文｜《中國科學(xué)報(bào)》見習(xí)記者 杜珊妮

自從接手這個(gè)課題已經(jīng)過去4年了，龔燕的研究進(jìn)度仍然停滯不前。

“沒有任何人可以和你保證，文章一定能投到一個(gè)高影響因子的期刊上。我的導(dǎo)師不能保證，我自己心里也沒底。我不確定這項(xiàng)研究一定能做出來，并且有個(gè)好的結(jié)果?！饼徰嗾f。

在這4年里，她幾乎沒有任何文章產(chǎn)出，迷茫、焦慮、自我懷疑等負(fù)面情緒日復(fù)一日地充斥著她的內(nèi)心，無數(shù)次萌生出想要放棄的念頭。在此期間，看不到希望的龔燕還曾做好了轉(zhuǎn)換研究方向的準(zhǔn)備，加入另外一個(gè)課題組，開啟一段新的科研旅程。

然而，在導(dǎo)師以及同課題組成員的鼓勵(lì)下，龔燕保留了內(nèi)心的那份倔強(qiáng)：“我做了那么長時(shí)間沒有結(jié)果，為什么我不能再堅(jiān)持一下 ，萬一有呢？”

龔燕。

功夫不負(fù)有心人。終于，在不懈地努力之后，4月24日龔燕迎來了人生中第一篇Nature論文。在這項(xiàng)“死磕”6年的研究成果中，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了金剛石的常壓生長，打破了高溫高壓制備金剛石的傳統(tǒng)范式。該制備方法使用由鎵、鐵、鎳和硅組成的液態(tài)金屬，在1個(gè)大氣壓和1025°C的溫度條件下進(jìn)行，有望為金剛石薄膜的生產(chǎn)開創(chuàng)一條成本更低的道路。

韓國國立蔚山科學(xué)技術(shù)院（UNIST）博士生龔燕為該論文第一作者。該校特聘教授、韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所（IBS）多維碳材料中心主任Rodney S. Ruoff、IBS終身教職研究員羅達(dá)，以及高級研究員Won Kyung Seong為該論文的通訊作者。

Nature論文截圖。

接手一個(gè)“大難題”

2018年，Rodney S. Ruoff受邀來到廈門大學(xué)作學(xué)術(shù)報(bào)告。當(dāng)時(shí)在廈大材料學(xué)系讀碩士一年級的龔燕，對其研究內(nèi)容產(chǎn)生了濃厚的興趣。在碩士導(dǎo)師詹達(dá)的推薦下，她向Ruoff報(bào)告了自己的研究方向，獲得了前往韓國訪問學(xué)習(xí)的機(jī)會。

早在十幾年前，就職于美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Ruoff曾率領(lǐng)當(dāng)時(shí)的研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)表了全球首創(chuàng)的石墨烯（SP2碳材料）的兩種制備工藝：氧化石墨烯，以及化學(xué)氣相沉積（CVD）在金屬銅上大面積生長石墨烯。

這兩項(xiàng)突破性的工作，不僅開創(chuàng)了石墨烯制備領(lǐng)域的新局面，也進(jìn)一步引發(fā)了Ruoff對SP3碳材料——金剛石的關(guān)注，開啟了常壓制備金剛石的研究課題。

眾所周知，金剛石是地球上已知最堅(jiān)硬的天然材料。天然金剛石誕生于地球地幔層，形成于900~1400°C高溫和5~6GPa高壓的環(huán)境下，通過火山爆發(fā)而被巖漿帶到地表。

目前，人工合成金剛石最主流的方法是CVD和高壓高溫（HPHT）。這兩種方法在受控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，通過模仿金剛石形成的自然條件，能夠生長出1厘米或更大尺寸的人造鉆石。

在龔燕以訪問學(xué)者的身份加入Ruoff課題組時(shí)，組內(nèi)一位擁有豐富的傳統(tǒng)CVD生長金剛石經(jīng)驗(yàn)的博士后一直在負(fù)責(zé)這項(xiàng)課題。然而，這位博士后在做了一段時(shí)間的研究發(fā)現(xiàn)很難有所突破后，選擇放棄“掙扎”，轉(zhuǎn)身投向了其他研究工作，該課題也因此轉(zhuǎn)交到了初來乍到的龔燕手中。

“一開始我非常猶豫，因?yàn)槲矣兴?，這個(gè)課題非常具有挑戰(zhàn)性，即使是這樣資歷深、經(jīng)驗(yàn)豐富的前輩做了很久都沒有取得突破?！饼徰喔嬖V《中國科學(xué)報(bào)》。

憑借著年輕人特有的那股子沖勁，本著“年輕有試錯(cuò)成本”的心態(tài)，龔燕說服了自己，在沒有任何有關(guān)碳材料研究知識和經(jīng)驗(yàn)的背景下，從“0”開始了這項(xiàng)課題。

