”港“创科25人丨专访香港城市大学化学系讲座教授张华：现代科研要兼顾广度和深度

　　”港“创科25人丨专访香港城市大学化学系讲座教授张华：现代科研要兼顾广度和深度

　　在科幻小说《三体》中，有一种纳米材料“飞刃”，只有头发丝1/10大小，却是小说中搭建太空电梯的关键材料，承载着人类摆脱地球引力的梦想。纳米材料似乎蕴含着无限的可能。

　　爱因斯坦曾预言：“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。” 而纳米科学则是人类进入微观领域的钥匙。纳米材料在电子信息、生物医药、新能源、节能环保、建筑化工、服装纺织等领域中显示出巨大的应用潜能。根据前瞻产业研究院预测，预计至2024年，我国纳米材料产业市场规模将接近2000亿元。

　　“当材料的尺寸从米缩小至纳米时，它的物理化学性质会随之发生较大的变化。纳米材料具有独特的物理、化学、光学性质，可以广泛应用于催化和生物医药等方面。” 香港城市大学化学系胡晓明讲座教授(纳米材料)张华在接受21世纪经济报道专访时表示。

　　张华是纳米材料研究领域的著名学者，其课题组的研究领域涵盖多个前沿交叉学科。目前聚焦在纳米材料相工程（PEN）、精细多级结构的可控外延生长等。张华不仅当选欧洲科学院外籍院士，同时也是亚太材料学院院士，入选“全球最有影响力科学思想名录”和“高被引科学家名单”。

　　纳米技术是用原子、分子作为基本单元来制造纳米尺度物质的科学技术。张华表示，不同的原子排列以及排列方式的差异会导致材料结构的不同，会得到许多不同于常规材料的结构，这为之后材料性质与应用的研究提供无限的可能。“我的兴趣点在于寻找这个世界上难以存在或根本不存在的材料。”

　　1959年12月29日，物理学家理查德·费曼在加州理工学院举行的美国物理学会年度会议上发表对纳米技术的展望演讲中提到“底下还大有可为”（Theres Plenty of Room at the Bottom）。

　　张华表示，利用bottom up（自下而上）的合成方法可以得到很多新奇的材料，科学家可以通过观察分子和原子组装形成结构的过程获得启发。

　　他进一步表示，技术与科学是交互发展的，技术的发展会为科学带来巨大的推动力。观察原子和分子的组装就得益于微米和纳米尺度的观察仪器的出现。

　　在这种自下而上的合成方法的指引下，张华团队提出了“纳米材料相工程”的新理念。“纳米材料相工程”是指不同（晶）相的纳米材料的合理设计、制备以及相转变。材料的结构决定其性质，并决定材料的最终应用。

　　“人工智能驱动的科学研究”已成为全球人工智能新兴前沿。在寻找新材料的过程中，除了科学家自身的理念和经验之外，也可以利用最前沿的人工智能（AI）为其提供帮助。张华曾在论坛中提到，可以利用新兴的人工智能进行材料的筛选和预测。张华指出，随着AI技术的发展，未来纳米材料领域可以采用AI模拟原子排列的过程，从中得到更多的结构，并由此得到启发。如果合成材料性能未达要求，再利用AI模拟结构、微调结构，达到最优性能，这将是未来的发展方向。

　　事实上，除了人工智能与纳米材料领域的结合，纳米科技的发展也离不开与其他学科的合作。近些年蓬勃发展的交叉学科填补了各门学科之间边缘的空白，消除了各学科的脱节现象。

　　物理学家、量子论的创始人M·普朗克曾表示：“科学是内在的整体，被分解为单独的部门不是取决于事物的本质，而是取决于人类认识能力的局限性。实际上存在着由物理学到化学、通过生物学和人类学到社会科学的链条，这是一个任何一处都不能被打断的链条。”

　　张华认为，每个学科都有自身的局限性，各个学科之间的合作会产生协同效应，这有助于学科的发展和创新，交叉点往往是突破和创新之处，这样也有利于科学向前发展。

　　纳米材料领域就涉及很多学科的交叉，涵盖了物理学、化学、生物学等多个领域，由此衍生出纳米毒理学、纳米光学等多个学科。

　　张华认为，现代科研既要做得深也要做得广。科研细化意味着研究要更为深入，现代科研需要不停地深入挖掘现象背后的原因，才能获取具有深度的理解。而学科之间的交叉本身是一种做得更广的方式，学科之间的交叉可以做到合成、表征、应用以及机理解释等方面。

　　学科的交叉也是学术思想的交融。张华指出，单个科学家的能力是有限的，需要通过合作来互相交融，理解与交流。科学家在材料科学研究中所遇到的合成、性质测试以及理论计算等问题都需要与其他科学家合作完成。这也是与不同学科的科学家互相学习的过程。不同学科互相交融所带来的综合性会驱使学科不断地发展。

