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第36章 以“聚合”之力勇攀科学高峰(1)

记光电学院电子聚合物与微结构传感器科研团队

现在有这样一种手机:它有超稳定的性能,但是体积却比现在市场所用手机的四分之一还小;它有超高的清晰度,可以拍出比目前最好的相机还好的图片……拥有这样一款手机是很多手机制造商和手机消费者的梦想和荣耀。

在我校就有这样一支创造“光荣与梦想”的团队,他们通过八年的攻关,不但将高端手机、数码相机、高性能笔记本等产品的关键性基础元件——有机片钽式电容器技术攻破,且主要技术经济指标均居于国际领先水平。这个团队就是长江学者、我校光电信息学院院长蒋亚东教授所带领的电子聚合物与微结构传感器科研团队。

令世人更瞩目的成就还在于,这个团队早在18年前就瞄准了一种新型的传感器技术。18年后的明媚春天,他们自豪地宣告,这种目前在国际上尚处首创的“电子聚合物薄膜气湿敏传感器技术”已经获得突破,并广泛地运用于环保、航空等领域,新增利税上千万元。有这样的成绩,人们就不难理解,2008年1月在北京人民大会堂隆重举行的2007年度国家科学技术奖励大会上,作为团队负责人的蒋亚东教授能为团队捧回“国家科技进步二等奖”和“国家技术发明二等奖”两项大奖了。一个人或者说是一个团队在同一年获得两项国家大奖,这在历年国家科技奖的评审中也实属罕见。

在追寻成绩的时候,我们还发现这两个横跨“电子与信息技术”和“敏感电子学与传感器技术”两大领域的研究项目其实却都离不开“聚合物”三个字,可以说两项成就的获得都是从不同的“聚合物”中吸取营养而最终催生了新型传感器和电容器在国际市场的成功问世。研究尚如此,在短短10多年的时间,这支原本单枪匹马的团队何尝不是依靠“聚合”众人的力量,才迎来了今天“花开两朵”的丰硕成果呢!

瞄准前沿——从艰难起步到国际先进

什么是传感器?就拿我们数码摄像头来说吧,传感器是数码摄像头的核心,也是最关键的技术,它是一种用来接收通过镜头的光线并且将这些光信号转换成为电信号的装置。再说得形象一点,它就相当于人体的五官,没有传感器技术,整个智能化系统就没法实现。目前,信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展,都需要在传感器的开发方面有相应的进展,我们国家从“八五”开始,国家计委和科技部把传感器都列入重点发展的高新技术之一。

传感器按照其特性分为物理传感器、化学传感器、生物传感器等。目前传统的无机陶瓷气湿敏传感器不仅工作温度高,要求达到300℃,而且响应慢、精度低、稳定性差,被人形象地评价为“大而不强”。要解决这一问题,找到一种新型材料的新传感器,实现传感器的高灵敏、高选择、快响应、小型化,可谓意义重大。它可以带来的最可观的成效是不仅可以打破国外垄断,促进传感器及相关行业科技进步和产业结构优化升级,而且还可以提高我国的国防科技和企业的整体竞争实力。

而早在1989年,刚刚研究生毕业的蒋亚东和从德国留学归来的导师杨大本教授就瞄准了这一国际前沿的研究课题。也就是从那时候起,在微固楼一个简陋的房间里,蒋亚东走上了他的传感器研究之路。在导师杨大本教授的悉心指导下,蒋亚东的才华很快就崭露出来了,迅速从一个普通的研究人员成长为“电子聚合物及器件实验室”的骨干,并和杨大本教授在前期研究项目“湿度探测元件”与“柔性复合压电铁电效应”上初战告捷,斩获“机电部科技进步奖二等奖”和“四川省科技进步奖一等奖”。

1998年,杨大本教授去世,临走前他将已经成为四川省传感技术工程重点的实验室交给了蒋亚东。这是一份信任,也是一份沉甸甸的责任,年轻的蒋亚东默默地接过恩师交给他的重担,把失去恩师的悲痛藏在心底。他下定决心,一定要干出个名堂来,只有这样才对得起恩师。那时的实验室只有3名教师:一个是吴志明教授,一个是谢光忠副教授,再一个就是蒋亚东自己。而且当时整个实验室全年的科研经费仅有7万元,举步维艰的境况并没有让蒋亚东失去信心,他和同伴们将自己的全部精力都投入到实验室研究和项目开发中。

一次偶然机会,蒋亚东得知国际化学传感会议将在北京召开。抱着对实验室研究方向和科研能力的自信,蒋亚东带着全体课题组成员到北京参加学术会议。他与同事们辗转于各参会单位并介绍和展示他们的实验室和研究课题,向主管的国家机关汇报研究情况和发展前景。一趟辛苦换来了意想不到的大收获,这次开会用了4万元,但第二年,实验室的经费就一跃达到了70万元;2000年实验室乘势而上,科研经费第一次突破百万元,而此时的实验室也被批准为“新型传感器教育部重点实验室”,并在几年之后成为“电子薄膜与集成器件国家重点实验室”的重要组成部分。从此,蒋亚东和他的这支日渐壮大的队伍一步步向信息技术和传感技术的国际先进水平迈进。

