4118cc云顶集团我国科学家率先用稻壳制备出铅炭电池,神出鬼没

93岁清华教授:不给“有意思”的事业设限

我国科学家率先用稻壳制备出铅炭电池

国际上最大海藻纤维生产线10月投产

科研人员破解天山雪崩“神出鬼没”之谜

暑期的清晨,一位银发老人总会早早出现在清华大学科学馆310办公室。透着眼镜,一丝不苟地为新版《量子力学前沿问题》
敲下新修订的章节。

长春8月4日电(记者孟含琪、张博宇)记者从吉林大学了解到,吉林大学化学学院林海波团队在国际上率先用稻壳制备成高性能的电池级碳材料,并用这种材料开发出高性价比的铅炭电池,其性能达到国际先进水平。日前,该科研成果已建成百吨级超级电容炭和千吨级电池碳生产线。

以海带提取的海藻酸盐为原料,将海藻酸盐高分子的高倍拉伸与凝固成型有机结合,从而获得强度高、性能良好的海藻纤维,再用这种纤维做出服装面料以及成衣,这不是天方夜谭。8月2日,在青岛大学海洋纤维新材料研究院,记者亲眼目睹了海藻纤维技术的神奇。

在新疆伊犁境内的天山山区,冬季经常会发生雪崩,特别是在国道G218线,雪崩冲上路面而阻断交通的事件时有发生。这里为什么时不时的就会发生雪崩,雪崩的诱发因素又有哪些呢?8月2日,来自中科院新疆生地所的消息给出了答案。

他就是理论物理学家、清华大学93岁教授张礼。从教71年,他至今仍站在讲台传道授业解惑。张礼教授长期从事物理学教学和科研,退休后依然坚持工作,成为清华年龄最大的授课讲师。

铅酸电池是应用最为广泛的蓄电池之一。2005年,科学家将铅酸电池和超级电容器结合,发明了超级电池,相较于传统铅酸电池,其性能指标显著提高。铅炭电池被称为新一代铅酸电池,是当前国际铅酸电池领域的研究热点。

青岛大学海洋纤维新材料研究院教授全凤玉告诉科技日报记者,青岛大学夏延致教授科研团队,经过多年科研攻关取得了“海藻资源制取纤维及深加工关键技术开发”科研成果,获得了海藻纤维各个生产环节的自主知识产权,并在国内首次自主研发和设计了完善的海藻类海洋纤维中试示范生产线。

中科院新疆生地所研究员李兰海带领的研究团队通过与伊犁州各级公路管理部门合作,对国道G218线雪崩灾害严重路段的雪崩事件、积雪物理特征和气象环境进行了持续10年的勘测与研究,通过大数据分析,成功构建了研究区域雪崩灾害、积雪物理特征、地形地貌和气象数据库,并应用聚类分析法对不同诱发因素引起的雪崩进行聚类,从而定量揭示了雪崩灾害诱发因素特点。研究成果发表于近日出版的山地科学学报上。

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林海波介绍,稻壳中含有二氧化硅与碳元素,将二氧化硅除去后可以形成多孔炭,再经进一步活化,就变成极有应用价值的活性炭材料。“这种活性炭拥有大孔、介孔、微孔的多级孔道结构,具有优异的电化学性能。”他说,只有稻壳能带来这样奇妙的效果,其他比如椰壳、棕榈壳等经过处理后获得的碳材料就没有这种多级孔道结构。

海藻纤维是什么?青岛大学海洋纤维新材料研究院院长夏延致告诉记者,海藻纤维是以海洋中资源丰富的人工近海养殖和深海天然生长的藻类为原料,精制提炼出海藻多糖后再通过湿法纺丝深加工技术制备得到的天然生物基纤维。

位于新源县巩乃斯河畔的中国科学院天山积雪雪崩研究站,毗邻国道G218线,前后各12公里的路段均是雪崩危害地段。李兰海说,在这里,每年至少有3次能观测到规模较大的雪崩。

清华大学教授张礼 澎湃新闻 邓依云 摄

经过10余年努力,团队攻克了生物质稻壳基电容炭的绿色制备工艺、稻壳基电池碳添加剂以及铅炭电池负极等关键技术,开发出高性价比的铅炭电池。相较于普通铅酸电池,铅炭电池的循环寿命提高6倍、充电速度提高8倍、放电功率提高3倍,同时具有成本低的优势。

过去,传统市面上已经存在棉麻等天然纤维和来自石油、煤炭的合成纤维。那么,为什么要抛开已有的纤维材料,从海藻中提取纤维制作衣服呢?全凤玉说,长期以来,人们对合成纤维都有一定的排斥性,因为它穿着不舒服,有静电不吸汗,而棉麻数量有限,天然纤维不够用,怎么办?

