來源丨科學(xué)網(wǎng)
當(dāng)袁欣彤將50頁的回復(fù)信寄給Nature審稿人時(shí)，她從未想過自己的論文會(huì)登上Nature封面。這個(gè)來自山東的直爽開朗的女孩現(xiàn)在是美國加州大學(xué)洛杉磯分校博士三年級(jí)的學(xué)生，她的導(dǎo)師也是該校工程學(xué)院化學(xué)工程系的助理教授李煜章，同樣是一名“90后”。
對(duì)于論文登上Nature封面，袁欣彤除了喜悅外，更多的是感到“不敢相信”。她說，論文的發(fā)表只是意味著當(dāng)前課題的結(jié)束，但在接下來的科研生涯中，她將繼續(xù)踏踏實(shí)實(shí)地開展每一個(gè)研究課題。她認(rèn)為，“失敗是成功之母”，在這篇“成功”論文中，反而是展示了實(shí)驗(yàn)中失敗的部分，這是她在整個(gè)研究過程中最大的收獲。
袁欣彤在實(shí)驗(yàn)室（受訪者供圖，下同）
一個(gè)“反常識(shí)現(xiàn)象”，開啟研究新范式
這篇于8月2日登上Nature封面的論文，題為《獨(dú)立于SEI形成的多面體鋰的快速沉積》，主要圍繞鋰金屬電池展開相關(guān)工作。
你是否曾經(jīng)聽說過鋰電池？我們每天使用的手機(jī)和電動(dòng)車都離不開鋰離子電池的幫助。它采用了鋰離子嵌入石墨電極的方法進(jìn)行儲(chǔ)能。但還有一種與鋰有關(guān)的電池，名為鋰金屬電池，它通過將鋰離子電沉積并還原成鋰金屬來儲(chǔ)能，這種電池內(nèi)含大量的金屬態(tài)鋰。鋰金屬電池有著理論容量大、能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，因此在未來有著非常大的開發(fā)潛力。然而，目前它還處于研發(fā)的初級(jí)階段，存在許多問題。其中最主要的兩個(gè)問題就是它的循環(huán)壽命短暫以及安全性差。這些問題的出現(xiàn)，很大程度上是因?yàn)殇嚱饘俚某练e行為難以控制。袁欣彤在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示，通常情況下，隨著鋰金屬的沉積，其表面會(huì)形成一層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）。這一層SEI的存在使得鋰金屬的沉積過程變得異常復(fù)雜。受SEI的影響，鋰金屬的沉積機(jī)理最終會(huì)形成類似樹枝一樣的“枝晶”。這些枝晶在電池中生長，不僅會(huì)消耗大量的鋰金屬，也會(huì)破壞電池的結(jié)構(gòu)，從而影響電池的使用壽命和安全性。
在研究者李煜章的指導(dǎo)下，袁欣彤采用了備受矚目的冷凍電鏡技術(shù)來開展這項(xiàng)研究。冷凍電鏡技術(shù)，榮獲2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的榮譽(yù)，如今在生命科學(xué)領(lǐng)域大放異彩。此項(xiàng)技術(shù)的歷史性應(yīng)用，源自李煜章與其博士期間的導(dǎo)師、美國斯坦福大學(xué)的教授崔屹，他們率先將冷凍電鏡技術(shù)引入材料科學(xué)領(lǐng)域，并首次揭示了鋰枝晶的原子級(jí)結(jié)構(gòu)圖像。在這個(gè)新的研究中，如何精準(zhǔn)調(diào)控鋰金屬的電沉積，成為了袁欣彤和李煜章關(guān)注的焦點(diǎn)。有一天，當(dāng)他們?cè)陲@微鏡前潛心觀察時(shí)，一個(gè)顛覆性的想法閃現(xiàn)：如果將鋰金屬的沉積過程與SEI的形成過程剝離，是否就能更深入地理解鋰金屬的沉積過程呢？這個(gè)大膽的想法引領(lǐng)了他們的實(shí)驗(yàn)。袁欣彤利用超微電極進(jìn)行了鋰金屬的快速沉積，成功打破了SEI的束縛。結(jié)果超出了他們的預(yù)期：鋰金屬的沉積竟然形成了一致的均勻菱形十二面體。袁欣彤深知，相較于過去“無法控制的枝晶”，這種穩(wěn)定的沉積方式預(yù)示著均勻脫附的可能性，從而有望實(shí)現(xiàn)出色的循環(huán)性能。這個(gè)發(fā)現(xiàn)不僅為鋰金屬的沉積過程帶來了新的理解，也開啟了一個(gè)全新的研究方向，對(duì)于電池科技的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的啟示意義。
