索更是迫在眉睫。伴隨著越來越多的中國科研團(tuán)隊(duì)投入到這一領(lǐng)域研究中，我國的熱電材料也在這十幾年的科研進(jìn)程中發(fā)展得如火如荼。

“雖然熱電材料在清潔能源里邊屬于一個小眾領(lǐng)域，但是中國的很多科研團(tuán)隊(duì)都做得非常有特色?！壁w懷周說。正是在這一大背景下，從國外學(xué)成歸國的趙懷周開始在自己的“母?！薄袊茖W(xué)院物理研究所繼續(xù)開展熱電材料、熱電輸運(yùn)新機(jī)制、熱電器件與應(yīng)用系統(tǒng)研究，以服務(wù)于祖國熱電材料領(lǐng)域的發(fā)展。

根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2021年中國熱電材料行業(yè)經(jīng)營數(shù)據(jù)監(jiān)測及發(fā)展前景展望分析報(bào)告》，熱電材料在電子制冷、汽車尾氣處理、特殊電源、余熱發(fā)電、精密制冷器件等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。全球范圍內(nèi)，從事熱電材料研究和生產(chǎn)的企業(yè)有KELK、MELCOR、RMT等。而在中國，中國科學(xué)院物理研究所則是最早研究半導(dǎo)體熱電材料的單位。從2014年回國到現(xiàn)在，趙懷周一直根據(jù)我國的能源發(fā)展及熱電材料應(yīng)用現(xiàn)狀，全神貫注地投身到科學(xué)研究之中，開展了諸多創(chuàng)新性科研探索。

生活中有許多耗費(fèi)能源生成卻又被廢棄的熱能，例如汽車尾氣、工廠鍋爐排放的氣體等。如果能將這些熱能善加利用，即可再次成為可用能源。雖然熱電材料是一類可直接實(shí)現(xiàn)熱能與電能轉(zhuǎn)換的材料，在廢熱利用領(lǐng)域極具潛力，但是，現(xiàn)有熱電材料組裝的發(fā)電器件效率偏低，無法滿足能源利用需求，迫切需要變革性技術(shù)開發(fā)出新概念熱電材料與器件，破解低品位熱能利用難題?！耙话銇碚f，在工業(yè)生產(chǎn)中，300℃以下熱能很難進(jìn)行高效發(fā)電，如果能將這一區(qū)域內(nèi)的熱能進(jìn)行回收利用，對我國的能源發(fā)展是大有裨益的。”趙懷周說。

在這一背景下，趙懷周主持了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題“基于激光誘導(dǎo)的低維異質(zhì)界面熱電薄膜的快速制備與性能調(diào)控”。在這一項(xiàng)目的支撐下，趙懷周和團(tuán)隊(duì)成員們將利用研究激光與熱電材料之間的吸收與能級匹配關(guān)系，發(fā)展激光誘導(dǎo)物理氣相沉積技術(shù)及相關(guān)工藝；研究工藝參數(shù)與高取向結(jié)構(gòu)調(diào)控的相關(guān)性；揭示激光能量密度、脈寬、重頻、波長、加載時間等激光參數(shù)對薄膜非平衡態(tài)定向生長的影響規(guī)律；構(gòu)建薄膜微觀結(jié)構(gòu)與熱電性能之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)高性能熱電薄膜的快速制備。

“我們的目標(biāo)就是要把熱電器件的能量轉(zhuǎn)換效率做到10%，雖然這一目標(biāo)從理論上講是可行的，但實(shí)際上要做到這一目標(biāo)尺寸，難度還是很大的，目前我們已經(jīng)可以將器件的能量轉(zhuǎn)換效率做到8%、9%這樣一個水平，還在無限接近最終目標(biāo)。”趙懷周說。目前這一項(xiàng)目還在穩(wěn)步進(jìn)行中。