天山西部大规模雪崩发生的频率呈现高-低-高的特征,第一个峰值出现在12月下旬,第二波峰出现在3月下旬,波谷则在1月上旬。积雪能够脱离“大部队”引起雪崩,前提条件是要有一个梯度力,也就是一个陡坡。根据团队的研究,在天山西部,雪崩发生的坡度分布在28°—45°,其中48%的雪崩发生在36°—40°的陡坡。

71年从教之路:还没打算给这份“有意思”的事业设期限

该铅炭电池已经通过国家化学电源产品质量监督检验中心第三方权威机构的测试。该成果已经在国际核心期刊上发表论文50多篇,申请发明专利20多项。

上世纪40年代起,国外企业投入巨资进行海藻纤维的生产开发,但一直未能实现规模化生产。由于其所用纤维生产工艺产能低,制得的纤维力学性能差、遇盐水遇洗涤剂溶解、品种单一、生产过程消耗大量脱水剂等众多技术瓶颈,海藻纤维只能应用于医用敷料。

李兰海说,雪崩的释放要经历3个阶段。先是外力因素导致部分雪层剪切断裂,然后这种初始的断裂造成周围雪层的应力重新分布,从而导致周围雪层的剪切断裂,最后由于这种微观非对称的破坏逐渐积累形成一个宏观的裂隙,在裂隙点应力的变化使裂隙扩展最终致山坡积雪滑塌。

“我喜欢啊!”当澎湃新闻近日问及坚持71年教学的原因时,张礼脱口而出,神情愉快,目光炯炯,“我就觉得干这件事有意思。”

该项成果实现了稻壳基电池碳材料、铅炭电池以及产品应用的完整产业链,主要用于汽车启停电源、汽车混合动力以及储能领域。

早在15年前,夏延致科研团队就在世界上首次提出开展纺织服装用海藻纤维研究工作,并开发成功系列海藻纤维和纺织品,纺织用海藻纤维已达到国际领先水平,海藻纤维强度达2.6cN/dtex以上。特别是耐盐耐洗涤海藻纤维的发明,解决了海藻纤维在生理盐水溶胀、溶解,在洗涤剂中快速溶解、降解的问题,实现了纤维在生理盐水和普通洗涤剂浸泡和洗涤长达3天仍可保持强度和形貌,不发生溶解现象。此举标志着我国海藻纤维在纺织服装及其他领域的广泛应用成为现实,使其只能做医用敷料的局面成为历史。

引发雪崩释放的外界推手有很多,比如降雪、地震、大风、温度剧升、汽车鸣笛或者动物踩踏。在研究团队看来,天山西部诱发雪崩的两大主要推手是强降雪和气温剧升。研究人员表示,天山西部49%的雪崩都是由强降雪诱发形成。当一次降雪过程中新增积雪深度达到29—36厘米时,极易诱发区域大规模雪崩。另外27%的雪崩则由春季温度显著升高引起,雪崩发生的前3天通常会伴随持续升温过程,雪崩发生期的日平均温度为0.5℃左右。除此之外,其余24%的雪崩由地震、大风等其他因素诱发而成。天山西部位于地震活动带,一些微小的震动都可能带来雪崩。国道G218线途经区域冬季常有大风出现,风力作用将积雪吹到山腰,增加了本身积雪“负重”,也易引发雪崩。

他对澎湃新闻说,过去的春季学期,他刚给研究生上完《量子力学前沿选题》。

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全凤玉表示,青岛大学海藻纤维研究打破了纺织服装纤维只能由石油资源提取和土地耕种的格局。其纺丝工艺以“水”作为溶剂,不添加有机溶剂,符合国家可持续发展战略和节能减排发展措施。

研究人员发现,雪崩有干湿之分。干雪崩的积雪含水量通常小于1%,雪为粉末状。雪崩发生时产生冲击力强大的气浪,气浪对树木、房屋、公路基础设施产生严重破坏。湿雪崩的积雪含水量通常超过1%,雪呈现大小不等的块状构造。湿雪崩由于含水量较高,密度较大,沿途夹带泥土、岩石等,破坏性高于干雪崩。