　　跨学科的合作也为张华带来丰硕的科研成果。2023年，张华所领导的国际团队研发出一种高效的电催化剂，可大幅提升电催化水分解产生氢气的效能，这一重大突破对清洁能源产业具有巨大的应用潜力。论文发表在著名的Nature（自然）期刊上。

　　张华透露，目前有很多公司正在洽谈将这项研究成果进行商业化的事宜。不过他也指出，在实验室中制备的样品与真正的工业应用仍有较大差距，还需要商业公司思考如何将技术进行商业落地。未来有可能将相关技术授权给企业，或是支持学生创办初创公司。

　　张华指出，基础研究最终也希望能够成为产品造福人类。但科学家要明确自身定位，要将有限的时间用于自己最感兴趣以及最擅长之处。他认为，自己还是更希望聚焦于基础研究，因为新材料这类基础研究是应用的根本。

　　为了促进香港创科发展，香港特区政府推出多项措施促进产学研合作。2023年，香港特区政府推出了100亿港元的RAISe+产学研计划，以配对方式资助至少100家研究团队，帮助他们将研究商业化。

　　张华指出，其团队在进行基础研究时，会瞄准一些业界的难点和热点，同时会将一些有应用前景的技术申请专利。在这个过程中，基础研究走在企业前头。基础研究可以以技术支持的方式支持企业发展，通过双方的沟通和反馈，了解企业的需求，再不断改进科研。

　　他表示，在与学术界和业界的沟通过程中，需要有更多的桥梁。一些中介机构可以收集业界的难点和痛点，将这些信息汇总与学术界沟通，让学术界帮忙解决相关问题，这样更能加快技术的转化。

　　《21世纪》：很高兴您能接受我们的采访，首先想请问一下，相较于普通的材料，纳米材料会有什么样的特性？目前在我们生活中有怎么样的运用？

　　张华：纳米是一个长度的单位，相对于米、厘米而言，其大小为10的-9次方米，相当于人的一根头发丝的六万分之一。从材料的角度上来说，我们观察到的都是宏观的大尺度材料。纳米材料在尺寸缩小的过程中，其物理化学性质发生显著变化，相对于bulk材料而言，纳米材料具备独特的物理化学光学性质，可广泛应用于催化、生物、医药等领域。

　　张华：我的研究方向聚焦在材料和化学，寻找世界上难以存在或者根本不存在的材料是我的研究兴趣和方向。随着科技的发展，电子显微镜等设备使得观察纳米材料成为可能，从化学合成的角度，将原子组装在一起可得到多种新材料。

　　因为不同的原子排列的方式，造成材料结构不同。这让我们得到了很多不同于我们（已经）看见的常规材料的结构，这些材料有的时候自然界根本就找不到，或者是难以存在。而原子的排列在常规的材料中，它的能量最低。这其中有很多可调的空间，也为我们创造新材料、研究新的功能和性质及将来的应用带来了无限可能。

　　《21世纪》：在追寻一些世界上本不存在或者难以被发现的材料时，是否需要基于原来的研究经验来寻求新的思路或配合方式，还是重新开辟其它途径？

　　张华：经验和知识的积累对研究是有影响的。1959年费曼发表了一篇非常著名的演讲，他说“在下面（底部）有足够的空间”（There’s Plenty of Room at the Bottom），为纳米科技的发展提供了一些前瞻性的思路。技术和科学是相互发展的，技术的发展有时会带来科学上的推动。利用观察微小尺度的仪器，通过实时观察得到经验，了解分子和原子如何组装形成结构，为新材料的合成提供了启示。这种自下而上的合成方法可以得到许多新奇材料，不同结构导致不同性能，为不同应用提供了可能。

　　《21世纪》：您在2023年北京石墨烯论坛上曾分享过一个用AI来设计新的纳米结构的构想，那AI在未来的纳米研究领域将会扮演一个什么样的角色？

　　张华：科学家对AI的应用越来越重视。在纳米研究中，通过AI模拟原子排列，预测可能的结构，在排列过程中可以获得很多材料，为科学家提供很多启发和指导。如果合成材料性能未达要求，再利用AI模拟结构、微调结构，达到最优性能，这是未来的方向。

　　《21世纪》：假设未来某一天AI技术足够成熟，是否会出现一整套完全由AI技术控制主导的流程？

　　张华：这是可能的，但仍有局限性。如果我们可以建立一套有规则的系统，那么AI的表现可能更佳。但AI能否通过学习再创新，这仍是一个问号。在深度学习方面，需要人类用新的想法来指导AI学习再创新，毕竟人脑是最聪明的。但AI完全取代人类目前看起来暂时不太可能。

　　《21世纪》：很多人说人类的进步可能就靠某几个科学家的灵光一现，例如苯环的发现、牛顿发现地吸引力。您的研究其实跟其他很多学科，包括产业都有很大的关联，那么学科之间的交叉合作会带来什么样的意义？

