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她曾深陷“诺奖级”学术丑闻,潜心耕耘靠人造皮肤爬回巅峰 精选

已有 9039 次阅读 2018-7-8 08:36 |系统分类:科普集锦

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对于潜心钻研的科研工作者来说,遭受最大的侮辱大概就是学术造假了。

直接否定当下科研价值,还可能影响从此的科研仕途。

“世界杰出女科学家”鲍哲南就曾被无辜卷入一场21世纪最大的学术造假风波。

那起案件当时震惊科学界,直接关系到诺奖级成果。

风波之后她用无数国际科学大奖证明自己的科研水平,还成为美国工程学院院士。


1970年,鲍哲南出生于南京的一个书香世家。

父亲鲍希茂、母亲陈慧兰分别是南京大学的物理系和化学系教授

鲍哲南对多重学科的研究参悟颇深,与她身体里流淌着物理与化学的血液是分不开的。


小时候父母常引导鲍哲南思考生活中常见的科学现象。

只是吃冰棍一件小事,平常人也许贪一时嘴瘾过后就忘了。

而在鲍哲南身上,小小年纪的她就思考和验证了冰棍落入水中会浮起来而不是沉下去

然后在心里种下了“冰的密度比水小”的知识点。


科学氛围浓厚的家庭环境让她比大多数人更早一步打开奇妙的科学世界大门。

后来鲍哲南高考考入南京大学的化学化工学院,成为了父母的校友。

她真正对高分子化学产生浓厚的兴趣,还是在南京大学薛奇教授的实验室中。

实验过程中物质间碰撞反应产生的神奇现象深深抓住了她对于未知探索的好奇心。

在往后科研工作中,鲍哲南的重心也主要在高分子化学方面。

本科时期的鲍哲南(中间)与同窗好友


优秀的科研水平和学业成绩助力鲍哲南稳步登上更高的学府殿堂。

大三那年,鲍哲南举家移民到美国,她也进入了伊利诺伊大学芝加哥分校学习。

本科还没毕业,芝加哥大学就向她抛出了橄榄枝


在世界排名前十的芝大攻读硕士和博士学位的过程也为她打下坚实的科研基础。

鲍哲南读完博士之后原本想申请贝尔实验室的博士后,却直接被免掉了两年博士后的过程,聘请为研究人员。

贝尔实验室现在是诺基亚的子公司


专业化程度极高、经费充裕的贝尔实验室给鲍哲南营造了很好的科研氛围。

她沉浸在有机电子学的领域里,从中发掘“散发着魅力”的化学聚合物。

人造电子皮肤,是她最感兴趣的一个研究方向。


第一次发现有潜力作为塑料晶体管的高聚物——聚(3-己基)噻吩;

制作出第一张以半导体碳纳米管为原料的柔性电子纸;

将传感器、电子线路、突触晶体管组合形成完整的电子皮肤;

……

对于柔性材料的研发和应用成为了她二十多年科研生涯中最主要的一部分。


这些研发成果也为她科研生涯主要研发的人造皮肤技术打下了坚实的基础。

我们印象中的机器人大都是冷冰冰、硬邦邦的合金组装起来的人形机器。

如果总感觉它少了些关键性的功能,那应该就是人类精密的触觉了。

你有没有想过将来某一天会出现以下情景:

机器人同样拥有着柔软的肌肤,看起来和人类没什么两样;它们也能通过皮肤感知到痛觉和温度

电影中穿戴上皮肤的机器人


机器人也许离我们的生活还比较远,但人体本身将受益更多。

丧失的残疾人大多借助义肢来维持正常生活。

但即使是功能性义肢,装上后也只能达到简单抓握等功能。

而截肢者怀念的,是真真切切的肢体感觉。

如果这种人造皮肤能让他们重新获得感觉,怎么会有人忍心拒绝?


要做一层皮肤不难,难就难在如何让这层皮肤与身体融为一体。

本质上就是要使皮肤连通大脑神经,重新建立起复杂的神经突触。

鲍哲南教授带领的团队做到了这一点。


人体的感受机制大致分为三个部分:

皮肤感受器、传入神经和大脑或脊髓神经中枢。

模拟人体皮肤自然也要用特定的结构来实现传达中枢的机制功能。

他们开发的人造神经系统则对应为电子传感器、环形振荡器突触晶体管

压力感知过程


纳米材料的噱头在生活中也颇有享誉。

微小的有序结构赋予了碳纳米管良好的柔性和导电性

于是它成功当选了人造皮肤的主角材料。

电镜下的碳纳米管


和人的皮肤类似,电子传感器实现的功能就是感知外界施加的压力。

但又与人体有所不同,它会把压力转化为电压,以便于传递给下一个部件。

而中转站环形振荡器的作用虽然是简单地把电压转变为电脉冲*信号

这一个功能实现的复杂程度也不容小嘘。

电脉冲再通过突触晶体管的转化输出,最终抵达大脑。

“感知”这个抽象的概念其实被具象化为电压和电脉冲信号。

*注:电脉冲是指由电子产生的,在很短时间内电压改变一次的过程。

在截去一条腿的蟑螂上试验,蟑螂腿有感知反应


看似科研道路一帆风顺,其实中间也暗藏汹涌。

而且这一波汹涌来势可不小,差点把鲍哲南的科研帆船给打翻了。

2001年是鲍哲南的丰收年。

她成为贝尔实验室的杰出研究员,这是贝尔实验室科技雇员的最高级别。

还斩获了美国化学学会团队创新奖、研发100奖等美国著名大奖

而这一年,她也遭受了一场舆论风波。


鲍哲南与贝尔实验室的同事舍恩都主要研究半导体方面的内容。

因此工作上长期合作实验,还共同发表了好几篇论文

当时年仅31岁的物理学家舍恩科研水平早已让许多科学家艳羡。

鲍哲南与舍恩一同工作


他加盟贝尔实验室4年来就发表了100多篇论文,最夸张的时候每8天就发表一篇。

而他制造出世界最小的纳米晶体管,在科学界却制造出巨大的骚动。

令人咋舌的高产高质科研作品一度让舍恩被捧为诺贝尔奖的热门人选。

2016年已经可以制造出1nm的碳纳米管


科研论文讲究可重复性。

也就是其他科研人员能重复论文中的实验方法,得出相同的实验结果。

舍恩如此耀眼的作品自然得到许多实验者的追逐。

但质疑的声音也油然而生,他们发现舍恩的一些实验结果始终无法重复


有证据表明,舍恩在Nature、Science等国际学术报刊上发表的论文有数据造假的痕迹。

贝尔实验室立即成立审查委员会对他展开调查。

最终确认了舍恩的学术造假情况属实。

而世界上最小纳米晶体管的两篇论文,主要作者除了舍恩之外,还有鲍哲南。

与同事探讨工作的舍恩(最左)


外界针对鲍哲南的猜测与谣言沉重地压在了她的身上,认为她也涉嫌学术造假。

要知道,科研就是鲍哲南的生命,科研价值就是她的人生价值。

这一打击有可能直接断绝了她的科研道路。

直到后来调查证明她对舍恩篡改实验数据的情况并不知情,她才得以恢复清白。


舆论的风波没有过多地影响鲍哲南的科研事业。

2004年,她接受斯坦福大学的邀请,到化学工程系执教。

科研水平逐步攀升,鲍哲南也收获了越来越多的国际学术奖。

在被问及科研的最终目标是否是诺奖时,她却坦言科研是兴趣,做自己感兴趣的事就会开心,而不必在乎荣誉。

在接受采访的鲍哲南


不同的阶段可能有不一样的研究方向。

但鲍哲南依然是那个对科研事业如痴如醉的女强人。

进入斯坦福大学后,她不再局限于有机电子学科,而开始对能源电池产生了兴趣

这时她遇到了另一位材料界的好搭档——崔屹教授。

两人被称为斯坦福大学的“双子星”,多次合作推动化学电源性能的改善。

鲍哲南教授与崔屹教授


学科跨越的障碍挡不住鲍哲南的研究热情。

凭借对高分子聚合物的研究基础,她将石墨烯涂覆的镍纳米粒子嵌入聚乙烯材料。

也就是改良了我们常见的塑料,制造出轻薄且导电的薄膜。

这种塑料薄膜嵌入到锂电中,不仅有助于电流更快通过,还改善了锂离子电池过热起火的安全性问题。


不到两年,两人再度联手攻克钠离子电池的性能难题。

纳米材料再一次展示了它优异的特点。

他们发现将电池中的正极材料块状玫棕酸二钠替换成相同的纳米材料后,电池充放电的能力得到了显著的提升。

在锂电瓜分了大部分市场份额的今天,钠电也逐渐迎头赶上。


2010年,鲍哲南作为创始人之一创办了C3NANO公司,将研究成果推向市场。

2016年她当选美国工程学院院士,进入了美国工程学界最高学术团体。

2017年她获得欧莱雅-联合国教科文组织颁发的“世界杰出女科学家”奖*。

如今年仅48岁的鲍哲南教授已经拥有400多篇论文和60多项美国专利,在科学界获得了数不清的头衔与荣誉。

*注:目前斩获这个奖项的华人女科学家包括鲍哲南在内只有7人。

“世界杰出女科学家”颁奖典礼上获奖的鲍哲南


鲍哲南从感兴趣的领域入手,逐渐把领域的边界打破。

然后发现科学的高度在于各个交叉学科的融会贯通。

她的科学研究始于兴趣,没有终点。


*参考文献

Robert F. Service. New artificial nervescould transform prosthetics. Science. 2018.05.31.

张玉刚. 柔性触觉传感器用碳纳米管复合材料的研究[D]. 合肥工业大学, 2010.

Tee B C, Wang C, Allen R, et al. Anelectrically and mechanically self-healing composite with pressure- andflexion-sensitive properties for electronic skin applications.[J]. NatureNanotechnology, 2012, 7(12):825-832.

Chen Z, Hsu P C, Lopez J, et al. Fast andreversible thermoresponsive polymer switching materials for safer batteries[J].Nature Energy, 2016, 1(1):15009.

Service R F. Scientific misconduct. BellLabs fires star physicist found guilty of forging data.[J]. Science, 2002,298(5591):30-31.




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