大二的韩同航虽然还没到选修该课程的年级,但他也在上学期“蹭课旁听”。“张先生为这门课花了很多心血,而且讲课深入浅出,思维开阔,很有激情,是一位充满个人魅力的老师。”
韩同航说,
虽然先生已经90多岁,但无论从心态、精力、体力上都还很年轻,每次上课前早早地就到教室准备,课后也耐心仔细答疑,“有一次,我跟张先生从早上8点交流到10点,从人生经历聊到他对物理的理解”。

创新让海藻从海里到身上

李兰海表示,下一步他们将在前期大量数据的基础上结合国道G218线雪崩多发区域的地形地貌特征和雪崩发生机制,构建雪崩预警平台,模拟出随着时间变化而出现的降雪与气温变化情景以及山体积雪特征变化,进而能够计算出最容易发生雪崩的地点,为当地道路安全保障提供可靠依据。(科技日报乌鲁木齐8月2日电)

跟学生们相处总是愉悦,老人还没打算给这份“有意思”的事业设期限,张礼说,“只要脑子不糊涂,就会一直教下去。”

恒尼智造公司负责人介绍,正是看中夏延致科研团队研发的海藻纤维,使他们果断申请合作,把海藻纤维应用于内衣的制造,成为世界上唯一一家海藻纤维智能制造内衣企业。

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回顾从教之路,他告诉澎湃新闻,自己的第一站从1946年开始,在刚刚复校的山东大学落地。“当时那是很自然的事。那时候,学物理除了教书,几乎没有别的出路,而我本来就喜欢物理,所以自然而然跟着教授去了山东大学。”那年,张礼21岁。

这些添加了海藻纤维的内衣,具有抗菌抑菌、吸湿排汗、保温、抗紫外线,以及阻燃功能。

但战后的山东大学,百废待新,艰难任教一年后,张礼又回到了自己的母校,次年前往美国进修。

如何将海藻纤维从海水中提取出来并将其做成衣服?据夏延致介绍,首先把海藻从海洋里捕捞上来,然后把它晾干,这样利于储存,随后切碎,再进行液体化,把海藻纤维分离,这时的海藻纤维变成粉末状,和我们常见的奶粉类似,这个粉末再经过溶解,变成高粘度的液体,然后再把它用很细的小孔,用喷丝的原理把它喷出来固化,增加强力,然后赋予纺织服装性能,最后成为纤维的最终成品,拿到纺纱厂纺纱织布最终成为服装。

秋天到达,伴随着解放战争胜利的消息,张礼和朋友第二年年初就决定回国。“当时一位中共党员朋友说‘咱们回国参加建设,参加革命,别在美国待着’。”张礼回忆,那时一腔热血,便在1949年初和这位朋友一起回国。他们先到当时还未解放的上海、青岛,在短暂停火的间歇穿越封锁线,一路北上奔到了天津。随后,张礼在北洋大学担任物理系助教、讲师,由天津大学推荐、国家公派去苏联读研究生,在1957年调入清华,先后任副教授、教授至今。

想让海藻变成衣服并不容易。海藻纤维研制初期面临的技术难题较多。第一,原料没有专用检测及控制手段,易造成纤维强度低、纤维质量发生变化;第二,无工业化生产设备,无法真正实现连续化生产,国内实验室研究较多,此前海藻纤维生产多集中于中试水平,更未见系统研究开发在生物医用及纺织服装的应用;第三,海藻纤维纺丝液配制效率低下,利用传统湿法纺丝工艺中小型物料罐体配制纺丝溶液,该方法对低粘度的溶液处理效率较高,但无法应用于高粘度溶液的配制处理过程。与此同时,在海藻纤维产业化生产中必须解决的问题还包括:海藻纤维难以用传统染色方法进行染色及实现海藻纤维凝固浴的完全回收利用,达到零排放。

偶像:“了不起”的费曼

“针对原料问题,我们通过自主研发的结构测试技术,实现了纺丝原料结构的测试、筛选和控制,制定了制备海藻纤维专用的纤维级海藻酸钠生产标准;推出的工业化生产海藻酸钠溶液的一体化专用设备,真正实现了海藻酸钠纺丝液的快速、均一、低耗、无降解制备;实现了高粘度海藻纤维纺丝液的连续化高效过滤和高效脱泡,极大减少了传统过滤方法的成本消耗和脱泡的时间消耗,过滤和脱泡效果大大提升;实现了海藻纤维制备过程中凝固浴完全回收利用零排放。”夏延致说。

辅仁大学教授让张礼和教育事业结缘,而让他对物理着迷,愿意一门心思扑在物理研究和教学上面的则是美籍犹太裔物理学家理查德:菲利普斯:费曼,一位张礼口中“了不起”的人。

