王中林：傾數十年打造納米能源研究體系

編者按：

2022年，中國科學院北京納米能源與系統研究所迎來了10歲生日。

如果說我們通常所見的研究所就像一片小森林，每個課題組都是一棵“樹”，那么這個特立獨行的北京納米能源與系統研究所，更像是一株“獨木成林”的大榕樹，郁郁蔥蔥之下，幾乎所有專業方向的枝芽都系出同根。

而這根系，就是所長兼首席科學家王中林院士傾數十年打造的納米能源研究體系。

攝影/甘涵臣

燕山南麓，北京懷柔。

風從四野吹來，拂過一望無際的玉米田，發出蕭蕭瑟瑟的聲音。

王中林在北方農村長大，這樣的景象他并不陌生，但這一刻的感覺卻如此不同。

他那年51歲，簡歷上連綴著一串歐美頂尖高校和實驗室的大名，接連斬獲過美國顯微鏡學會巴頓獎章、美國化學學會S·T·L獎金、美國陶瓷學會普帝獎及埃瓦德奧頓紀念獎、美國材料學會獎章和美國物理學會詹姆斯馬克顧瓦迪新材料獎，是世界少有的集齊美國五大學會獎的學者。人們介紹起他來，總是歐洲科學院院士、中國科學院外籍院士……閃光的頭銜一個接一個。

但此時此刻，他腳下這片荒樸的處女地，看不出一絲現代科技的氣息，仿佛出走半生，兜兜轉轉，又回到了某個起點。

有人把這塊土地托付給他，同時交到他手上的，還有一個“100個人聽了，99個說干不成”的計劃。

轉眼間，10年過去了。從2012年到2022年，這片土地早已滄海桑田，昔時的青紗帳，變成了今日的紅磚墻。一座嶄新的科研機構矗立在懷柔科學城：中國科學院北京納米能源與系統研究所。

將相故里，尋常人家

1961年，王中林出生在陜西渭南的蒲城縣。

這是個小地方，但是古色古香，文物遍地。春天一來，滿城梨花勝雪。小地方的人毫不妄自菲薄，他們管自己的家鄉叫“將相故里”，那“一將”是發動“西安事變”的愛國將領楊虎城，那“一相”是“以尸血諫”道光皇帝的清代名相王鼎，都是硬骨頭。

王家是縣城里再普通不過的一戶人家，父母都是務農出身，家里子女5人，上面兩個哥哥兩個姐姐，最小也得寵的就是王中林。

談起雙親，王中林最先想到的詞是“勤勞”“豪爽”“正派”。在他的記憶里，父母總是天不亮就起床干活兒，一忙就是一整天，幾乎沒有消閑的時候。父親后來做了工人，還學了一身釀酒的手藝，一個月30多塊錢的工資，在鄉里鄉親間儼然也是“高收入”了。

每到父親領工資那天，母親總要搶先把錢掏出來——“不然，只要他在街上逛一圈，這錢可就沒有了。”王中林笑著回憶道。誰家的孩子交不上學費，誰家的老人要看病，老王只消聽到一句，就忍不住慷慨解囊，“常常忘記我們幾個孩子的學費還沒有著落。”

對外人慷慨大方，對自己家的孩子卻是格外苛刻。小時候，父母常把他們兄弟姐妹叫到一處，教訓他們絕對不許亂拿別人家的東西，“不然就把腿打斷！”

5個孩子里，王中林出生的年景是最糟的，趕上3年自然災害，打從娘胎里就弱小。但他的年歲又是最趕巧的，前面幾個哥哥姐姐都沒念下去書，唯獨他在最合適的年紀，趕上了全國恢復高考。

回顧中小學時光，有一半在田間地頭度過。小學時候，就得端著沉甸甸的磚頭，走上3公里，從磚廠搬到學校去壘桌子；從初中開始學工學農，要把農民不愿意種的45度坡地都改造成梯田。每到中午，滿頭大汗，口焦舌干，班里50多個半大孩子，就傳著一只水瓢，你一口我一口地分水喝。

這樣成長起來的王中林，15歲時體重才81斤。嚴重的營養不良，讓他稍一運動就容易頭暈。即便這樣，他在下地干活兒的時候也從不偷懶。在那樣的環境下，他沒想過念書，也沒想過會有上大學的機會。心里只有一個最簡單不過的信念：“學什么，一定要學到最好；做什么，一定要做到最好！”