袁欣彤向記者透露了一個(gè)顛覆常識(shí)的發(fā)現(xiàn)：“這一結(jié)果雖然看似出人意料，但卻與上世紀(jì)經(jīng)典晶體學(xué)理論對(duì)鋰作為體心立方晶胞結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)相吻合?！彼畛跽J(rèn)為這種“完美的菱形十二面體”只是偶然現(xiàn)象。然而，經(jīng)過在不同電解液和集流體基底上進(jìn)行的多次嘗試，她驚奇地發(fā)現(xiàn)顯微鏡下依然呈現(xiàn)出完美的菱形十二面體。這表明這種現(xiàn)象具有普適性，并不受電解液化學(xué)和集流體基底性質(zhì)的影響。這一發(fā)現(xiàn)不僅徹底顛覆了人們對(duì)鋰金屬沉積的傳統(tǒng)觀念，更為鋰電池的性能提升開啟了一個(gè)全新的思路。這一突破性研究成果將為電池科技領(lǐng)域帶來革命性的改變，并有望為電動(dòng)汽車、移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域的能源儲(chǔ)存和供應(yīng)提供更加高效、可持續(xù)的解決方案。
“直到現(xiàn)在，一切看起來都十分美好。我們偶然發(fā)現(xiàn)了這個(gè)華麗的結(jié)構(gòu)，仿佛是電解液和集流體基底上的一顆璀璨明珠，它讓我們激動(dòng)不已，憧憬著能借助它提升電池的性能，比如追求更高的庫侖效率、更長的循環(huán)壽命等?；貞浧甬?dāng)時(shí)的情景，袁欣彤的臉上洋溢著無法掩飾的喜悅。然而，當(dāng)研究的最后一步即將揭開完美的面紗時(shí)，事情卻開始出現(xiàn)了意外。實(shí)驗(yàn)的最后一步，是驗(yàn)證這個(gè)“完美結(jié)構(gòu)”在電池中的實(shí)際表現(xiàn)。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻讓所有人感到了驚愕——性能糟糕透頂。不論我們?nèi)绾握{(diào)整參數(shù)，優(yōu)化性能都顯得困難重重。在這個(gè)看似無懈可擊的結(jié)構(gòu)中，存在一個(gè)致命的問題。在菱形十二面體的下方，隱藏著一條狹窄的“通道”，阻礙了十二面體與集流體的緊密接觸，導(dǎo)致庫侖效率低下。這讓我們不禁懷疑，我們整個(gè)研究的意義何在？袁欣彤坦言道。每每回想起這段經(jīng)歷，袁欣彤都會(huì)感到一種挫敗感。這個(gè)明明看起來很美好的發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用上卻是一敗涂地。每當(dāng)我們向同行講述這項(xiàng)工作時(shí)，她都會(huì)感到信心不足——這樣的論文投出去，真的會(huì)被接受嗎？這個(gè)疑問始終縈繞在她的心頭，揮之不去。”
冷凍電鏡下的鋰離子，成為課題組通用的“大拇哥”表情包
最終，袁欣彤下定決心，要讓她的導(dǎo)師在論文中充分展示研究中的“失敗”。她深知，“完美結(jié)構(gòu)”在實(shí)際應(yīng)用上的缺陷是藏不住的。于是，她嘗試解析快充電池為何會(huì)失效，機(jī)制是什么?！斑@是我此次研究的最大成果，”袁欣彤坦言，“作為科研人員，我們不只是要展示成功的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，失敗的數(shù)據(jù)同樣重要。失敗是我們付出的證明，是推動(dòng)研究進(jìn)程的重要一環(huán)。”為了充分展示這些“失敗之處”，袁欣彤與審稿人展開了激烈而有益的互動(dòng)。首次回應(yīng)審稿意見時(shí)，面對(duì)審稿人提出的近30個(gè)問題，她撰寫了一封50頁的回應(yīng)信。在第二輪審稿時(shí)，她又撰寫了25頁的回應(yīng)信。在近半年的三輪審稿、修訂和回應(yīng)過程中，課題組進(jìn)行了更多實(shí)驗(yàn)，研究的結(jié)論也更加扎實(shí)。更重要的是，審稿人基于應(yīng)用上的“失敗”提出了一種建設(shè)性意見——脈沖充電法，這為袁欣彤的基礎(chǔ)研究向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化提供了希望的曙光。袁欣彤表示，自己從未想過這篇論文能夠榮登Nature封面。但如今回顧，正是對(duì)失敗的坦然展示，或許正是登上封面的“秘訣”之一。
實(shí)驗(yàn)室的第一個(gè)博士，是什么體驗(yàn)？