發(fā)現(xiàn)一個(gè)五彩斑斕的區(qū)域

研究初期，團(tuán)隊(duì)嘗試了用各種新方法來實(shí)現(xiàn)金剛石或類金剛石的常壓制備，但是始終沒有任何重要的突破。

為了克服瓶頸，他們翻閱了近些年來發(fā)表在Science、Nature及其子刊等期刊上有關(guān)碳材料的工作。其中，一項(xiàng)利用液態(tài)金屬作為催化劑，對甲烷、二氧化碳等含碳前驅(qū)體進(jìn)行裂解，從而獲得SP2碳材料的研究，給團(tuán)隊(duì)帶來了靈感——用液態(tài)金屬或許可以生長出SP3的碳材料。

當(dāng)他們決定將鎵滴在硅片上，嘗試催化甲烷在硅片上生長金剛石時(shí)發(fā)現(xiàn)，硅片從邊緣處融入了鎵中，與鎵形成了均勻液相，這個(gè)現(xiàn)象讓他們感到很神奇。

“通過進(jìn)一步查閱硅-鎵相圖，我們發(fā)現(xiàn)，硅和鎵有極高的溶解度。同時(shí)，我們還研究了硅-碳相圖及其原子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)碳化硅是SP3的結(jié)構(gòu)且硅的原子結(jié)構(gòu)與金剛石非常相似，也都是SP3結(jié)構(gòu)。當(dāng)時(shí)，我們就猜測，加入硅可能會幫助金剛石的成核生長?！饼徰嗾f。

抱著這一想法，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多次試驗(yàn)和優(yōu)化。最終，在2022年8月22日這一天，龔燕接手這項(xiàng)課題的第5年，研究首次有了實(shí)質(zhì)性的突破進(jìn)展。

“我清楚地記得，那天當(dāng)我使用裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，冷卻并取出已凝固的液態(tài)金屬，用光學(xué)顯微鏡觀察樣品底部時(shí)，第一次看到了一些五彩斑斕的區(qū)域。當(dāng)時(shí)，我心想這不會是鉆石吧！”龔燕回憶道。

對于龔燕而言，幸福來得太突然，讓她感到有些不可置信。

龔燕第一次在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)疑似金剛石成分的影像。

全新的金剛石生長機(jī)理是這項(xiàng)研究的亮點(diǎn)之一。在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)自制了一個(gè)使用焦耳加熱為原理的冷壁真空系統(tǒng)。其中，該設(shè)備中有兩個(gè)電極，中間連接著一個(gè)用來裝載各種金屬催化劑混合物的石墨坩堝。

生長金剛石的實(shí)驗(yàn)裝置。圖源：Nature論文

在實(shí)驗(yàn)過程中，研究團(tuán)隊(duì)在液態(tài)合金的亞表層，即距離表面大約幾十納米到幾百納米之間，發(fā)現(xiàn)了前所未有的碳超飽和現(xiàn)象，這是金剛石成核的關(guān)鍵之一。

“石墨坩堝中的溫度階梯會帶動碳原子或碳簇（例如C2、C3）在亞表層內(nèi)發(fā)生擴(kuò)散遷移。當(dāng)碳原子的濃度達(dá)到一定程度，即形成所謂碳超飽和現(xiàn)象，此時(shí)碳原子濃度達(dá)到符合金剛石成核的濃度條件，從而創(chuàng)造了金剛石的生長條件。此時(shí)， 1到2個(gè)硅原子的加入，在適當(dāng)?shù)臏貐^(qū)（1025°C），就會引發(fā)金剛石的成核。成核一旦發(fā)生，金剛石就會迅速生長。”龔燕解釋道。

當(dāng)龔燕再次提及硅在鉆石新生長過程中的關(guān)鍵性發(fā)現(xiàn)，她說：“就是量變產(chǎn)生質(zhì)變，不停地去試，什么可能就試什么，然后突然就成了?！?/p>

然而，生長出鉆石只是攻克了第一道難關(guān)。接踵而至的金剛石表征測試，其每一步都極具挑戰(zhàn)性。

其中一項(xiàng)最重要的表征方法是橫截面透射電子顯微鏡（cross-sectional TEM），龔燕在進(jìn)行第一步時(shí)就遇到了問題。

由于實(shí)驗(yàn)樣品顆粒小、不導(dǎo)電，龔燕所在團(tuán)隊(duì)難以在樣品穩(wěn)定的情況下對其進(jìn)行精確切割，以獲得所需的TEM樣品薄片。此外，團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行切割時(shí)，使用了聚焦離子束（FIB），F(xiàn)IB的能量如果過高，不僅會直接破壞樣品，而且會損毀金剛石及其下方的整個(gè)產(chǎn)地區(qū)域。

“每次制備這么一個(gè)樣品，短則需要幾周，長則甚至要一到兩個(gè)月。單是這一項(xiàng)表征，我們就做了15~20次?！饼徰嗾f。

2023年5月12日，團(tuán)隊(duì)第一時(shí)間投稿給了Nature編輯部。3個(gè)月后，收到了第一輪審稿意見。

“審稿意見整體上是正面的，其中一位審稿人雖然提出了鉆石生長機(jī)理的模擬計(jì)算，但是也表示，如果很費(fèi)時(shí)間的話也可以不做?！饼徰喔嬖V《中國科學(xué)報(bào)》。

