行之力则知愈进
知之深则行愈达
一切推理都必须从实验中得来
今天
让我们跟着博士的步伐
一起来探索材料世界的奥秘吧！
面对化石燃料的巨大消耗导致的全球能源危机，以及温室气体排放带来的生态破坏，我国在2020年正式提出“3060双碳政策”——即在2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和的目标（碳达峰是指二氧化碳的排放达到峰值不再增长；碳中和是指通过发展新能源、植树造林、节能减排、产业结构调整等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放量），这是我国主动承担大国责任，为人类可持续发展而制定的重大决策。在这一战略背景下，材料人势必要扮演关键角色。
在清洁能源基础设备制造中，材料人大展身手。实现“碳达峰、碳中和”的宏伟目标，发展以太阳能、风能、热能为代表的清洁能源是关键突破点之一。我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源丰富，位居世界第三。因此，合理利用风能，能够有效缓解我国的发电不平衡的问题。风能的应用，离不开风车叶片，它占风机成本的24%。根据每一台风力发电机的功率的不同，所需求的风车叶片长度不同，例如1.5 mw风机，叶片长度为34-45 m，重量约为6-8吨/叶片；5 mw风机及以上的叶片长度范围需达到62-75米，重量约为15-20吨/叶片。叶片的材质主要是复合材料，包括基体主要是环氧树脂，而增强纤维包括玻璃纤维、碳纤维等。随着大型化、轻量化的需求，玻璃纤维和碳纤维的占比逐渐提高。超长超重的叶片制备工艺以前一直被德国，瑞典等外资企业所独占。近年来，随着我国科研技术的发展，对材料的加工能力，对大型器件的组装能力都稳步提升，国内的的叶片生产和风车整体装配材料异军突起，夺回国内市场，并且逐步扩展到国外市场。另外，太阳能也是优异的清洁能源，曾经作为夕阳产业的光伏发电产业在“双碳”政策下也重新得到了大力发展。光伏发电系统主要由太阳能电池板，控制器和逆变器三大部分组成。其中太阳能电池板的主要材料为半导体，例如硅，砷化镓，磷化铟等。自1958年首块实用化的太阳能应用到卫星以来，人类经过几十年发展，终于将太阳能电池板发电效率提升至30%左右，此后几十年就一直无法继续提升。而经过我国科研工作者的不断努力，在“天宫”空间站核心舱“天和号”上，采用了柔性砷化镓薄膜电池，这一原创的科研成果，使得在恶劣的太空环境中，光伏转换率也能超过30%，远超美国现用的最先进太阳能电池板（发电效率不超15%）。在未来，如何进一步降低半导体制备成本，并且有效提升半导体光电转化率等方面的工作仍需我们材料人继续努力创造。
在新能源存储器件构建中，材料人冲在一线。由于风能、太阳能等清洁能源随着自然环境变化而呈现周期性，因此具有间歇性的特点；此外，还具有明显的地域特征。为了更加合理地使用这些清洁能源，就需要发展高效的储能设备将其集中存储，以满足日常供电的需求。可充电电池系统就是其中一种重要的储能设备。另一方面，在日常生活中，新能源汽车、手机、无人机等逐渐扮演起重要的角色。你是不是常常设想，如果新能源汽车充电能像我们加油那么快，能像燃油车那样能跑一周不充电，真正实现“充电5分钟，跑腿一星期”。实现这一目标的关键也落在了储能设备——电池上。详细解析电池内部，基本组成主要包括正极、负极、隔膜、电解液四个部分。其中，每一种都是属于我们材料领域的范畴，涉及到金属材料，无机非金属材料，聚合物材料等。例如，商业正极材料主要使用的三元正极（磷酸铁锂），负极为石墨，隔膜主要是聚烯烃隔膜，电解液为含锂盐溶解在ec，pc，以及dec等溶剂调制而成。虽然锂离子电池已经商业化，但是为了实现“充电5分钟，跑腿一星期”的目标，还有很多难题需要克服，还有很多材料需要不断创新、研发。例如，最近很多关于电动车自燃，电瓶爆炸等事故发生，都与液态电解质密切相关。因此，为了提升安全性，以陶瓷为主的固态电解质成为最新的研究热点。但是固态电解质由于固体质点的迁移速度慢，限制离子的迁移，从而使得性能无法展现，如何优化固态电解质的传质能力，如何去平衡固态电解质的安全性与储能缺陷，都是咱们材料人大展拳脚的领域。
