留日海归刘忠范：纳米小世界 人生大作为

刘忠范（右）在实验室指导学生

刘忠范，北京大学纳米科学与技术研究中心主任、化学与分子工程学院教授、博士生导师。

1962年10月生于吉林九台，1983年毕业于长春工业大学化学工程系。1984～1993年留学日本，先后获日本横滨国立大学硕士、东京大学博士学位。并在日本分子科学研究所完成博士后研究。1993年6月回北京大学化学系工作，同年入选国家教委首批跨世纪优秀人才计划，1994年获国家杰出青年科学基金首批资助，1996年入选国家人事部“百千万人才工程”(第一、二层次)，1997年获香港求是科技基金会杰出青年学者奖和北京大学大众电脑奖教金，1999年首批受聘“长江学者奖励计划”特聘教授。2011年获中国化学会-阿克苏诺贝尔奖，同年当选为中国科学院院士。

逐梦纳米时代

上个世纪五六十年代开始发展的以集成电路技术为核心的微电子技术，造就了今天这样一个神奇的电脑时代。但是一旦集成电路的特征尺寸小于0.05微米时，微电子技术就无能为力了。科学家的伟大就在于他们用一个又一个伟大的构想和矢志不渝的努力不断推进着人类探索未知的进程，并带给这个世界一个又一个的惊喜。

1959年，物理学家理查德·费曼作了一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。这位当时在加州理工学院任教的教授提出了一个新的想法：从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子，以便把物质做成有用的形态有关。费曼认为，物理学的规律不排除一个原子、一个原子地制造物品的可能性。他预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。

自上个世纪70年代开始，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，日本科学家谷口纪南最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼博士和海·罗雷尔博士合作研制了一台奇特的仪器——STM(Scanning Tunneling Microscope，扫描隧道显微镜)，它使人们领略到原子世界的神奇魅力。之所以命名为扫描隧道显微镜，是因为宾尼他们从上个世纪20年代量子力学的王国里听到了“老虎隔山吃人”预言，他们从中得出启示：无力翻越的高山可以借隧道穿越。他们设计了一枚细得不能再细的探针，那针尖只有一个原子大小，这便是他们假以窥探原子世界的“眼睛”。这双神奇的眼睛能沿原子边缘逐个扫视，把它看到的景象传给电脑，电脑画出美丽的图像，告诉人们：瞧瞧！这就是原子的模样！

而此时的刘忠范还只是吉林工学院(现为长春工业大学)的一名普通大学生，对于如此尖端的科技他甚至闻所未闻，当时的他无论如何也不会想到纳米技术会成为自己留学归来以后的主攻方向，并取得丰硕成果。2011年末，北京大学纳米科学与技术研究中心主任，化学与分子工程学院教授、博士生导师刘忠范当选为中国科学院院士。

执著的追求

2012年初，几经辗转，我们总算约到了刘忠范的采访。

让我们没想到的，这次的采访地点居然是在医院。因为腰椎间盘突出，刘忠范不得不住院治疗。对于他来说，也是第一次在医院接受采访。其实早在2年前刘忠范就该治疗了，但忙个不停的他一直拖到现在，实在是连走路都直不起腰来，才不得以住进了医院。他笑着说：“这么多年我从来没住过医院，从来没打过吊瓶。这次都体验了。”

即便是住院治病，刘忠范也是一有时间就忙工作。对于他来说，工作是快乐之源。在他的办公室里，书桌上就有他刚回国时写给学生的一段话：“研究的乐趣在于过程，而不在于结果本身。因为过程当中隐藏着新的发现、新的发明和新的目标，这也是科学家们乐此不疲的奥秘。”

刘忠范说他从小对事物总有好奇心，过了这么多年，仍然保持着。1962年冬，刘忠范出生在吉林的一个农民家庭，他说：“小时候家里很穷，不是农村一般意义上的穷，是特别穷，兄弟姐妹又多，但母亲坚持送我们读书……”刘忠范从小就很听话，爱读书，成绩一直名列前茅。那时候，他从没想过当科学家，就是对很多事情都很好奇，没事的时候爱瞎琢磨，只要在书上看到能做实验的，他都会去试。有一次看到书上说茄子、辣椒听了音乐后会长得又快又大。于是一下课，他就赶忙背着借来的手风琴跑到自家地里做实验，忙活了好几天，也没发现有啥变化……