除此之外，趙懷周團(tuán)隊(duì)近期在基于新材料的下一代高性能熱電制冷模塊方面取得重要成果，文章很快被能源類頂級刊物Joule接受，編輯評價(jià)“We look for breakthrough research that has real-world energy impact and influence, and we feel there is a case here, particularly in view of the high performance and robust stability that you report（我們一直尋找在能源領(lǐng)域里具有現(xiàn)實(shí)影響力的突破性工作，這項(xiàng)工作就是一個范例，特別是在器件的高性能和穩(wěn)定性方面）”。

頂天立地，將科研成果落地生根

縱觀國際熱電材料領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，中國的熱電材料技術(shù)研究，在全世界處于領(lǐng)先地位，國內(nèi)從事相關(guān)領(lǐng)域研究的科研工作者，也是世界上最多的。但在多年的研究探索中，一些“卡脖子”問題至今還制約著我國在熱電材料領(lǐng)域的發(fā)展?！霸跓犭娭评溥@個方向中，我們在高端材料和器件的研發(fā)中還有極大的提升空間，以至于關(guān)鍵器件仍在受國外制約?！壁w懷周說。

認(rèn)清形勢及我國在熱電材料領(lǐng)域所處的短板，才能更好地解決問題。多年來在科研道路上摸爬滾打，趙懷周始終認(rèn)為科研技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)化成果是研究的重要組成部分。在他看來，科學(xué)研究的頂天立地，不僅是能真正解決實(shí)際問題，更要在科研的高度上進(jìn)行引領(lǐng)。“科研成果要么在書架上要么就在貨架上。”趙懷周真摯地說。而他和研究團(tuán)隊(duì)一直致力的便是——用科研成果真正為社會謀福利。

北京的懷柔區(qū)，天高地廣、偏遠(yuǎn)安靜，在這里的科學(xué)城，趙懷周團(tuán)隊(duì)建立了600平方米的實(shí)驗(yàn)基地，在這個“夢想中的實(shí)驗(yàn)室”里，趙懷周和科研團(tuán)隊(duì)開始大展拳腳。

在這里，趙懷周團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了國內(nèi)首臺熱擠壓碲化鉍材料的試驗(yàn)樣機(jī)?！斑^去我們一直在研究這種被國外‘卡脖子’的新材料，但受限于以前的場地條件，一直沒制作出樣機(jī)?！壁w懷周坦言。自從搬到懷柔科學(xué)城的材料基因組平臺后，趙懷周的團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)空間擴(kuò)大了好幾倍，設(shè)備也是量質(zhì)齊飛，加速了科研成果產(chǎn)出。

在趙懷周的介紹下，記者了解到：熱擠壓碲化鉍材料機(jī)械性能高于常規(guī)區(qū)熔法制備的碲化鉍，可以被切分得非常微小，因此是制作熱電微型芯片的重要材料。但過去，這種材料一直被國外壟斷。而自從趙懷周的團(tuán)隊(duì)“解鎖”了制作這種材料的新技術(shù)后，已經(jīng)有多家熱電芯片制作企業(yè)有意合作。

科研成果的產(chǎn)業(yè)化并不能一蹴而就，產(chǎn)業(yè)一線的形勢更需要實(shí)時跟進(jìn)。為了將科研成果更好地服務(wù)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，即使是假期，趙懷周和課題組的學(xué)生們也會分批輪休，早早回到場地，保證設(shè)備的順利運(yùn)行。在產(chǎn)業(yè)一線遇到一些技術(shù)問題時，他們也會利用自己的專業(yè)優(yōu)勢，幫助企業(yè)解決所遇到的技術(shù)問題?，F(xiàn)如今，趙懷周的科研團(tuán)隊(duì)正在和國內(nèi)的相關(guān)企業(yè)在熱電制冷材料及制冷器件的開發(fā)中展開著友好合作。

科研團(tuán)隊(duì)合影（前排左四為趙懷周）

堅(jiān)持奔跑，和團(tuán)隊(duì)一起協(xié)同攻關(guān)