不仅可以“穿”还可以“铺”

“我以前在美国听过他讲课,他特别会讲,神到跟变戏法一样的地步。我本来就喜欢物理,一听就爱得更深了。虽然没时间搞物理科研,但我搞教学也是可以的。”张礼指了指办公室墙上的四幅照片,一幅爱因斯坦,另外三幅是各个年龄段的费曼。“在物理理论上,我最崇拜的人之一就是费曼。”张礼说,他是真正的大师。

在恒尼智造公司生态内衣体验馆内,随处可见海藻纤维产品的身影。与普通的内衣相比,这些用海藻纤维制作而成的内衣质地更加绵软。记者在恒尼公司车间采访时,工人们正在抓紧生产来自知名电商网易严选的订单。

如何像费曼一样把课讲得让人痴醉?70余年里,张礼的教学方法也在不断改进,从“教懂学生”转变为“启发学生”。

由于海藻纤维的特性,决定了它的应用领域非常广泛。全凤玉说,除了恒尼智造公司将海藻纤维用于内衣产品研发生产外,广东、浙江、江苏、山东等地区的若干家企业还将这种纤维用于制造消防服、家用窗帘、地毯、壁纸等。

“刚开始是我懂了,我会表达,表达给学生就完了。后来我觉得单表达不够,我要把讲的问题,在学术上是怎么发展过来的,中间有哪些有经验教训也讲给学生,让他们获得启发。”张礼认为教出
“听话学生”的时代已经过去,当前的中国,特别是基础研究薄弱的今天,需要培养的是有能力主动思考的学生。

在国内首个海藻纤维纸研发中心——青岛大学—东岚高科新材料新技术研发中心,记者见到了用海藻纤维制造的壁纸,从花纹与纸张的外形看,与传统的壁纸并无二异。工作人员说,壁纸的原材料是从褐藻中提取而出,与普通纸张相比,海藻纤维纸具有更强的阻燃抑菌环保性。工作人员现场用打火机试烧,但壁纸并没有燃烧。这种海藻纤维壁纸1吨原材料只能出10000平方米壁纸,东岚高科的壁纸年产量约为3000万平方米,主要出口欧洲、美国和日本。

以身示教,韩同航从张礼本身看到了他永不停歇的质疑和求问求学的精神。“我刚开始接触到张先生是在系里的讲座,当时就注意到讲座第一排经常会有一位老先生,他基本上每个讲座都会去听,并且常常提问演讲者。”韩同航说。

全凤玉表示,海藻纤维作为一种颠覆性的纤维材料,需求非常大,现在的年生产能力只有800吨,市场供不应求。“目前,我们正在做的是5000吨的海藻纤维生产线,也是国际上最大的生产线,今年10月投产。”夏延致对海藻纤维市场充满了信心。

但张礼也并非从小就是爱问爱思考的学生,相反,他极其听话。“过去多年来我们的教育强调让学生听话,不强调有自己的思考,自己的思维,而我就是这种教育最大的受害者。”张礼坦言,从中学开始自己就是班里最乖的学生,老师教的很快就懂,懂了之后考得也挺不错,但他知道自己不曾主动发散思维思考问题,“这对于做科研来讲,是很坏的习惯”。

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张礼教授称,有一件事一直是他心中遗憾。在苏联列宁格勒大学读研期间,学位论文的题目是福克院士出的,张礼克服困难把福克的方法推广到多电子—正电子系统。之后,学校物理研究所为他安排了一个类似博士后的位置,希望他能够有更大的突破。

但可惜的是,张礼说,他不仅没有自己深入思考,也没有去请教专家。只是在一个简单情况算出数值结果就交了差。事实证明,此后一位美国教授用他的方法深入研究了凝聚态的多电子系统,发展了“正电子湮灭谱学”。

“这位教授访问清华,在作学术报告时感谢了我,这是多么深刻的教训!”张礼对这件事记忆犹新。

另外,在做旋量演算方法研究时,张礼更加明明白白地看到,听话的习惯让自己局限于完成合作而不能“挑头”取得突破性进展。“我在学术上做出来一些东西,比如获得周培源物理奖的旋量演算方法,是徐湛教授、我和张达华三个人合作完成,但把研究打开局面、有了突破的是徐湛教授。”张礼说。

70余年沧海桑田,张礼感受到中国教育正在挣脱旧壳,育人的方式在深层次地变革。

“70多年的教育,过去是一个框子,不容易改动。”如今的清华园,张礼格外欣喜,“学术活动多得一塌糊涂”。

他热切地等待着,当代有才华的年轻教授中间能够快一点,再快一点,走出一批大师。

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张礼 清华校友总会 资料图

澎湃新闻:您从教71年,如今已经93岁高龄还在坚持上课,为什么?

