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研究在学科交叉点上开启材料新世界论文
材料世界是神奇的。从自然生成的煤到人类智慧杰作的电子元件,从廉价的木材到贵重的金属,每个“高大上”的宏伟工程,都有着看似“细小微”新型材料的支撑,为我们在绚烂生活中开启“新世界”的大门。
而清华大学材料学院教授周济，则是这样一位手握“新世界”钥匙的“魔法师”，他30 余年沉醉于探索新材料的世界里，化“平庸”为“神奇”，将外人眼中的“不可能”变成“可能”。在2016 年度国家科学技术奖励大会上，周济和他的团队凭借“非金属基超常电磁介质的原理与构筑”这一项目获得国家自然科学奖二等奖。该项目在“超材料与自然材料融合”的思想指导下，借助非金属材料中丰富的电磁极化机制，初步创建了非金属基超常介质的原理框架和构筑策略，为超常介质这类新世纪出现的新型材料的系统探索和器件应用提供了新的范式。
让“不可能”成为现实
超常电磁介质的探索最初始于20 世纪60 年代前苏联科学家韦谢拉戈提出的一个思想实验。韦谢拉戈发现，假如有同时具备负介电常数和负磁导率的物质，世界将会发生一系列根本性改变。然而，这类“天方夜谭”似的想法在当时并未得到人们的过多关注，此后30 年中也几乎被人遗忘。直到上世纪90 年代末，一位英国科学家提出利用金属人工结构阵列实现这一想法，并于世纪之交被实验验证，超常电磁介质才自此诞生。短短几年中，这类新型人工材料发展迅速，被评选为材料领域50 年10 项重大突破之一。然而，受制于金属基体的固有特性，高损耗、各向异性、难以调控，以及光频材料难于制备成为了困扰此类材料发展的壁垒。
作为较早进入超常介质研究的团队，周济说，他们一直是“非主流”。团队在研究之初选择了一条独辟蹊径的路线——利用超材料与自然材料的融合，发展非金属基超常电磁介质来解决金属超构材料面临的难题。这在当时的学术界看来，普遍认为“不可能”。然而，历经十余年的努力探索，周济团队取得了突破性进展。
2008 年，在西班牙小镇潘普洛纳，周济见到了仰慕已久的韦谢拉戈教授，他向其介绍了自己团队正在进行的研究，“老先生听后第一反应是质疑，然后是惊愕，最后是连连赞许”，周济回忆道，“韦谢拉戈教授最初的思路也是在传统介质中实现超常电磁响应，当时他和很多专家讨论过，只是最终得出的结论是不可能”。但令韦谢拉戈难以想象的是，他曾经被认为“不可能”的这个想法多年后在一群中国科研者手中成为了现实。
科研原野上硕果累累
超常电磁介质研究团队起源于由李龙土院士领导的功能陶瓷研究团队，目前也是这个大团队中的一部分。“李老师是一位严谨、包容、思想活跃的学术大师，他积极支持和鼓励我们不断探索新的研究领域。我们的研究从常规介质走到超常介质，有应用需求的拓展、学科方向的演进，更有学术思想的传承。”周济说。团队成立之初，资料匮乏是他们遇到的一大难题。“这完全是一片没有前人涉足的荒漠，需要我们自己动手开疆扩土。”回忆起当年寻找创新点的情景，周济难掩兴奋，对于他和团队来说，这是一段寂寞的旅程，亦是一个创造乐趣的过程。
在科研的原野上，辛勤劳作必将收获丰硕。项目组经过十余年的悉心灌溉，终于收获了创新的果实。
团队提出了超构材料与常规材料融合构造非金属基超常电磁介质的原理和方案，突破了金属基超构材料所固有的高涡流损耗、各向异性、难以调控、以及光频材料难于制备等困扰其发展的壁垒;率先研制出多种新型陶瓷基超常电磁介质材料与器件，其中部分元器件已经获得实际应用;成功发展出了多种可调电磁超常介质，突破了困扰超常介质器件化的关键难题。回想起科研攻坚的那段日子，给周济留下最深印象的是两条经验：一是学科交叉，把相关学科的精髓原理巧妙应用到本学科中来;二是要敢于打破常规，尝试别人认为不可能实现的目标。
十余年间的艰难困苦和心血汗水，周济视之淡然。“每位从事科学研究的人，都已经习惯了不断遇到问题、不断解决问题、进而不断探索的过程。在科研中不断积累经验和加深认知可以帮我们形成大致的方向感，一步一步不断有所进步和发现。”周济表示。
团队合作助力成功
在团队成员们看来，项目取得了一些成绩主要得益于清华良好的科学研究平台和氛围、优秀的研究群体以及中国材料工程高速发展所提供的难得机遇和挑战。这是一个典型的跨学科团队，负责人周济本科学电子、硕士学物理、博士学化学，之后转战到材料领域多年，团队中的几位主要成员也各有所长、分工明确——第二完成人赵乾是应用物理学博士，为介质Mie 谐振为基础的陶瓷超构材料设计与构造作出了主要贡献;第三完成人李勃是材料学博士，有效推动了可调陶瓷超常介质的研究进展;第四完成人孙竞博有着电子学背景，他率先发现了一些本征型超常介质体系;第五完成人宗瑞隆是化学背景，创新地提出了利用自下而上的方法制备超常介质这一新路线。
在讨论项目时，团队成员打破长幼辈分之别，为追求一个共同的理想常常废寝忘食、全身心投入。在十余年的科研攻坚阶段，项目组不断有博士生、硕士生加入，他们有的思维活跃、理论分析能力强，有的心思细密、动手能力强，大家充分发挥各自所长，拧成一股绳，劲儿往一处使，最终浇灌出了知识创新的“参天大树”。而在团队成员看来，周济则是当之无愧的“灵魂”与“船长”。“周老师敏锐的科学思维，综合物理、化学、材料以及电子信息的学科背景，乃至良好的人文素养和辩证的哲学思维都保证了研究团队能够排除各种干扰和追逐热点的诱惑，沿着具有特色的研究方向不断深入挖掘，十余年如一日地专注于在该领域深耕细作，使课题组的工作能够引领介质基超构材料的发展。”赵乾表示。谈及多年来从事材料研究的体会，周济认为：“做科研，首先要有科学精神，要有独立思想。不要盲从文献，不要迷信权威，也不要有功利目的。”“中国正在经历从科学大国向科学强国的转折点上，过去我们做科研总是跟别人的后面做，今后这种跟风式的研究已经没有多大意义了。只有在很多领域都做出原创性成果，才能成为真正意义上的科技强国。”周济说。十余年来，这位在材料战场里的“老兵”，带领着他的团队，为“中国材料”走向世界，烙下浓重一笔。然而周济谦虚地说，他和团队未来的路还很长，还需要不断探索、探索、再探索，去打开更多“新世界”的大门。
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