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纳米量级上探索微观世界奥秘

来源:人民日报2022-09-14 10:06

  张治军(中)在查看实验设备。

  河南大学党委宣传部供图

  人物名片

  张治军:1958年生,河南济源人,河南大学教授、博士生导师,河南省“中原学者”,现任河南大学纳米材料工程研究中心总工程师。主要从事纳米材料的制备化学研究及工业化技术开发,负责建设了河南大学纳米材料工程研究中心中试基地,先后主持开发了高性能纳米润滑油材料、特种功能纳米二氧化硅、高效抗菌金属纳米材料等系列纳米材料并实现工业化生产。2019年获国家技术发明奖二等奖。先后被授予全国优秀科技工作者和全国模范教师称号。

  办公桌上几个培养皿里,装着白色的纳米二氧化硅粉体。记者拿起培养皿,轻轻摇动,只见细小的粉体转瞬化作流体,在培养皿内壁上流动。“你看,纳米材料很有趣,球形二氧化硅经过改性,就像流体一样丝滑,具有特殊的物理化学性能。”张治军说。

  张治军解释,纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(1—100纳米)或以它们作为基本单元构成的材料。当材料尺寸小到纳米量级时,其物理化学性能会发生重大改变,从而具有广泛的用途。多年来,张治军致力于推动纳米材料研究的“实验室技术工程化、工程化技术产业化”,促进我国纳米产业发展。

  率先研究纳米润滑材料,找到可实现大规模生产的方法

  1982年,张治军从河南大学化学系毕业后留校任教。当时,在国际上还没有纳米材料这一概念。

  1988年,张治军在参加全国光电化学会议时,听了一个关于纳米材料小尺寸效应的报告。“材料在纳米尺寸时会表现出许多奇异特性,一下子就激发了我的好奇心。”张治军回忆说。

  1992年夏天,张治军在中国科学院兰州化学物理研究所结识了研究润滑材料的张军教授。听说张治军在研究纳米材料,张军也十分感兴趣:“能否把纳米材料添加到润滑油中?”后来,在张军的引荐下,张治军考取了兰州化学物理研究所的博士研究生,研究方向正是纳米润滑材料。

  “这对我来说是一个很大的挑战。”张治军介绍,因为具有润滑性能的纳米金属或金属化合物材料放入润滑油中,极易团聚成大颗粒并沉淀下来,难以作为润滑油添加剂使用。张治军尝试用化学方法合成纳米颗粒,在颗粒由小到大的生长过程中,用油溶性化合物包覆在纳米颗粒表面,从而让这些颗粒在润滑油中稳定分散。纳米颗粒大大提高了润滑油的抗磨性能,并具有磨损自我修复功能。

  实验取得了成效,但在大规模生产中,却遇到了瓶颈:无机固体颗粒在水相中与有机化合物很难均匀有效碰撞,无法实现均匀的反应。没有生产装置来解决这个问题,怎么办?

  “干脆我们自己研发反应器”,张治军决定从制作固—液反应器入手,解决这一难题。经过上万次的现场实验,张治军带领团队发明的管线式微梯度乳化反应关键设备,终于实现了纳米杂化材料生产过程的微梯度传质传热,纳米润滑材料得以稳定大规模生产。多年前在心中深埋的种子,终于开花结果。

  2020年1月,张治军主持的“高性能节能抗磨纳米润滑油脂关键技术与产业化”项目摘得2019年度国家技术发明奖二等奖。“这项技术解决了行业发展中的一个共性问题,并且具有完全自主知识产权。”张治军高兴地说。

  从零开始搭建实验平台,逐步形成纳米科研成果转化体系

  如今的河南大学纳米材料工程研究中心中试基地实验设施完备,设置了三级实验平台。初级放大实验平台,利用最小的工业化设备,考察纳米材料是否能实现实验室的工艺过程;中等放大实验平台,用于掌握纳米材料生产的放大效应,以便为企业提供批量化产品;工程验证实验平台,可有效规避企业大规模生产中的技术风险,为创新技术的推广保驾护航。

  “当年刚来的时候这里只是一片玉米地。”张治军对基地的一草一木、一砖一瓦都充满了感情。

  1998年,张治军在老师党鸿辛院士的指导下,决定尝试推动纳米材料的产业化发展。随后,河南大学选择在河南省济源市建设纳米材料工程研究中心中试基地,作为产业转化的平台。时任纳米材料工程研究中心主任的张治军,选拔了一批具有企业工作经历的教师和研究生,组成建设团队,赴济源开始基地建设。

  “一切从零开始,从自己动手搭建实验平台开始!”没有办公场所,张治军就带着团队在附近租用一个废弃的校园。“搭建初级放大实验平台时,我们自己搅拌水泥,打预制板,砌平台,在教室里搭建出一套虽简易但单元齐全的50升放大实验装置;一边做实验,一边监理基地厂房的建设。”

  2005年,张治军又带领团队建设了拥有2000升反应设备的中等放大实验平台。前几年,平台需要小批量的生产能力,张治军决定建设工程验证实验平台。为了解决资金难题,他把团队获得的数百万元技术成果转让奖金,全部投入其中。

  凭着对事业的执着,20多年来,张治军带领团队逐步建成国内先进的纳米材料集成创新实验平台,形成了“从基础研究到技术开发再到产业化”的科技成果转化体系。目前,中试基地拥有的80多项授权专利,已有35项实现了成果转化。2019年,河南大学与济源产城融合示范区联合共建的“济源纳米材料产业园”在太行山下拔地而起。

  传递科研精神,引导更多年轻人投身纳米材料研究

  如今,年逾花甲的张治军几乎每天都会到实验室或中试基地车间。如果是出差回来,无论多晚,他也尽量到中试基地看一看。“多少年都是这么过来的,不来就会觉得少了点什么似的。”他说。项目每遇到难题或进行到关键处,他总是带领大家一起攻坚克难。团队成员经常会收到他的短信,短信里往往都是他彻夜思考后的新想法。前一阵子,张治军忙着设计湿法混炼天然橡胶的关键设备,一连两个月都待在设备加工车间里,不断地调试和修改。

  采访当天,初级放大实验平台设备运行不畅,张治军马上到车间去调试。他说,反应器的微小结构变化就会导致材料性能发生很大偏差。最终,张治军一连调试了30多遍才确定了最佳参数。天气炎热,走下实验平台,他已汗如雨下。

  记者问张治军累不累,他说:“年轻时觉得做实验是为了完成任务,后来做实验就成了习惯,习惯慢慢变成热爱,就不觉得累了。”

  虽然常年在中试基地工作,张治军每年仍坚持回河南大学校本部为本科生讲课。“主要是给他们讲一讲纳米材料的发展前沿和应用前景,传递一些科学研究的精神和理念。希望这些投身纳米材料研究的年轻人能坐得住冷板凳,终身与科研事业为伴。”张治军说。

  “探索微观世界里的奥秘,是乐趣,也是一项崇高的使命,”张治军说,“让纳米材料创造更多社会价值,我会继续努力下去。”

  记者 王 者

[ 责编:涂子怡 ]
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