与此同时,蒋亚东的眼光又瞄准了另外一个后来让团队夺得国家科技进步二等奖的新方向。一次出去开产品展示会,蒋亚东发现国外研发的手机、笔记本的电容器是用一种新型有机材料制成的,不但体积小而且稳定性强,而国内的同类产品还是用无机材料做的,体积是别人的3倍大,而且稳定性还差。“如果用聚合物导电材料来做呢?或许有望比国外做得更好”。2000年10月10日,瑞典皇家科学院宣布将该年度的诺贝尔化学奖,授予3位在“导电聚合物的发现和发展”方面做出了杰出贡献的科学家,看到这则消息的蒋亚东脸上露出了微笑:自己走的正是一条前沿的研究之路。

在反复思考后,蒋亚东从微固学院找来了从事有机电子材料研发的唐先忠教授;从南京理工大学引进了主要从事光电材料与器件研究的徐建华副教授,向“聚合物导电材料及其在电容器中的应用”这一前沿课题发起了冲击,这一做就是8年。

一边是“电子聚合物薄膜气湿敏传感器技术”的研制,一边是“聚合物导电材料及其在电容器中的应用”的探索,从1998年到2007年,蒋亚东带领他的队友们在人生最辉煌的10年间,在科学研究的大舞台上忙碌着、失败着、艰苦着也收获着……他们向人们证明了中国人也有能力研发出具有国际先进水平的产品。

攻坚不畏难——小器件终成大产业

2005年4月20日,四川中城网络发展有限公司与电子科技大学的高新技术转让协议在我校签署。在蒋亚东的主持带领下,历时四年研发完成的“片式有机固体钽电解电容器及其制备方法”等三项相关技术以380万元成功转让,而这还仅仅只是开端。

在《国家科技进步奖的推荐书》上,我们看到,三年间,这个团队通过技术转让及开发实现效益700多万元,通过生产销售累计新增利税5000余万元,而这样的成效,正是徐建华加盟团队的时候,蒋亚东向他描述的广阔“前景”。“作为团队负责人,蒋院长具有很强的前瞻意识,他带领我们所做的,都是前沿性的研究,即使在此过程中会遇到很多技术难题。”徐建华说,刚刚接手聚合物电极材料这个研究课题时,搞有机材料的他只知道这是一种近年来才发展起来的全新电子信息材料,虽然国内早在10多年前就有单位在用这种材料做电容器,但都还没有做出结果来。“当时国内在该领域的研究主要集中在材料合成、材料特性方面,器件研究较少,聚合物电极材料及相应电容器更是未见报道,相关单体的合成、聚合物薄膜的制备与性能控制、聚合物阴极电容器的制备及生产工艺等方面存在许多难以突破的技术瓶颈。”

骨头虽硬,但也要去“啃”。经过反复的讨论和研究,团队发现,要实现导电聚合物在电容器上的应用,要实现片式固体电容器体积小、容量大、工作温度宽、稳定性好等特点,就要攻破三个关键技术:隔离技术、在线掺杂技术、表面活性技术,而这其中最难的是后两项技术。“芯片做上去以后,相关溶液却始终无法渗透,这样就导致电容器没有容量”。为此,负责在线掺杂技术的徐建华不得不带着他的研究生前往远在贵阳的国营4326厂反复做实验。他常常不得不因为随身携带的关键设备和化学材料而大费周折地向火车站工作人员解释。“有一次,当我们向车站说明完情况以后,那趟车早就开走了十几分钟了”。正如徐建华所说的那样,这是一段艰苦而又无法预计的旅程,远离家人的生活、遥遥无期的成功路,眼看着时间随着实验室里倒掉的溶液一同远去,徐建华焦急而又无奈,一个月、两个月;一年、两年……成功总是姗姗来迟,看着一点一滴慢慢渗透的溶液,徐建华欣喜地给蒋亚东打了一个电话。

“化学是一种很奇妙的东西,有时候可能你一下就得到结果了,但有时候失败很多次也得不到想要的结果”。负责表面活性技术的唐先忠虽然没有像徐建华一样远走他乡,但是却一样为温度催化剂的调和、容积比熬白了头发。“那时候甚至每天晚上睡觉都在想失败在哪里,就怕投了钱、费了时间、花了人力却做不出来”,唐先忠说。为此,蒋亚东带着他不断地去考察市场需求,研究材料的合成。整整做了3年时间,失败了无数次,电容器材料的关键技术才成功攻破,产率达到了50%,“做研究就是这样,失败的次数永远比成功多。”

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