命運轉彎的那天，乍看來平平無奇。剛剛跑完早操，老師從縣城南邊拿回來一套卷子，說要來個突擊考試，測試測試大家的水平。那是一份化學卷子，王中林考了85分，全年級第一。老師一看，說還可以呀，那我們的學生還是有希望的。

從那時起，全校開始了如火如荼的高考備考突擊：突擊數學、突擊化學、突擊物理、突擊政治。語文突擊不了，是個慢功夫，就一點一點地跟文言文死磕……1978年，17歲的王中林一舉告捷，考上了西北電訊工程學院，也就是現在的西安電子科技大學。

他的志愿表沒填物理——“我看到周圍的物理化學老師都挺清貧，就想咱可不干這個。”他精心選擇了認為“最時髦最熱門”的計算機專業。但命運跟他開了一個小小的玩笑：因為他的物理成績太好，學校就把他調到了物理系。

王中林后來常說：“這是我人生中最正確的一個選擇。”似乎忘記了這個選擇并不是他自己作的。時隔多年后他感慨地說：“一個人作的選擇最開始并不一定適合自己，但要通過努力把它變成最正確的選擇。”

生如候鳥，學海飛渡

在西北電訊工程學院，王中林遇到了幾位難忘的恩師。

一位姓胡的女老師，解放前做過地下黨，帶著學生做物理實驗，也攢著一股老革命的認真勁兒。如今王中林臉上的兩個近視鏡片兒，右邊要比左邊厚一些，就是當年總睜著一只右眼做光學實驗的后遺癥。

還有一位教原子物理學的劉老師，北大畢業生，站在講臺上可謂神采非凡，講話中氣十足、抑揚頓挫。他不看書，也不看教案，信手就能寫出滿滿一屏漂亮的板書，一步一步地推導，把物理公式背后的意義解析得清清楚楚。臺下的王中林總是被這一幕深深地吸引。

做畢業設計時，王中林特地去找了這位劉老師，課題是關于塞曼效應的。期間王中林意外發現，一本英文量子力學教科書里的一個公式似乎出錯了。“不可能吧”，劉老師最初還有些不敢相信，拿著王中林反復推了3遍的手稿回去研究。兩天后，他鄭重地說：“中林，你推的是對的。”

在王中林的畢業論文上，劉老師寫下評語：“此學生具備獨立思考的能力。”短短的一句話，在日后的漫漫人生中不斷地激勵和鞭策著他。

講到這里，王中林走向書櫥，抽出幾本大學時代的筆記本。這些精心保存的本子上，都是密密麻麻的公式和筆記，有中文的，有英文的，扉頁還用漂亮的藝術字體寫下了標題。“還有這本——”王中林小心翼翼地捧出一本厚厚的書，書皮是1979年的老報紙，包得四四方方有棱有角，“這是我們那個年代最有名的數學書——蘇聯數學家吉米多維奇所著的《數學分析習題集》。我只有這一本，沒有講答案的那本。”整整5000道題，他都認認真真地做過了。

1982年，王中林從西北電訊工程學院畢業，考取了中美聯合招收物理研究生（CUSPEA）項目，也成為那年西北5省中被CUSPEA錄取的唯一一人。

在美國的亞利桑那州立大學，5萬名學生里，只有不到10名來自中國大陸。置身于陌生的花花世界，王中林看什么都覺得新鮮，從超市里琳瑯滿目的商品，到實驗室中先進的設備……還沒來得及興奮，一種難以形容的緊迫感便攫住了他：“我這才知道，咱們國家還差得很遠，我們有幸被派出來學習，就一定要學好！”

他開足馬力，僅用了4年時間就拿到了物理學博士學位，打破了亞利桑那州立大學該專業自成立以來的紀錄。

在這里，王中林的導師是高分辨電子顯微學的鼻祖，J.W. Cowley教授。當時Cowley教授年紀已經很大了，還在堅持親自做實驗。每個周日的早上，他一定待在實驗室里，所有學生都默契地不在這個時候去打擾他。再后來，他的手開始顫抖，把3毫米厚的樣品放在顯微鏡上，要重復好幾次。

