“单分子技术目前仍处于概念、原理的提出和实验验证阶段,离实际应用还有一段很长的路要走。”中国科学院院士杨金龙在接受《中国电子报》专访时向记者表示。作为来自微观世界的新概念,单分子科学探索的是分子世界的奥秘。

 

 

注重原始创新,待成果上“书架”

 

原子和分子是如此之小,用肉眼和普通的显微镜看不见,人也摸不到。但是,原子和分子的科学构成了整个自然科学的基础。几个世纪以来,人类不断探索自然界的奥秘,在科学史上奠定了一座座丰碑。然而,科学的发展是没有穷尽的,时至今日,有关原子、分子科学与技术方面的研究仍处于科学前沿,不断涌现出意义深远的新思想、新成就。

 

注重原始创新,让成果上“书架”,是众多科学家的使命。在单分子科学领域,杨金龙带领的理论团队与实验团队紧密合作,系统研究了单分子的磁学和电学特性,目前取得了一系列科学成果。

 

在接受《中国电子报》记者采访时,杨金龙向记者详细介绍了当前的研究进展。杨金龙表示,第一是利用单分子选键化学实现了单分子磁性自旋态控制。这一成果意义重大,为设计和制备单分子自旋电子器件提供了一种崭新的重要方法。

 

第二是利用单分子手术实现了双功能的单分子器件,将单分子手术和操纵技术提高到单分子内多功能集成的崭新高度。

 

第三是实现了单分子水平氢键动力学表征,这一成果为理解、进而控制和利用氢键奠定了深厚基础。

 

随着后摩尔时代的到来,半导体技术正在快速发展并发生变革。单分子科学技术是否有望在电子芯片中得到应用?对此,杨金龙向《中国电子报》记者表示,现阶段,单分子技术仍处于概念、原理的提出和实验验证阶段,离实际应用还有一段很长的路要走。现阶段,实验面临的技术难点包括单分子器件长期稳定性问题、单分子与电极界面结构可控性差、多数器件要求低温和真空操作、器件性能重复性较差、器件可扩展性差,以及与当前CMOS技术兼容性问题。理论面临的问题包括理论方法的精度、速度、适用体系大小难以满足日益增长的实验需求、理论模型过于理想、目前研究多局限在单一尺度模拟等。

 

“在未来几年内,单分子科学发展的主要方向将聚焦在攻克以上实验和理论技术难点。解决了以上问题后,单分子技术将迎来在电子芯片中的应用新篇章。”杨金龙说。

 

利用科学解决难题,让成果上“货架”

 

从国家和社会发展来讲,基础研究是创新的源泉。在取得一定研究成果后,用自己发展的方法来解决国民经济相关技术难题,同样意义重大。在杨金龙看来,除了要让成果上“书架”,还要把成果用起来,用基础科学解决与国民经济相关的技术难题,让成果上“货架”。

 

氢燃料电池被认为是助力实现“碳达峰、碳中和”目标的一大关键角色,与新能源汽车等国民经济领域高度相关。零排放、零污染的氢燃料电池汽车,也代表着未来新能源汽车发展的重要方向。然而,当前氢燃料电池所使用的氢气,通常含有0.5%至2%的一氧化碳。作为氢燃料电池汽车的“心脏”,燃料电池铂电极容易被一氧化碳杂质气体“毒害”,导致电池性能下降和寿命缩短,严重阻碍氢燃料电池汽车的推广。可喜的是,杨金龙带领团队取得了研究成果。杨金龙表示,通过研发出的高效催化剂,可以有选择性地高效去除氢燃料中的微量一氧化碳,为氢燃料电池在频繁冷启动和连续运行期间提供全时保护。

 

氢燃料电池技术的发展让新能源汽车界看到了新的希望,但现在,新能源汽车电池的主流是以锂电池为主体,包括磷酸电锂电池和镍钴锰的三元锂电池。在不远的将来,氢燃料电池是否有望成为新能源汽车应用的主流电池?

 

谈及氢燃料电池在新能源汽车中的应用前景,杨金龙对《中国电子报》记者表示,氢燃料电池具有清洁、零排放等优势,不受季节和行驶里程的限制,不会产生电池回收过程中的环境难题,但当前仍面临几大应用难点。杨金龙指出,氢燃料电池面临的主要难题是电堆的寿命、成本以及氢的储存和运输等。“随着技术的发展和上述问题的逐一解决,上述优势也必将促使氢燃料电池成为新能源汽车应用的一种主流电池,在长途运输的汽车中起主导作用。”杨金龙对记者说。

 

加强基础研究,促进成果转化

 

科技创新,就像撬动地球的杠杆,总能创造令人意想不到的奇迹。如果想持续书写一个个奇迹,就需要继续加强基础研究,为科技创新注入源源不断的新动能。

 

杨金龙向《中国电子报》记者分享了一些关于如何加强基础研究的观点。“基础研究的开展,主要是激发研究者的好奇心。”杨金龙表示,现在许多基础研究的领域的突破,都离不开研究技术手段的突破。比如,在单分子科学领域,在实验上需要大力发展更多高精尖且适用不同应用环境的光、电、磁学单分子分辨和表征技术,发展高效可控的单分子器件制备和优化方法等;在理论上需要进行低标度计算方法发展、量化高性能并行计算软件开发,以及高精度计算算法发展,以实现对单分子体系更快、更大、更准地进行理论模拟与设计,为指导和推动相关实验研究提供了理论思路和路线。

 

在氢燃料电池领域,杨金龙带领的团队在基础研究成果转化方面尚处于起步阶段,目前主要在解决催化剂制备设备的规模化问题。事实上,基础研究到成果转化应用之间往往存在“死亡谷”,让很多研究成果难以产生应有的效益。在科研成果向市场化产品转化的过程中,应该如何跨越这道“死亡谷”?针对这个问题,杨金龙也给出了自己的观点与建议。

 

杨金龙向《中国电子报》记者表示,基础研究成果到产业化的过程是一个复杂的、多变的过程。不同成果的转化有不同的路径,科研、企业、金融、政府等人员参与其中。“这个过程中的一般原则是,让专业的人士做专业的事。”杨金龙说。

 

 

作者丨张依依

编辑丨连晓东

美编丨马利亚