通常情況下，課題組在收到一篇文章的審稿意見后，會根據(jù)審稿人提出的建議進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和修改。然而，導(dǎo)師Ruoff對科研嚴(yán)謹(jǐn)性的苛求似乎已經(jīng)深入骨髓，面對審稿意見，他堅(jiān)持要求團(tuán)隊(duì)把模擬計(jì)算做細(xì)。

“在我們組，導(dǎo)師和我們強(qiáng)調(diào)‘不要看審稿人意見。如果你只圍著審稿人的意見行事，你的文章是要被拒的。不能為了發(fā)文章而發(fā)文章’?！?龔燕說。

于是，龔燕和導(dǎo)師Ruoff、該研究的通訊作者之一羅達(dá)，以及他們所合作的計(jì)算課題組教授和3名博士后，組成7人團(tuán)隊(duì)，每周三定期開會討論模擬計(jì)算，一直持續(xù)了4個(gè)月才完成。

2023年12月22日，團(tuán)隊(duì)向Nature編輯部遞交了審稿意見回復(fù)。再次等待3個(gè)月后，論文被順利接收了。

當(dāng)龔燕再次回憶這項(xiàng)研究的經(jīng)歷，她告訴《中國科學(xué)報(bào)》：“這個(gè)項(xiàng)目實(shí)際上是站在前人鋪墊的肩膀上，在同組組員們和導(dǎo)師的支持幫助下，最終獲得了成功。這個(gè)成功不僅是我一個(gè)人的，也是全課題組的?！?/p>

像孩童一樣思考

無論是選擇研究課題還是專業(yè)，龔燕做決定一向都頗為果敢。

龔燕本科就讀于福州大學(xué)。從小，她的家人一直致力于培養(yǎng)她的藝術(shù)天賦，讓她學(xué)習(xí)舞蹈和鋼琴。然而，身為藝術(shù)生的龔燕從不認(rèn)為自己有音樂天賦，面對家庭期望，她產(chǎn)生了強(qiáng)烈的逆反心理。

上高中時(shí)，龔燕并未選擇與藝術(shù)相近的文科，而是毅然決然地選擇了自己“一竅不通”的理科。因?yàn)樵谒磥恚凹热灰鲞x擇，就要選差異最明顯的?！?/p>

2017年，龔燕進(jìn)入廈門大學(xué)材料學(xué)院生物科學(xué)系攻讀碩士學(xué)位。而后在廈門大學(xué)及碩士導(dǎo)師詹達(dá)的支持下，來到UNIST訪問學(xué)習(xí)，并接手常壓制備金剛石的課題。

2020年秋季，龔燕從廈門大學(xué)獲碩士學(xué)位，2022年春季重返UNIST，這次是攻讀博士學(xué)位，并成為了Ruoff的學(xué)生。今年5月，龔燕順利通過了博士學(xué)位畢業(yè)答辯，她在朋友圈宣布了這個(gè)好消息，并附言道：“是終點(diǎn)，也是新的起點(diǎn)?！?/p>

龔燕（右）和導(dǎo)師Ruoff（中），以及羅達(dá)（左）的合照。

回顧自己的科研經(jīng)歷，龔燕坦言，她的科研心態(tài)發(fā)生了顯著的改變。

“以前，我作為訪問學(xué)者來到這里時(shí)，心浮氣躁，而且心理包袱很大，總想著我代表廈門大學(xué)，一定要做出成績，不要辜負(fù)母校和碩士導(dǎo)師的期望?！饼徰嗾f。

但是，在導(dǎo)師Ruoff的影響下，現(xiàn)在的她學(xué)會了以沉穩(wěn)和“玩”的心態(tài)去做科研。

“導(dǎo)師常說‘think like a child’（像孩童一樣思考），只有這樣才能做好科研。我覺得我現(xiàn)在的風(fēng)格非常像他?！饼徰嗾f。

這種心態(tài)的轉(zhuǎn)變讓龔燕不再執(zhí)著于結(jié)果，而是享受科研的過程。她逐漸變得平和和佛系，不再急于求成，而是投入到實(shí)驗(yàn)和研究本身，反而取得了更大的成果。

提及自己如何處理科研工作帶來的壓力和焦慮，龔燕向《中國科學(xué)報(bào)》透露了自己的一個(gè)小愛好。

“當(dāng)我每次感到心煩意亂，或因?yàn)檠芯拷Y(jié)果苦惱時(shí)，總是會驅(qū)車去一座離學(xué)校大約半個(gè)多小時(shí)車程的寺廟。倒不是說一定要去求什么，我總覺得寺廟有股神奇的力量，從我踏進(jìn)去的那一刻開始，溪流的水聲會瞬間撫平我的內(nèi)心，讓我放松下來。”

如今，龔燕仍然保持著這個(gè)小愛好，時(shí)不時(shí)就會跑去寺廟感受心的平靜。因?yàn)樵谒磥?，只有平靜下來，才能真正專注于一件事情，并取得更好的科研成果。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07339-7

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