那时候，刘忠范的作业常常用铅笔写，因为写完后还可以用橡皮擦干净了再用几次。有一次他和哥哥赌气撕了1页，还挨了一次打。高中时期，他没钱住校，每天来回要走30里路。路上要经过一条河，有一次上学途中下雨了，到了河边发现河水涨了，他赶忙把衣服和书包顶在头上游过去，到了学校，他才发现只有他一个学生……

1979年，刘忠范考上长春吉林工学院，在一些同学的眼里，刘忠范有些“怪”：穿得很破，拿个破书包和大茶缸，成天往图书馆和教室跑。

要毕业的时候，一个女老师很神秘地找到他，说要给他介绍对象，当时他很吃惊地说：“我要忙着考研究生，哪有时间谈情说爱呢？”回首往事，刘忠范说：“这也跟我个人的性情有关，对感情有点迟钝。我觉得，年轻时应多一些‘单纯’，应有一段‘迟钝’的时间，安静无纷扰地用于学习和研究，对将来的发展大有裨益。毕业后我想继续求学，当时考研究生填表的时候有两栏，国内研究生和出国研究生。大家都说考‘出国研究生’挺难的，我就选了难的试试，真就考上了。”

1984年10月,刘忠范被公派出国。国家每月给公派留学生8.5万日元的奖学金，他又通过考试获得了日本政府奖学金，有17万多日元。刘忠范说：“拿了钱搁在桌上有一大堆，我从没那么富有过，都不知道怎么花，感觉到了天堂。”

现在回想起来，刘忠范说：“物质上的满足，只能带来精神上的一时愉悦，不再为钱发愁，精神层面的追求也就越高了。现在，当获得一个好的实验结果，当看到自己的学生不断进步，我都会感到欣慰。我觉得上帝是公平的，如果加上时间的标尺。只要认准目标，不懈地努力追求，积极面对困难和挑战，终会得到回报。”

留学期间开始接触纳米科技

在日本，刘忠范先是在横滨国立大学攻读硕士学位。1987年，他以优异成绩考入东京大学攻读博士学位，师从国际著名光电化学家藤昭教授。藤教授对于中国的传统文化有着深刻的理解，他有一次到中国访问，看到清代书画家、文学家郑板桥题过的匾额“难得糊涂”，对其处世哲学大为赞赏，认为这与自己的教育理念和学术追求很吻合。他认为一个人一生只能做一件事，就像郑板桥所说的要“难得糊涂“。搞科学研究，就要学学这种人生哲学，一辈子认认真真做好一件事就够了，对其他的事该糊涂的要糊涂。当时已经年近半百的藤先生从家到学校有近2个小时的车程，但他早上8点半必到办公室，晚上10点才离开。这样的治学态度给刘忠范很大影响。

在藤先生的指导下，1987年，刘忠范就开始用扫描隧道显微(STM)仪器来探索纳米级的海量信息存储技术、STM是纳米加工技术中的最新发展，可实现原子、分子的搬迁、去除和排列重组，能实现原子级的精加工。借助STM，他们发明的新型的光电化学存储方法比光盘容量提高了近万倍。1990年，他们的研究成果在《自然》上发表，诸多日本主流媒体纷纷给予报道。

留学期间，刘忠范的生活改善了很多，性格也开朗了。从前他只有一个爱好——学习。到日本后，他的兴趣广泛了，尤其喜欢运动：“身体是革命的本钱啊！会积极休息的人才会创造性地工作。”

博士毕业后，导师推荐他到日本分子科学研究所，师从井口洋夫先生做博士后研究。

井口洋夫是一位在世界化学界享有盛誉并有杰出学术成就的日本科学家，刘忠范很庆幸自己能有机会在日本留学期间，师从两位大师级的科学家。

回国迎来人生新转折

在日本的科研成果积累日渐丰厚的时候，刘忠范却做了一个让他的导师吃惊的决定——回国。

当时，刘忠范本想去美国继续深造，但遭到美国驻日本使馆的拒签，藤先生得知消息后安慰他说：“没关系，下次我陪你一起去”。到了第二次签证时，藤先生亲自到美国使馆，证明自己的学生去美国的目的就是想继续深造，但美国使馆却再次拒签了他的签证。这一经历无疑给刘忠范留下了一个心理阴影。

