國家自然科學二等獎：做艱深但好玩的科學

　　彭練矛帶領團隊完成的項目獲得了今年國家自然科學二等獎（一等獎空缺）。雖然項目聽起來非常艱澀，叫做“定量電子顯微學方法與氧化鈦納米結構研究”，但其實“好玩”得很。

　　有人比喻，1納米等于十億分之一米，如果把一個1納米的物體放到乒乓球上，就像一個乒乓球放在地球上一樣。

　　“在納米尺度，許多事情和平時的感覺會非常不同，某些時候甚至會是相反的。”項目第一完成人、北京大學教授彭練矛舉例說，我們都知道玻璃很脆，不能彎曲，但納米尺度的玻璃就可以彎來彎去，表現出很好的韌性。還比如鉛筆芯不是很好的導體，但是從鉛筆芯中分離出的由單層碳原子六角排布形成的石墨烯就是很好的電子材料。2010年諾貝爾物理學獎就頒發給了成功地分離出單層石墨烯材料的兩名英國物理學家。

　　在納米尺度，僅需控制納米材料的結構即可達到控制其性能的目的。彭練矛說，非常好的一個例子就是由單層石墨烯卷起來形成的碳納米管。通過控制卷石墨烯的方式，就可以得到導體、半導體。通過控制納米管的直徑，就可以控制半導體納米管的吸光特性。電子顯微鏡是觀察納米尺度物質的“利矛”，但當物體尺寸小到納米甚至納米以下時，非但人眼根本看不到，就算是通過電子顯微鏡其實也看不清楚，遭遇了“眼見不一定為實”的信任危機。

　　“我們在納米尺度看東西是借助分辨能力更高的‘光’，也就是電子。但在納米尺度，一種叫做衍射的現象非常嚴重，多數情況下我們在電子顯微鏡中所看到的‘像’不能直接反映物體的真正結構。”彭練矛說，利用量子力學的原理，使通過電子看到的物體像和實際的物體聯系起來，這就是電子顯微學要做的事情。

　　彭練矛團隊此次獲獎項目正是將電子顯微學理論拓深拓寬，解釋許多傳統理論無法描述的物質體系，并且將理論成果成功應用到納米結構的研究領域。

　　在科學家眼中，食鹽不是食鹽，而是一種典型的離子晶體。這么一種最最普通的東西，電子顯微鏡去觀察它的結構時，也沒有好的理論去描述電子在這種離子晶體表面的衍射現象。彭練矛團隊給出了描述諸如離子晶體表面衍射的新理論，并且提供了具體應用這些理論所需的大量材料參數。這些研究結果最終可以應用到觀察地心高壓、高溫環境下物質的形態和生命體中的微管結構等幾十個研究領域。

　　這個獲獎項目的“一半榮譽”，歸功于彭練矛團隊把基礎研究理論用到了具體的納米結構研究中。很多人都用防曬霜，卻并不知道氧化鈦，這是一種日常生活非常常見的材料，防曬霜里就有，它尤其在太陽能利用領域極為重要，太陽能轉化為電能，水分解為氫氣和氧氣，都離不開它。

　　“傳統氧化鈦材料的一個大問題是只能吸收太陽光譜中偏紫外線的一部分，對于可見光區的吸收不是非常有效。大家寄予厚望的一個解決途徑是將氧化鈦材料納米化，特別是將氧化鈦材料制備成納米管的形狀。”彭練矛說。日本科學家10多年前首先制備出了氧化鈦納米管材料，但遺憾的是他們把這種納米管材料的結構和生長機理搞錯了，影響了這個研究領域后來的發展。

　　彭練矛團隊給出了一個全新的納米螺旋管結構模型，提出了這種納米管材料新的生長機理。而這個研究的主要結果被國際上幾十個獨立研究組的試驗證實。人們以后可以在這個納米管的外表面和管芯部分“放上”一些半導體納米顆粒就能改善太陽能的吸收。

　　這個項目做了10年。對項目成果中的英文著作，國際學界稱贊“這本書將是相當長時間內可能出現的關于高能電子衍射理論處理的最透徹、統一和最全面的書。”