“Cowley教授對科研的熱愛，深深感染了我。”王中林說。這種熱愛表現得非常具象：每個周末做實驗的那段時光，就仿佛Cowley教授留給自己的一份禮物，沒有什么能把它奪走。

從亞利桑那州立大學畢業后，王中林又來到紐約州立大學石溪分校做博后。受科研條件的限制，王中林把重心轉移到理論研究上。他一股腦把電子成像和散射領域近50年來的理論全部看了一遍，發現不乏矛盾錯漏之處，便萌生了自己寫一本書的念頭，這一年，他才27歲。

7年后，黃色封面的大部頭《電子成像和衍射中的彈性和非彈性散射》英文書籍正式出版。這本書被媒體譽為“具有卓越成就的經典之作”，歐洲讀者甚至直接給它取了個昵稱：“Yellow Bible（黃皮圣經）”。

王中林的下一站，是全世界顯微學做得最好的英國劍橋大學卡文迪許實驗室。一年之后他又回到美國，去了橡樹嶺國家實驗室。之后在佐治亞理工學院提前晉升為正教授。2000年，39歲的王中林在佐治亞理工學院創立了納米科學和技術中心，并出任該中心的主任。

在國外的那些年，王中林就像一只遷徙的鳥，不停地從這里飛到那里，從這一站飛到下一站。搬家成了家常便飯，拿幾個紙箱，鍋碗瓢盆一裝，膠帶一扎，飛機一托運，就走人。家人抱怨的時候，他這樣說：“不是我選擇了這種生活，而是生活選擇了我。”

“我一直在追求對科學的夢想，哪里能實現我的目標就去哪里；在一個地方學得差不多了，就換一個地方繼續學。這一路上，我看了很多，學了很多，所以我這一輩子，從理論到實驗，從基礎到技術，想做的都做過了。”

福禍相倚，收之桑榆

剛剛入職佐治亞理工學院的時候，王中林拿到的啟動費只有30萬美元，沒有空間，沒有設備，只得常常去蹭供本科生使用的實驗室。

但偏偏他還擔著一個“電子顯微鏡實驗室主任”的頭銜，有系里的老師便請他購入一臺高級顯微鏡。一查價格，他懵了：這樣一臺顯微鏡至少要價100多萬美元！買不起，只好在二手市場搜尋，恰巧有家公司愿意以2.5萬美元的價格出售一臺舊顯微鏡。王中林高興地買回來，吭哧吭哧裝好了，結果那位老師又改變主意，不用了。

“他不用，咱們用！”反正錢是自己出的，反正東西也不貴，王中林一拍板，讓學生把顯微鏡的腔體打開，用來測量碳納米管的力學性能和電學性能。誰承想，就是這個決定，成了他整個學術生涯的轉折點，開辟了顯微鏡下進行微納測量的新領域。

剛開始做納米級性能微測量時，王中林需要從合作者那里借樣品。但不久他發現，對方每次送來的樣品都不大一樣，尺寸也不統一，成分也不恒定。他們只好自己動手造樣品，結果造出了全新的氧化鋅納米材料并發表了相關論文。這篇論文至今被引用達7000余次，這個團隊也由此開啟了在世界氧化鋅納米結構領域領跑的征程。

2005年9月20日，王中林對這個日子記憶猶新。他們在測量材料壓電系數的問題上，已經糾結了一段時間了，因為得到的數據總比預期小100倍。就在這天下午，王中林突然冒出一個想法：“算了，不測了，咱們反過來，看看能不能利用壓電性能把機械能轉化成電能！”

“那是改變我思維的一天”

——這個福至心靈的逆向思維，最終促成了納米發電機的誕生。

到了12月，文章寫得差不多了，王中林卻總覺得還缺一點東西。現有的論文只是提出了一種發電機制，但沒有直接展示這種發電的現象。于是他設計了一個實驗，安排學生去做。平安夜的下午，天空中還飄著蒙蒙的細雨，王中林在家里，突然接到了學生從實驗室打來的電話。

“王老師，您期待的結果出來了！”