就在此时，刘忠范邂逅了北京大学蔡生民教授。蔡先生是一位国际知名的电化学家，在访问东京大学期间曾盛情邀请刘忠范到北京大学工作。刘忠范去冈崎日本分子科学研究所工作后，蔡先生又专程前去看望。从东京到冈崎乘新干线列车需要2个多小时。那天，不巧的是新干线列车路上遇到意外，蔡生民教授很晚才抵达。看到蔡先生疲惫的身影映着万家灯火一点点走近，刘忠范的心也被这样的场景温暖着，并深深地铭刻在脑海中。这对比鲜明的一拒一请，让刘忠范深受触动：“科学的确没有国界，但科学家一定要有祖国。我属于这个地方，这里有我的梦想、我的青春、我的师友……在国外，我总是对这一切魂牵梦萦。我必须回到这里，正如自由的鱼儿总要回到赋予它生命的源头。我只能从这里再出发，再向前。我曾经对日本友人开玩笑说：‘我把最美好的青春都献给你们的国家了。现在我要回到自己的国家……”

1993年，刘忠范回国来到北京大学，与他同行的还有藤和井口两位导师赠送的60余箱仪器设备，加上他自己省吃俭用购买的一些设备、资料，总价值20多万美元，这些宝贝为他回国创建自己的实验室打下了坚实的基础。

激情燃烧的岁月

在北大，刘忠范亲手建立起光电智能材料研究室，这个名称本身就带着日本文化的影子。刘忠范说：“我喜欢这个名字。刚回国的时候，的确什么都没有，完全从零开始做。有2间空房子，每一个插头在什么地方放着，都是我自己设计以后找人安装的。桌椅板凳都是自己买的。”

1993年，刘忠范花了50多万人民币买了一台STM仪器，需要为仪器配置防震台，但是因为资金紧张，刘忠范只好带着学生到学校附近的工地上找沙子和锯末，以此作为代替性的防震装置。刘忠范说：“学校里有个加工厂，我们向工人恳求了好些时间才拿到这些锯末。沙子和锯末弄回来以后，还要晒干才能用。我们是7月份开始做这个事情的，正好赶上雨季，一下雨还得抢收这些晒着的宝贝。当时我刚刚30岁多一点，非常有激情，这些事情我都记忆犹新。”

刘忠范提出“一天26小时”的口号，高效率地工作。在每一个实验室墙上，都贴有一张研究进展表，每隔一段时间，要求有新的进展出现在表上。每个周六晚上都有研究汇报会，要求每个人上台去汇报自己的课题进展，大家自由地针对某个问题辩论。这样就促使每个成员去钻研，去竞争。

刚回国的头几年，刘忠范的月工资不到500元，几乎不足以维护一个教授的尊严……即使尴尬，即使不宽裕，他还是留了下来。37岁时，刘忠范被聘为教育部“长江学者”特聘教授，当时长江学者的年薪10万还算是高收入，有人问这个收入是否能体现他的价值？刘忠范说：“我对有些东西比较迟钝，年轻时对爱情，现在对钱，都是如此。记得申报‘长江学者’时，我写的第一句话是：‘我有一个梦’，这个梦很简单，就是希望能在国内做出一番事业来！如果就想赚钱，我肯定不会回国。10万够不够身价，我先不说，至少500元不够身价。1996年初我以甲级客座教授身份去日本东北大学作合作研究，月薪折合人民币近10万元，我也只待了3个月。比起自己的梦想，钱就是其次了。1999年我被聘为“长江学者”，觉得很幸运。”

