新年第一节课，却是本学期的最后一节课。

结课，也意味着需要对课程小结，梳理课程框架，同时也是教学过程的自我迭代。

课程名《材料科学前沿》，授课对象为材料科学与工程专业的博士生。对这个层面的学生，基础知识略显繁杂，而说教也无太多实际意义。于是在教学大纲的前提下，我选择了案例教学，特别以近年12个与材料科学有关的诺贝尔奖成果为案例，参考了这些成果的原始发表论文及参考文献、获奖者的演讲、媒体与研究同行们的评论，对它们的研究背景、成果发现、意义和影响进行了分析和讨论。

这12个成果案例中，共有31名获得者，以论文发表时间为准，成果产出时的平均年龄41.6岁，稍高于整体诺奖获得者取得代表性研究成果时的平均年龄值，研究者的黄金阶段大体在博士毕业后10余年的时间内，此时年富力强、充满进取心（其实也是需要证明自己）并且已具有一定的研究经验。学术机构中大学占比三分之二，大学研究的自由度颇高，其学术环境更适合探索未知领域；而另有三分之一的研究人员来自于行业巨头企业及国立研究院所，充足的研究经费和明确的研究目标也是许多技术突破的保障，其中最为耀眼的就是美国贝尔实验室，贝尔实验室除了在其自己行业内的通讯信息领域贡献了如信息论、UNIX操作系统和C语言这种原创成果，还贡献了包括晶体管在内的9个诺奖成果。成果贡献所在国家中，以美国最为集中，占四成有13人，英国日本则各有6人，并且许多成果的资助（如IBM瑞士苏黎世实验室的高温超导）、合作、转化（IBM将巨磁阻效应应用于硬盘磁头）多个环节也与美国有关，其他国家获奖者在美国求学或工作的比例也非常高，美国自二战后的全球科学研究中心地位凸显。

以获奖者关系分类，可以有“接力棒”的研究模式，MOFs、量子点、锂离子电池，这三个工作均跨度10年左右，都是由三个不同机构的三人接连完成。如MOFs由墨尔本大学的罗布森1989年提出概念，后来者则验证“功能化”应用和实现“规模化”，这算是材料领域典型“科学到工程”的闭环；量子点则是由美、前苏联科学家各自独立发现尺寸对光性能的影响现象，最后由巴文迪解决量产的问题；锂离子电池中，三位科学家则在嵌入充放电原理、负极和正极依次取得突破，为最后的商业化奠定了材料基础。另外还有”师承关系”的研究模式。宏观量子隧穿中的克拉克当时为伯克利教授，而另外两位德沃雷、马蒂尼斯分别是他的博士后与博士生，他们与谷歌的合作加速了量子计算的进步；蓝光LED的发现者天野浩是名古屋大学赤崎勇教授的博士生；诺沃肖洛夫本来在荷兰跟随海姆读博士，海姆转到曼彻斯特大学任教后，他追随导师在那里继续合作发现了石墨烯。“跨界合作”的方式在富勒烯发现中得以体现，英国萨塞克斯大学的克罗托是分子光谱专家，其研究对象本来是星际空间中的长链碳分子，为模拟恒星环境开展实验，他联系了美国莱斯大学从事半导体团簇材料研究的科尔和斯莫利，因为莱斯大学有一台可模仿恒星环境的团簇束流发生器，在实验样品中除了有计划中的长链碳分子，还有某种此前未知的纯碳分子：C60和C70。

以idea起源分类，有“凭空想象”的案例。如罗布森准备分子模型的教具时受到启发，能否将成键特性来连接更大尺度的分子从而创造出全新类型的分子结构，由此产生MOFs；海姆则将他那些奇怪的、看似不切实际的非正式科研想法归类为‌“星期五晚的实验”，尽管曾被“搞笑诺贝尔奖”受过讥嘲，最后却在石墨烯研究获得成功。这些例子属于“自由探索”的范畴，同时应证了科学家们“大胆假设、小心求证”的治学方法。还有“不期而遇”的情形。谢赫特曼在美国访学实验中观察到合金的异常衍射花样图案，原始实验记录中写着“10重对称？？？”，正是他有着这三个问号般的坚持，在顶住各种质疑后经历两年七个月后发表了准晶这一成果；在导电聚合物的发现中，最初是因为实验错误，把比正常浓度高出上千倍的催化剂加入实验中，结果本应是黑色产物的聚乙炔变成银色，于是发现者转而关注产物的导电性；当赤崎勇和天野浩在扫描电镜下观察p型氮化镓时，注意到在用电镜观察时样品的发光强度增强，因此他们利用电子束处理来能提升材料的发光效率；布鲁斯合成CdS晶粒时发现了一个奇怪的现象：当天新做出来的晶粒和放了几天之后的晶粒相比，光谱上有些不同，因此发现了量子点；类似的还有富勒烯的发现，本身实验设计是想合成长链碳分子。这些也提醒我们在研究中往往是错误或意外可能存在重大发现。然而也不是每个新现象都会垂青偶遇者，就比如在富勒烯被报道之前2年，已有几个小组观察到C60的相关光谱信息，但他们并未对实验结果进一步分析，痛失大好机会。就“有组织的科研”方面，这主要集中在“需求牵引、目标导向”的企业产品研发案例上，如埃克森为应对石油危机启动的锂离子电池研发、旭化成在电池正极材料的突破及他们后期与索尼的合作、日亚化学在蓝光LED的研发及全球专利布局都是商业利益驱动的。