在绿色环保建筑材料设计中，材料人力扛大旗。为了实现“双碳”策略，除了能源产业，在我们日常所见的建筑产业中，也有我们材料人忙碌的身影。目前，新型绿色建筑材料（即采用清洁生产技术，不用或少用天然资源和能源，大量使用工农业或城市固态废弃物生产的，无毒、无污染、低排放、易回收的环境和人体健康友好型建筑材料）成为产学研中的重要方向。新型绿色建筑材料主要包括水泥、混凝土、绿色墙体材料、保温隔热材料以及绿色装饰材料等。而为了达到双碳要求的要求，在材料制备中，需要根据材料的本征特性，设计更加绿色环保的生产线路，同时保证材料的优异特性。例如，水泥是重要的建筑材料，其生产过程排放的温室气体占全产业温室气体总排放量的7%。目前，国内外研究机构正致力于通过在水泥中掺入无毒无污染的新型辅料，取代部分熟料，降低水泥生产过程中的碳排放。另外，对于新型绿色墙体，可通过环保材料的选择（煤灰，矿渣，天然矿物膨胀物等），特殊结构的设计（空心结构，微米-纳米结构复合，三维多孔结构等），可以实现让其比传统的泡沫墙体更优异的保温隔热隔音，节能经济的效果。而这一系列工作，也是通过我们材料人的不断研发，逐步实现的。
在绿色低碳成为全球共识的今天，材料学科扮演着国家发展重要支撑的作用。从新材料的研制，旧材料的优化，到材料工艺的设计；从航天航空材料，新能源材料，到生物医药材料，都是我们材料人耕耘的沃土。山东理工大学，位于陶瓷和化工产业基地的淄博，优异的地理优势和学科特点，更是着力于培养全面的复合型材料人。近年来，学院重视学科建设，引进国内外优秀教师，通过制定合理的授课计划，由通识教育到专业教育，让同学们从浅到深，从面到点，逐步深入的掌握材料基础知识。例如，在大一的时候，同学们学习数学，化学，物理等理科基础知识；在此基础上，大二开始接触材料学概率，材料科学基础等专业基础知识；随后，在大三大四根据具体的方向开始学习更加专业的材料知识，例如金属热处理原理，高分子物理；纳米材料，功能材料等，通过层层递进，逐渐往金字塔顶端攀爬。在本科阶段，大家学习的都是材料专业的基础课程，而正是这些基础课程，环环相扣，步步相连，为未来的科研和工作奠定基础。在我的个人研究过程中，我深深的感受到，前沿科研的根基在最基本的知识中，在本科所学的课本中。我曾看到过我的导师时常翻看一本特别老旧的《无机非金属材料学》，我曾发现在实验中百思不得其解的原理竟然是《材料科学基础》中的一个小小知识点，或者是《框架化学》中的一个基本反应。所以，同学们，你们刚步入大学，可能会松懈可能会迷茫，但是“逆水行舟用力撑，一篙松劲退千寻”，请沉下心，继续努力汲取知识的养分，积攒能力，蓄势待发。
最后我想说，材料，是构建这个世界的基本单元，而我们，有幸成为能够掌握这一魔法的魔法师，通过对材料世界中基础知识的学习和掌握，对材料理论的深入认识，对材料特性的精准把握，我们才能更加自如地挥舞手中的魔法棒，构建一个更加美丽而多彩的世界。
张睿，山东理工大学材料科学与工程学院副教授。2012-2019年哈尔滨工业大学本硕博，2016-2017年美国北卡罗来纳大学教堂山分校联合培养，2019-2022年湖南大学博士后，2022年入职山东理工大学材料学院。主要研究方向为高性能电化学储能材料和器件设计，结构优化和机理研究。具体包括：（1）过渡族金属化合物（碳酸盐，氧化物）基储能材料的设计及优化；（2）维纳结构材料可控制备及电化学器件的设计（锂/钠/钾离子电池，超级电容器，电催化等）；（3）原位技术在电化学器件中应用及电化学机理揭示。目前已发表高水平sci论文10余篇。代表性论文包括adv. funct. mater. 2018, 1705817 （影响因子：24.1），journal of advanced ceramics, 2021 10, 509–519（影响因子：11.534），journal of energy chemistry. 2022, 70，95-120（影响因子：14.6）。主持国家自然科学基金项目1项，中国博士后科学基金面上项目1项，湖南省自然科学基金青年项目1项。