纳米技术是一项需要庞大投资的高科技，美国、日本等国家都将其列入到国家战略计划，但当时我们国家对这一领域的研究却投资有限，并且纳米技术产业化一直是一大瓶颈。

1994年，刘忠范申请了科技部的一个攀登计划项目，经费500万。在上个世纪90年代初期，这是相当大的一笔科研经费，刘忠范成为这个项目的首席科学家，也是当时科技部最年轻的首席科学家。他说：“当时是做纳米级的信息存储技术，相当于超级光盘。这个项目共有3个承担单位，还包括当时的北大电子学系——现在的信息科学学院的吴全德院士和薛增泉教授以及吉林大学化学系的李铁津教授。吴先生尽管年事已高，但对‘纳米’非常敏感。吴老先生和薛教授都是做信息技术的，尤其有感于我国微电子技术发展的曲折和落后现状。因此，我们之间产生了强烈共鸣，觉得应该酝酿一个计划，大张旗鼓地在纳米领域开拓。这就是北京大学纳米与技术研究中心成立的初衷。”

此时，诺贝尔物理奖得主罗雷尔也致信江泽民主席：“曾重视微米科技的国家，今天都已成为发达国家，而纳米科技则为人们提供了新的发展机遇，今天重视纳米科技的国家必将在未来的高科技竞争中独领风骚。”

天时地利人和，促成了1997年9月27日，中国高校第一个从事纳米交叉学科研究的综合性研究中心——北京大学纳米与技术研究中心成立。那时候刘忠范经常接到一些咨询电话。有人问：“听说你们搞出一种纳米，贵不贵，好不好吃？”刘忠范只好回答他：“纳米太小了，不好吃，恐怕你也吃不饱。很多人不知道纳米仅仅是个长度单位。一个纳米长度相当于十亿分之一米。纳米技术的确很神奇，用纳米技术造出的计算机芯片会非常小，甚至可以植入大脑，这样就不用背书了；将来也可能用纳米技术制成从地球通往月球的天梯……”

攻坚纳米材料

物质到了纳米尺度之后，物理、化学性质会发生根本性变化。纳米材料用到飞机上，可以吸收雷达波，这使得隐形飞机不再是个传说；在高分子塑料中加入纳米材料制成的刀具，比钻石刀具还硬；将电脑芯片和光盘加工成纳米级，其运算速度和记录密度高出几个数量级……

纳米技术的推广使得人们的传统思维受到极大挑战。回国之后，刘忠范经历了适应、摸索阶段之后，逐步把自己的研究重心放在纳米材料和纳米化学研究上。近年来在石墨烯、碳纳米管等低维碳材料的控制生长、能带调控以及器件基础研究方面取得一系列成果。先后以首席科学家的身份承担了科技部攀登计划B“超高密度光子-电子型信息存储材料研究”、“973计划”“纳电子运算器材料的表征与性能基础研究”、纳米重大研究计划“准一维半导体纳米材料的结构调控、物性测量及器件基础”等科研项目。

刘忠范为中国纳米的发展简单勾勒了三部曲：科学、技术和工程。“纳米技术在中国曾经历了两个很有意思的极端。刚开始，但凡贴上纳米标签的就被视为高科技，后来，只要什么东西一和纳米有关，大家本能地认为这是假冒伪劣。十几年来，中国纳米科技发展得飞快。从发表论文数量上看，已经与美国并驾齐驱，论文的档次也越来越高，尽管原创性和影响力尚有待提高。今后，纳米科技要向两头进军，一头是解决纳米中的大科学问题、真正的原创性科学问题；另一头是纳米技术的产业化问题，解决关键的技术和工程问题。我们还有许多努力和挥洒的空间，从科学到技术，再到产业是一条崎岖的攀登之旅，纳米技术的真正魅力在于它所蕴藏的巨大生产力。国家需要投入和耐心，最后才能开花结果。”

对北大纳米与技术研究中心，身为主任的刘忠范充满感情：“北大做纳米的人非常多。我们建立这个中心，就是希望搭建一个囊括各个学科的交流平台，形成北大的特色，为推动中国纳米科技的进步作出北大的贡献。北大的纳米研究，总体上还处于纳米科学的层面，经过十几年来的努力，已经取得了长足的进步，在国内外也拥有了一定的学术影响和地位，化学学院、信息学院和物理学院的纳米团队功不可没。当然，我们还缺少重大的突破，需要从高原到高峰的飞跃。未来的发展需要重视工程和产业化，未来中国的纳米产业需要有北大制造的标签，相信工学院纳米团队的加入会推动这一进程。”

