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從冷熱刀到液態金屬 17年他玩轉跨界創新

(受訪者供圖)

人物檔案

劉靜,生於1969年,系中科院理化技術所雙聘研究員兼清華大學醫學院生物醫學工程系教授。 他先後入選中科院及清華大學“百人計劃”,長期從事液態金屬、生物醫學工程與工程熱物理等領域的研究工作。

元旦剛過,劉靜團隊又一篇關於液態金屬的論文刊登在國際學術期刊《材料視野》上。 他們創造出一種基於液態金屬的新型柔性多功能材料,這種材料具有良好的導電性和磁性,內部會產生氣體並生成多孔結構。 在極端情況下其體積可快速膨脹至原來的7倍以上,膨脹後的多孔金屬甚至可攜帶重物漂浮在水面上。

劉靜團隊又一次創造了奇蹟。

跨界研究液態金屬

元旦前,劉靜在微信朋友圈中寫道:“康博刀(又名冷熱刀)腫瘤微創治療設備產品正式下線,今晚將被發往全國各地,服務於臨床一線!”

2006年7月,記者在中科院理化所見到劉靜時,他向我展示了正在研製的冷熱刀,並詳細地解釋它的原理和作用。

這把刀很神奇。 它的探針頂部溫度可達零下190攝氏度,可用其對腫瘤病灶實施深度凍結和消融,使病人減少痛苦。 同時,冷熱刀也可迅速升溫到80攝氏度,以處理更大範圍病灶,實現高效止血。

就這一把刀,他和團隊鑽研了17年。 如今冷熱刀通過了衛生部門的審核,並進入臨床使用階段。 “用十年磨一劍來形容冷熱刀的研製過程都不夠啊。”劉靜感慨道。

除了冷熱刀,這17年間,劉靜還跨界到了液態金屬研究領域。

2013年夏,劉靜和團隊在世界上首次發現了電場控制下液態金屬與水的複合體可在各種形態及運動模式之間發生轉換的基本現象。 緊接著,又在世界上首先發現液態金屬在吞食少量鋁後能自主高速運動且能變形的奇異行為。 這一最新發現轟動了世界。

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樂趣只在科研

液態金屬是一類新興功能材料(如鎵基合金),在常溫下呈液態。 老本行做傳熱研究的劉靜為何研究起了液態金屬?

在劉靜看來,這一切純屬偶然。

2001年前後,劉靜在努力尋找一種能讓計算機芯片快速散熱的材料。 在多次的嘗試後,劉靜意識到液態金屬具有超高的導熱性,作為冷卻液可將集成電路里的熱量快速導出。 就此,他開始了在液態金屬領域的研究。

為尋找新的技術路徑,劉靜研究起液態金屬,這最初還屬於工程科技的範疇。 但之後,他便開始向基礎科學領域探索。 他帶學生在世界上率先發現了液態金屬的眾多科學現象和基礎效應,如自驅動性和自主變形等。

跨界高手劉靜,跨的不僅是學科,還有身份。 除了是科學家,他還是工程師。 冷熱刀之外,他帶領團隊先後研製出數十種硬件裝備和器件,申請了200多項發明專利,其中約130餘項已獲授權。

劉靜沉迷於科研,似乎他的樂趣只在科研。 當然,他對科學的痴迷也使他頗有收穫。 2014年,劉靜榮獲威廉・伯格獎。 這是中國科學家首次獲得國際傳熱界最高獎項。 威廉・伯格獎每4年頒發一次,每次僅有1名獲獎者。

理工兼備 醫學添彩

劉靜能實現跨界研究,還要歸功於他在工程學和物理學領域的積累。

劉靜本科就讀於清華大學,學的是燃氣輪機。 上大學時,他還選修了第二專業應用物理。 作為直博生,他選擇的研究方向是與工程熱物理及生物醫學有關的方向――生物傳熱學。

在此期間,他還旁聽了很多生物專業的課,自學了生物醫學基礎理論知識。 這之後,1996年2月初劉靜在獲得清華大學工程熱物理專業工學博士學位後留校任教。

1999年,劉靜即將從美國普渡大學博士後工作站出站,他面臨人生中的又一次重大選擇――回國還是留下?

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一邊,美國著名高校向他拋來了橄欖枝;另一邊,身處異鄉的漂泊感不時向他襲來,這些讓一個29歲的青年難以抉擇。

1998年,中國科學院正式批准劉靜入選“百人計劃”,此時他知道要做出怎樣的選擇。 1999年,他作為“百人計劃”人才被引進到中科院理化所,主要從事低溫生物醫學的研究,並且組建了低溫生物與醫學實驗室。

偶然之舉成就世界首創

“天生我材必有用。”這句話是劉靜的口頭禪。 他有一顆強大的內心,相信努力和勤奮的力量。

對於自己在液態金屬領域取得的成果,劉靜將其歸功於“大自然的垂青”。 或許,幸運之神真的特別眷顧他。

一次實驗中,劉靜不小心把液態金屬濺到了電腦屏幕上,他用紙和抹布怎麼都擦不掉。 這事讓劉靜頗為苦惱。 直到2004年的某天,劉靜突然想到,既然不能清除電腦屏幕上的液態金屬,正好可利用它“擦不掉”的特性,以此來繪製電子電路。 然而,實驗卻不成功。 因為液態金屬表面張力太大,不易黏附到紙張等材料表面。

雖然出師不利,但劉靜一直想著,總有一天他要拿液態金屬再做做文章。 數年後,偶然一次實驗中他與學生把液態金屬塗在一些基底上,兩頭接上電子元件和電池――世界上首個液態金屬手繪電子電路就這樣誕生了。

他沒有就此止步。 剛開始時,他用毛筆寫液態金屬,後來試著用硬筆。 此外,他還在書寫材料上花心思。 劉靜帶領團隊嘗試在紙上、衣服上、玻璃上甚至樹葉、牆壁上等繪製電子電路。 等這些都實現後,他的“胃口”又開始膨脹,把液態金屬電路畫到人的皮膚上。

手寫電路成功後,劉靜又琢磨起打印液態金屬電路。 那時,多數人還不知道3D打印這個概念,劉靜卻已用它來做實驗了。 劉靜說,他已經記不得“玩壞”了多少台打印設備。

記者手記

認識劉靜很多年了,也早就有寫他的想法。 我曾採訪過上百位科研人員,但感覺劉靜是其中比較“另類”的一位。

現在絕大多數科學家都在跑項目,但劉靜在液態金屬領域取得的成果不少是在偶然間發現的。 他做科研的初心很純粹,他常說“科學是玩出來的”。 他不願把太多的時間花在項目申請上。 當然,在研究經費短缺時,他也曾找過一些企業家支援一下。

之所以感覺劉靜另類,還在於他痴迷於科研。 有些科研人員說自己喜歡科研,但實際上,科研不過是他們的“飯碗”。

一代材料,一代裝備。 中科院院士劉維民曾說:“我不敢說液態金屬開闢了一個新的時代,但它作為一種新材料,給我們開闢了一個新世界。”

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