　　张华：学科交叉非常重要，物理、化学、生物的交叉为科学的发展创造了无限可能。每个学科都有自己的局限性，各个学科之间的合作会产生协同效应，有助于学科的发展和创新，交叉点往往是突破和创新的地方，这样也有利于科学向前发展。

　　张华：科研人员不可能什么都懂，因此跨学科合作非常重要。在前沿科学领域，合作已经成为普遍现象。一篇文章中可能包含很多作者，在学科交叉的过程中，科学家可以促进交流，互相学习，产生突破点和创新，造福人类。

　　张华： 困难是无限的。我们组通常将注意力集中在材料的设计与合成上，合成完成后需要对其性质进行测试与表征，测试其功能与应用。最后需要解释其机理，有时还需要进行理论计算。实际上，这些过程都需要与他人合作。当进行理论计算时，我们经常会寻求一些著名的科学家来进行理论计算和模拟。我们在交叉与合作的过程中相互学习，他们也会了解我们先进的合成理念，而我们也会学习他们通过计算解释为何某个材料具有优异性能。这样的合作可以促使我们不断改进我们的合成手段，获得更好的材料和性能。

　　《21世纪》：一方面是学科之间的交叉，另一方面是一些领域在不断地细化研究方向，这反映了当下科研发展是一个怎样的变化？

　　张华：这反映了科研现在要做得深入又要做得广。现在的科研需要深入挖掘原因、功能和应用，广泛涉猎合成、表征、应用和机理解释。

　　《21世纪》：您在2023年带领团队利用非常规晶相的纳米片合成了一种高效电催化剂，大幅度提升水分解产生氢气的效能，稳定性极为突出。这在清洁能源产业中有巨大应用潜力，能否向我们介绍一下这个研究？

　　张华：这项研究基于“纳米材料相工程”，设计了一种催化剂的载体。作为催化剂的载体，它不仅产氢，可以抓住单原子，高载量的单原子催化剂，同时它的导电性非常好。由于这种协同效应，就构成了符合催化剂的system系统，当载体加上单原子催化剂，它的催化剂的性能非常优异，这相当于我们的“纳米材料相工程”的应用。

　　张华：如果我们的催化剂能够成功应用于氢能产业，对氢能发展和实现“双碳”目标将做出重要贡献。而且，目前已有多家公司与我们洽谈这方面的事宜。

　　张华：由于我们主要从事基础研究，我们能提供技术支持。我们认为催化剂仍需不断改进，因此我们愿意与相关企业合作，提供技术支持或专利许可。学生如果有兴趣创办公司，我们也会全力支持。然而，由于我们所使用的是纳米材料，实验室只能生产少量的催化剂，通常只能达到毫克级。而在真正的工业应用中，可能需要吨级甚至是万吨级的产量。因此，最终的发展还需要与业界的合作伙伴共同思考如何实现规模化生产。当然，我们可以在学校提供一些技术支持。

　　《21世纪》：目前整个香港都在积极推动产学研的转化。有一些人选择像您一样将技术成果提供给企业，还有一些教授则选择亲自创办企业，从事创业。您对这两种模式有何看法？

　　张华：这两种模式都有其优点，实际采用哪种方式取决于科学家自身的定位。个人的成功在于将时间投入到自己最感兴趣、最擅长的领域。对于喜欢创业的教授，也是一种尝试。而我个人更偏向于专注在基础研究上，因为新材料是一切技术的基础。拥有了新技术，再进行开发和利用。当然，正如我刚才所提到的，我们可以通过授权的方式与公司进行合作。而对于学生创业，我们也会全力支持。

　　《21世纪》：请问您认为要如何保持企业和学界之间的沟通，以防止一些研究的商业前景未被发现？

　　张华：对于我们认为有应用前景的基础研究，我们会申请专利使其公开，同时在这一过程中瞄准业界难题。我们的基础研究是走在行业前列，先解决问题。学术界需要与企业保持沟通和合作，在最终与业界合作落地技术时，企业会将一些技术的缺点反馈给我们，我们再进行改进。

　　张华：我们通过发表高质量文章、学校宣传和专利申请等方式来进行宣传。学术报告时，也会有业界人士参加。此外，香港城市大学的HK Tech 300项目也为学生提供创业支持，如一些小额的种子基金，并鼓励学生创业。

　　《21世纪》：香港目前正在积极推动创新科技的发展，促进产学研一体化。您如何评价香港整体的创新科技环境？

　　张华：香港的这个方向是非常对的，不仅在香港，不仅在大湾区，全球范围内都是如此。基础研究经过审视后，能够成为产品造福国家和人类是我们的最终目标。在这个过程中，经验的积累是必要的。与业界更紧密的联系也是推动技术转化的关键。政府和代理机构可以充当学界与业界的桥梁，促进双方更有效地合作。当然，我们还需要更多地了解业界的问题和需求，通过科研尝试来解决，同时学术界和业界可以共同合作，比如通过招收博士生、硕士生，或者企业博士后来解决这些问题。