张礼:我喜欢啊。我物理理论上最崇拜的人之一就是费曼,这个人是个了不起的人。有一次听他讲课,我觉得这个人,特别会讲,跟变戏法一样,神到这种地步。我本来就喜欢,然后再一听他这么一讲,对物理的爱好就很深了。我肯定要搞物理。虽然此后多年由于担任行政工作没有时间搞科研,但一直讲多门课程。

澎湃新闻:当初是什么样的契机开始从教的呢?

张礼:当初在辅仁念书的时候有位教授,他本来是山东大学的,后来抗战胜利了,
山东大学复校,他就把我带去。

当时很自然,学物理不教书干嘛呢?当时没有别的出路。我本来喜欢物理,所以唯一的出路就是在学校。战后百废待新,山东大学的条件实在太差了,我待了一年。

后来,1948年秋天去了美国,冬天就跟朋友回来了。当时解放战争发展很快,朋友说,咱们回国参加建设,参加革命,建议我就别在美国待着。那年,趁着有一段停战穿过了封锁线到了解放区。回来以后我就在天津北洋大学工作,担任物理系助教、讲师。

澎湃新闻:70多年的教学过程中,您发现教书育人,培养人才的环境有哪些变化呢?

张礼:70余年的教育,过去是一个框子,不容易改动。到清华后,当时的校长蒋南翔同志有一个看法,叫做“三阶段两点论”,三阶段就是学苏联是一个阶段,两点论就是它好的东西学,不好的东西我们就不学。
所以清华已经有一些修改,不过基本上还是苏联的路子,框子。

现在整个的环境跟原来不一样,学术氛围在这里,学术活动多得一塌糊涂。

但整个的学术气氛,气氛要由大师带出来,所以希望当代有机会有能力,有才华的年轻教授,能够快一点走出来一批大师。

澎湃新闻:您在70余年的教学经历中,教学方式和理念上有哪些改变呢?

张礼:我作为教师的起初的那个阶段,我就想着我得把学生教懂。后来觉得单表达不够了,那我要把讲的问题,在学术上它是怎么发展过来的,是怎么一个阶段,中间有哪些有经验教训的地方,把这些东西讲给学生,让他获得启发,就不只是给你知识,告诉你1+1是2。

澎湃新闻:著名物理学家杨振宁曾说,中国创建一流科学家不太成功。结构生物学家施一公也谈到过中国学生水平很高,但中国的科学技术还没有领先于世界,中国的基础研究还没有领先于世界。中国的基础研究是否还很薄弱?在人才培养上有什么改进空间?

张礼:在人才培养上,跟我们基础教育有关系,让学生听话,学生就是学,不去强调他有自己的思考,自己的思维。这从中学就这么过来,我就是这种教育的最大的受害者。我是最乖的学生,老师都喜欢我,因为我很快就懂了,懂了就考的也挺好,我不去思考问题,深入思维。可对于做科研来讲,我的这种习惯是很坏的习惯。

本来我在苏联学习,学位论文在发展福克方法上有了进展。学校为我安排了工作职位期望我能取得更大进展。但我没有自己深入钻研、也没有请教专家,把大好时机错过了。我在学术上做出来一些东西,比如后来得周培源奖的项目,是徐湛教授,我和我的一个博士生张达华三个人合作。但后来打开局面、有所突破的是徐湛教授,不是我。

澎湃新闻:您现在在课堂上会怎么培养学生思考的能力呢?

张礼:因为我自己现在不再做科研了,所以我只能在学生的基础上来帮助他,这是我现在能起的作用。比如说我讲课,这个课本身就是属于把基础用到前沿,怎么用。我现在就希望能在学生的基础方面的思维上,还能对他们有一些帮助。往前闯,我帮助不了。只能给一些精神上的鼓励。

澎湃新闻:您跟学生如何相处呢?学生会因为您德高望重而心生怯意吗?

张礼:没有,我也没有那个架子,我也不想做那样的人。我是把学生看成自己人。

这个教学过程中,有的时候我就发现有的学生对某个问题有很好的认识,我让他把稿子给我,我存在计算机,这些就是学生对我的反馈。我和学生是平等的,不是说我对他要高高在上,我始终把学生和我当成平等的。

澎湃新闻:接下来您打算还要教多少年呢?

张礼:只要脑子不糊涂,我就继续教。

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