“這篇Nature封面論文僅僅用了4個(gè)名字作為署名，但這并不妨礙它的含金量。第一作者袁欣彤獨(dú)攬了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作、數(shù)據(jù)分析和論文撰寫，她的師妹兼室友、博士二年級(jí)的劉博則在多物理場(chǎng)仿真模擬和分析方面做出了貢獻(xiàn)。該校電鏡中心負(fù)責(zé)人Matthew Mecklenburg博士則以他的專業(yè)知識(shí)在成像分析上給出了許多寶貴的建議。李煜章則以他的監(jiān)督和指導(dǎo)，確保了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和論文撰寫的順利進(jìn)行。袁欣彤表示，她們所在的李煜章實(shí)驗(yàn)室以“小而精”而著稱。2020年7月，不到30歲的李煜章就來到了UCLA擔(dān)任獨(dú)立PI，如今他們的團(tuán)隊(duì)只有6名博士生、1名博士后和一些剛剛畢業(yè)的碩士，而作為李煜章第一批入學(xué)的博士生，袁欣彤就成了這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的“大師姐”。”
袁欣彤（后排左二）與導(dǎo)師李煜章（前排右一），劉博（前排左一）
師徒二人的奇緣始于2019年除夕夜。當(dāng)時(shí)，袁欣彤作為天津大學(xué)鞏金龍教授團(tuán)隊(duì)的一名碩士研究生，正在為她的博士申請(qǐng)季忙碌。當(dāng)她收到來自未來UCLA實(shí)驗(yàn)室主任李煜章教授的offer時(shí)，激動(dòng)的心情難以言表。電化學(xué)、電池正是袁欣彤的最愛，而李煜章更是在材料學(xué)領(lǐng)域?qū)⒗鋬鲭婄R運(yùn)用得出神入化。此時(shí)的李煜章雖然還沒正式建立實(shí)驗(yàn)室，也沒有帶過博士生的經(jīng)驗(yàn)，但袁欣彤還是毫不猶豫地選擇加入這個(gè)即將起步的團(tuán)隊(duì)。作為實(shí)驗(yàn)室里的“大師姐”，袁欣彤親眼見證了實(shí)驗(yàn)室從無到有、從小到大的發(fā)展歷程。在實(shí)驗(yàn)室初期，設(shè)備和資金都十分緊張，而進(jìn)行鋰電池實(shí)驗(yàn)所需的電解液更是貴得讓人咋舌。然而，困難并沒有讓李煜章退縮，他總是派出“得力干將”袁欣彤去其他實(shí)驗(yàn)室借實(shí)驗(yàn)儀器和試劑等，美其名曰“鍛煉你的溝通技巧”。這個(gè)故事讓我們看到了科學(xué)探索的艱辛與不易，也感受到了師徒二人在困難面前的堅(jiān)定信念和相互扶持。正是這樣的精神支撐著他們?cè)诳蒲械缆飞喜粩嗲靶?，為人類科學(xué)進(jìn)步貢獻(xiàn)力量。
李煜章課題組徒步，李煜章（左一）、袁欣彤（左四）、劉博（左五）
“我們團(tuán)隊(duì)雖然經(jīng)濟(jì)上捉襟見肘，但正因如此，我們更加堅(jiān)定了信念。袁欣彤微笑著說：“我們的導(dǎo)師總會(huì)用特殊的方式來補(bǔ)償我們?！眲傞_始研究生生涯時(shí)，袁欣彤對(duì)冷凍電鏡技術(shù)一無所知，導(dǎo)師不辭勞苦地連續(xù)兩個(gè)月教她如何拍攝、保存和處理數(shù)據(jù)。針對(duì)剛加入團(tuán)隊(duì)的國內(nèi)博士生常常面臨的語言問題，導(dǎo)師總是耐心地放慢語速，不厭其煩地講解。在撰寫這篇備受矚目的Nature論文初稿時(shí)，導(dǎo)師甚至逐字逐句地修改和潤色。除了有導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)，一個(gè)好的團(tuán)隊(duì)伙伴也必不可少。袁欣彤的師妹兼室友劉博是這篇論文的第二作者，也是她日常生活中最親密的朋友。在論文合作過程中，無論遇到任何問題，她們都會(huì)互相交流、共同探討。她們志趣相投，喜歡一起欣賞脫口秀，互相分享段子。袁欣彤笑著對(duì)記者說：“我們常常把研究生生活中的點(diǎn)點(diǎn)滴滴編成段子互相逗樂，每次講出來都會(huì)忍不住哈哈大笑。她稱我有成為脫口秀演員的潛力，而她是最了解我笑點(diǎn)的觀眾。”這段友情故事令人感慨萬分，展現(xiàn)了科研之路上的溫情與支持。”
袁欣彤依然沉浸在鋰金屬電池的海洋中，不斷探索未知。對(duì)她來說，這個(gè)領(lǐng)域曾經(jīng)猶如一個(gè)出人意料的寶藏，而她則是那個(gè)幸運(yùn)的發(fā)現(xiàn)者。然而，這并非僅僅依賴她的實(shí)力，更是因?yàn)槿松P(guān)鍵時(shí)刻出現(xiàn)的良師益友的指引。談及未來，袁欣彤滿懷憧憬。她表示，對(duì)于科研道路上的每一種可能性，自己都會(huì)懷揣開放的心態(tài)去擁抱。畢竟，在這個(gè)瞬息萬變的世界，拒絕任何一種可能性就意味著失去了無限的可能。而她，顯然不愿止步于此，而是選擇繼續(xù)前行，勇敢探索鋰金屬電池領(lǐng)域的無盡奧秘。
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06235-w
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