科研的旅程坎坷常在。最初回國的兩年，趙懷周坦言自己也承受著很大的思想壓力。在他看來，科學(xué)研究是一場長跑，克服困難的方式就是讓自己變強(qiáng)大。每當(dāng)自己被壓力裹挾，趙懷周總是會選擇用長跑的方式，使自己的精神得到放松。如今這一習(xí)慣已經(jīng)堅(jiān)持了5年，每個星期他都會跑四五十公里。慢慢地，趙懷周的心態(tài)愈加平穩(wěn)，腳踏實(shí)地投身科研，也讓他在研究領(lǐng)域收獲了理想碩果。

如今，回首一路走過的科研歷程，趙懷周感慨頗多。在一系列科研成果的背后，趙懷周最感謝的就是自己的團(tuán)隊(duì)成員。作為課題組的帶頭人，趙懷周和李國棟副研究員、朱航天副研究員和鐘韌財(cái)務(wù)助理在團(tuán)隊(duì)中分工合作，目前課題組已經(jīng)發(fā)展到十幾位成員，并承擔(dān)了許多國家級的科研任務(wù)。在趙懷周看來，團(tuán)隊(duì)的科研成果正是大家團(tuán)結(jié)起來共同努力的結(jié)晶。

“沒有團(tuán)隊(duì)成員們互相幫助，很多科研問題是無法解決的。而大家一起攻堅(jiān)克難，成果做得越好也就會有越來越多的資源往團(tuán)隊(duì)匯聚。”趙懷周說。在他看來，這就是一個正向的積累過程。

在此之前，趙懷周在美國求學(xué)時，實(shí)驗(yàn)室的logo是一個鸕鶿口中含著一只青蛙，正當(dāng)鸕鶿要把青蛙吞咽下去時，青蛙的兩只手抓住了鸕鶿的脖子。回國后，趙懷周也將這張圖片打印了下來，貼在了自己的實(shí)驗(yàn)室中，時刻警醒著自己，盡管有時科學(xué)研究的處境艱難，但永遠(yuǎn)不要放棄自己向前探索的希望，就像趙懷周的美國導(dǎo)師說的一樣：“Anytime if I can push science one step further，I will do（任何時候只要我能夠?qū)⒖茖W(xué)往前推動一點(diǎn)，我都會去做這個事情）?！睂τ诳茖W(xué)研究的熱愛及初心，趙懷周始終堅(jiān)定。如今，在實(shí)驗(yàn)室條件愈加完備的狀況下，他也希望自己的學(xué)生們能夠在這樣的科研環(huán)境中，發(fā)揮自己的主觀能動性，做出更多有意義的研究工作。

一直以來，趙懷周所心系的都是整個熱電材料領(lǐng)域的發(fā)展。他深知：我國的熱電材料領(lǐng)域與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的銜接舊存在著很大的短板，很多研究團(tuán)隊(duì)仍在國內(nèi)產(chǎn)業(yè)中仍難以尋找到切入點(diǎn)?？蒲兄?，趙懷周也會經(jīng)常召集一些領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)研究者，舉辦一些熱電材料相關(guān)的會議。除了能在會議上給予更多年輕學(xué)者嶄露頭角的機(jī)會，趙懷周還想借著組織會議的時機(jī)，鼓勵領(lǐng)域內(nèi)的研究工作者不要喪失信心，只要大家腳踏實(shí)地、協(xié)同突破，一定能打通科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用之間的通道。

對于未來，趙懷周及其研究團(tuán)隊(duì)仍舊使命在肩。“近些年來我們已經(jīng)在熱電材料領(lǐng)域，蹚出了一條屬于自己團(tuán)隊(duì)的特色研究道路。今后，我們還希望能夠繼續(xù)將研究聚焦在國家的‘卡脖子’技術(shù)問題上，將研究做實(shí)?！壁w懷周說。除此之外，在基礎(chǔ)研究方面，他們還將在中國科學(xué)院物理研究所這一平臺的支撐下，將研究繼續(xù)扎根，和產(chǎn)業(yè)界碰撞出更大的火花。

在科學(xué)研究的長跑中，趙懷周及其研究團(tuán)隊(duì)健步如飛。