“好！你們別動，我這就去看！”王中林立刻驅車30分鐘來到實驗室，看到了想象中的畫面。這時他才一拍腦袋，這不得錄下來嗎？又趕緊跑回家，拿來了平日孩子玩的錄像磁帶。這么來回折騰幾趟，到實驗室已經晚上了。攝像機架好了，實驗設備就位了，結果掃描針尖又突然斷了。來不及氣餒，趕緊換針尖，重復做。直到凌晨三四點鐘，終于拍下了這段珍貴的影像。

伴隨著圣誕節的黎明，壓電式納米發電機也宣告問世了！

王中林科研生涯的重大節點，似乎總是以這樣失之東隅，收之桑榆的方式出現。

2011年，組里一名男生在測試一款納米發電機時，觀察到了5V的電壓信號，這個數值比預期高出了3到5倍。一開始，大家覺得數據可能出了錯，于是這名同學又重復做了20個實驗，發現其中一部分表現出高信號，另一部分則沒有。怎么辦？接著做唄，就這樣，前后做了200多個。

“這200個材料全都放在我的辦公桌上，我和學生看呀看呀，想找出其中的規律。”最后他們把這些材料剖開，發現出現了高信號的材料里，無一例外都有個小氣泡。

這就很有趣了，平日他們做實驗，是絕不允許材料里混進氣泡的。偏偏這位同學是“半路出家”，制作工藝還不夠精湛，一些操作上的失誤，反倒促成了重大發現，促成了摩擦納米發電機的發明。

吃虧是福，壞事能變成好事，機會總留給有準備的人——王中林的科研故事，一遍又一遍地為這些古老的智慧做著注腳。

用王中林自己的話說：“有時候你摔了一跤，但絆倒你的可能不是磚頭，而是一塊金子！”

“納米”“能源”，這兩個此前不太搭界的詞語，就這樣在他步步為營的研究工作中，匯聚成了一個嶄新的領域：納米能源研究。2012年，王中林創辦了一本期刊：Nano Energy（《納米能源》），讓這個新興領域從此有了紙上家園。

再后來，王中林獲得了2019年度的“阿爾伯特·愛因斯坦世界科學獎”，2018年獲得了稱為“能源界諾貝爾獎”的埃尼獎，成為首位獲此兩獎項的華人科學家。獲獎理由是“納米發電機和自供電系統的發現、創新和開創性貢獻”。他的這些創新，以前所未有的方式，實現了從環境和生物系統中獲取能量，應用前景廣泛，包括而不限于個人電子、傳感器網絡、生物醫學和醫療保健設備以及環境監測。

回歸故土，十年樹木

那段時間，是王中林事業上的爆發期。他發展了一個體系：基于納米能源的高熵能源體系；開辟了兩大領域：基于納米發電機的自驅動系統與藍色能源宏大領域，基于壓電電子學與壓電光電子學效應的第三代半導體的嶄新領域；建立了3個學科：壓電電子學、壓電光電子學、摩擦電子學。在王中林的帶領下，中國在這兩個領域引領世界。目前有上萬名分布在60個國家的科學家和學者在跟隨著納米能源所的腳步開展這些領域的研究和應用。

在國外時，王中林從未中斷過與中國學者的交流。1992年到2010年的18年間，他在中美之間的往返記錄高達130次。平均每兩個月回國一次，少則幾天，多則幾個星期。

交流、訪問、合作，為中國培養了近百名材料學、物理學和化學學者。

2004年，他接受了時任國家納米科學中心主任白春禮的邀請，擔任國家納米科學中心海外主任，正式在中國開始了研究工作。2009年，他又當選為當時最年輕的中國科學院外籍院士。

2010年年底，王中林回國參會，他再次見到了白春禮。當時已成為中科院副院長的白春禮問他：“中科院要成立一個納米能源與系統研究所，你有沒有興趣把這副擔子挑起來？”

這件事不容易，“100個人聽了，99個都會說干不成。”如果說通常的研究所就像一片小森林，每個課題組都是一棵相對獨立的“樹”，白春禮提出的這個納米能源與系統所，更像是“獨木成林”的大榕樹，由王中林本人幾十年發展出的納米能源體系，開枝散葉出不同的領域和方向。這種體系新穎、獨特、前所未有，作為所長和首席科學家要面對的挑戰也是空前的。