这些发现中，到处都昭示“站在巨人的肩膀上”的重要性。如高温超导发现中，两位发现者是受法国Michel团队刚刚报道的Ba-La-Cu-O材料启发，他们认为该材料符合Jahn-Teller理论模型中兼顾混合价铜离子与晶体畸变两个特点，加之IBM实验室自身在前期氧化物钙钛矿材料超导材料已积累多年，新的铜氧化物超导体系由此诞生。即使像海姆这种天马行空的研究方式，也是在读过一篇关于石墨化合物插层的综述论文后，构思了他关于石墨烯这朵成功的“云”。还比如自有薛定谔方程起，就在理论上认为可以通过调整尺寸来实现量子效应，而量子点被发现后形象地展示了这一效应。威廷汉能发明锂离子电池，也归功于他早期研究的超导材料中有一种可嵌入离子的二硫化物，他加入埃克森后则利用这种材料对锂离子的嵌入与脱嵌进行充电与放电。很显然，任何研究都不是无根之树，但是这些前沿性的成果又必将开辟一片森林。

这些研究成果的发现到被诺奖嘉奖，时间跨度平均26年。其中最短的为高温超导，在论文发表第二年就获奖，这主要是超导材料的临界温度一直非常低并被BCS理论所限，这一发现很快就被全世界各个研究小组证实，临界温度也在其它铜氧化物中迅速被提高到液氮温度。而大多数研究发现不但要被同行再现结果，其对科学或技术尤其是后者的影响则需要更长的时间，如锂离子电池广泛应用于消费电子、新能源汽车等领域是在其发现后二三十年，这也使得古迪纳夫以97岁高龄成为有史以来最年长的诺奖得主。类似的有MOFs和量子点，这些新的材料“对人类作出最大贡献”的影响力必须通过技术应用才可真正体现。另外值得注意的是，仅有石墨烯是本世纪的研究成果。材料的理论基础还是百年之前成就的量子力学大厦，研究者们只是在这个大厦中装修或修补各自领域的房子，这些仍与1959年费曼著名的“底部大有空间”演讲遥相呼应，这些年多个纳米材料成果获得诺奖即是证明。

以巨磁阻为例，这被认为是量子物理与实用技术结合的典范。它的发现本身也是受益于纳米薄膜制备技术的成熟与升级，而它的成功又在技术层面重塑了数字时代的数据存储方式，同时开创了自旋电子学这一前沿领域，在科学研究与技术应用之间上演了多次递进。该案例因为具有典型的"科学突破—工程转化—产业应用"的完整链条，《研究政策》期刊上有一篇题为“谁从基于科学的创新中获取价值？以硬盘工业中巨磁阻的利益分配为例”的论文，对链条中科学家个人与所在机构、高技术企业到国家等多个层面的各自贡献与获益做了详尽分析。尽管法国/德国贡献了原始发现，但仅获得少部分专利许可费，这是由于欧洲的产业化能力薄弱导致其未能分享主要经济收益；而来自美国IBM的研究人员解决了其工程转化的几个关键问题如大规模制备、低温与大磁场要求，造成IBM及其它几家美国、日本的几家行业巨头垄断了巨磁阻读头制造；最后随着产业转移，相关制造工厂基本都在东南亚以及后来的中国安家。

中国目前具有全产业链的优势，已经在成果转化方面取得许多成绩，上述诺奖成果中锂离子电池生产占全球的约四分之三，LED等相关行业都具有差不多的产能体量。但目前在“0到1”的原创方面，还较为缺乏，这对我国“提高科技原创能力，抢占科技创新制高点”有重要意义。过去这些诺奖的经验告诉我们，原创成果的起源并无定式，但有一点是相通的，就是这些发现者具有扎实的知识功底、丰富的想象力、敏锐的学术嗅觉与坚守初心的人格品质。