在白春禮副院長懇切的言辭中，王中林感到了“責任”的分量——這不僅是一次人生選擇，更是中科院和國家交給他的一份沉甸甸的信任。

沒有猶豫，王中林向當時的工作單位佐治亞理工學院打了報告，得到批準后，就開始著手工作。3月討論，5月啟動，10月正式獲批，這個新生研究所的一切都走上了快車道。

然而，風風火火的進度條上，也星羅棋布著大大小小的阻礙和坎坷。理想總是乘風破浪，而現實總是篳路藍縷。

“困難多了去了，要是拍一部電視劇，那可比《大宅門》還精彩。”王中林自嘲。

北京市政府批下來的地，在懷柔郊區，當時還是茫茫的一片玉米地。沒有落腳的地方，研究所的第一個會議就是在咖啡館里開的。后來，他們先后租用了中科院生態環境研究中心和天工大廈的樓層，這樣的借地辦公，持續了足足7年。全所人員剛搬回懷柔時，合乎規定的食堂還沒有建設起來，師生們一起連吃了3個月的盒飯。

就這樣，蹣跚起步，跌跌撞撞，他們逐漸在這個園區里構建起工作和生活的秩序。作為由中科院和北京市共建的新型科研單元，他們也在不斷探索嶄新的科研和管理機制。

在今天的中國科學院北京納米能源與系統研究所，一進大門，就會看到一棵醒目的“樹”——精心繪制的學科樹。

以麥克斯韋的4個微分方程為根系，拔起納米能源體系勁健的主干，生發出茂盛的枝條：壓電/摩擦納米發電機、自驅動系統、自充電能源包、壓電電子學、壓電光子學、壓電光電子學——這些看起來很陌生的術語，抽生了與環境保護、健康醫療、智能皮膚、太陽能電池乃至國家安全相關的繁密枝葉——王中林數十年積淀的學術成果、建立的學科體系、開辟的領域方向，都在這棵樹上一目了然。

在王中林自己的辦公室墻上，也掛著這樣一幅大樹圖，這是去年教師節的時候，學生為他畫的。

“聽老人們說，我們渭南王家，是從山西洪洞大槐樹下走出來的。”他看著這棵無數心血凝聚而成的“樹”，思接千載，意飛神馳。當初那支從大槐樹下走出的血脈，漂洋過海數十載后，終于歸來，終于把自己培育的科技之樹，栽在了故鄉的熱土之上。

碧玉妝成一樹高，千枝萬葉春風笑。繽紛桃李成蹊處，猶待碩果滿柯條。

十年樹木，百年樹人。自1995年任教以來，王中林培養的博士、博后、訪問學者已經大約有270位，如今他們中的絕大多數人都在繼續開展納米能源領域的研究，分布在各個具體的方向上。

在中科院北京納米能源與系統研究所里，許多中生代科技人員都是王中林培養出的學生。而王中林自己也經營著一個50~60人的大型課題組。

博士三年級學生王華妹就是這個大家庭的一員，雖然組里人很多，但她從未覺得王老師很遙遠。

“他經常直接找到學生，一起討論科研問題。對我們的想法，他總體上是以鼓勵為主。如果你很努力，他也會毫不吝嗇地表達對你的欣賞。”而對王華妹來說，最重要的是，“他會從高屋建瓴的角度告訴你，你的工作為什么有意義。”

博士二年級學生陳鵬飛最初創建“納米發電機”公眾號時，只是出于興趣，順便督促自己學習。他和小伙伴們把原創的文章發在朋友圈里，漸漸地，他們發現王老師有時會轉載這些文章。

“再后來，王老師直接問：是哪些人在做這件事情啊？知道是自己所里的學生后，他立刻決定給我們一定的經費支持。”這是陳鵬飛萬萬沒想到的事情。

“他總是這樣——每當我們有什么想法的時候，都會盡量支持，然后提出自己的建議。”

“師生關系就應該是非常親密的關系。”王中林說，就像當年大學劉老師為他點亮了一盞愛物理的心燈，他也希望把同樣的愛種進自己學生的心里。

“有時候我覺得王老師很孤獨。”王華妹說，“他把科研看得很重，但并不總是能遇到知音，遇到同行者。當有學生用自己的科研熱情回應他時，你能感覺到，他那份毫不掩飾的欣慰。”

即將畢業的王華妹，希望繼續留在研究所里工作。