刘忠范说，“我希望在不远的将来把我们的中心建设成为世界知名的纳米科技研究基地，为中国参与未来纳米电子产业的国际竞争作出贡献”。

传承的力量

“我很喜欢上课，虽然上课很花时间。”尽管刘忠范现在越来越忙，但他对于教学仍然充满热情，在给北大元培学院大学一年级的学生上“普通化学”课时，他举的例子总是和纳米有关，他说这是“职业病”。对于学生，刘忠范也很看重他们对科研的兴趣和坚持的毅力。“做科研最重要的是好奇心。一个新学生来我这里做科研，我都先问他的特长和爱好是什么，我让他自己找感兴趣的问题。当他不知道对什么感兴趣时，我会问他对哪些不感兴趣，以尽量避免做自己不感兴趣的工作。”“我的生活相对单调，甚至有些刻板。除了外出开会，每天大部分时间都在实验室里待着。不过，作科研真正入门后就如看侦探小说一样有趣，因为研究的是未知的东西，你不知道结果会怎样，只能一步一步探索。某个设想会被证明，或者出现意想不到的结果……”

在刘忠范眼里，研究的一大乐趣还在于和学生一道创造故事。还在做学生的时候，有一次刘忠范做一个很熟悉的光电化学实验，由于是在暗室操作，黑乎乎的，他扳反了开关，出现了奇怪的现象，刘忠范并没有扳回去了事，就此研究下去，结果一次实验失误，却让他发现了一个新的电场异构化反应。当老师后，一个学生一次错误的实验设计带来了热化学烧孔存储技术；另一位同学的顽固不化加上刘忠范的坚持和包容，使得他们收获了石墨烯的偏析生长方法，进而开启了石墨烯生长的过程工程学研究之门……

口传心授，刘忠范的学生常常会被他的科研热情所感染。他的一位博士后马上要出站了，她很留恋地说：“刘老师，我在这里才真正喜欢上了科研，以前都是为了学习而学习，现在，我是为了兴趣而学习。要是早几年来就好了！”

“有时候科研上做出一点成绩没觉得怎样，但教学的过程让我感受到传承的意义，这是一种文化。我的学生都很喜欢做科研，我也说不上具体是什么原因。我的学生到现在为止已经有21多个正教授或研究员，副教授和助理教授就更多了，大多数都在名校工作，也包括美国、加拿大的著名高校。”刘忠范说：“成为院士后，最大的责任依然是做好学问，此外，还应该做‘成核点’(触发晶体生长的关键因素)，推动学术发展，带领年轻人成长。”

感悟人生

2011年，刘忠范在北京大学曾经做过一次演讲，题为《风雨18年》。从1993年到2011年，回国后从一名普通的大学老师到现在成为一名院士，刘忠范说：“我觉得我的人生挺简单，就是在做一件事情，小时候是读书学习，现在是读书研究，很难分为几个明显的阶段。生活条件是改善了，但生活本质没有变。如果要按年龄分，对我自己而言，我觉得哪个阶段都重要，有青春期的贫穷和挫折、奋斗和梦想，才有现在的进步、幸福以及平和。我一直认为，经历是人生的财富，无论是成功的经历，还是失败的经历，都是如此。当然，每个阶段着重点不同。‘任何事情，只要我专心去做，都能成功！’那是20岁的豪言壮语，是该激情尝试、勇于闯荡的年龄；到了30岁，应该知道‘有所为’，找到自己的优势所在，认准目标去努力，在人生某个特定的点上聚积能量；40岁，应该知道‘有所不为’，能抵挡住诱惑，能把握住方向，才能做出点东西。我常对学生说，要做好学问，须从做人开始。一要正直，这是立身之本；二要有追求，这是提升之道。我谈不上成功，但我觉得很幸福，因为我一直在做自己喜欢的事情，多数人可能没有我这么幸运。从小到大我都喜欢化学，至今对化学不改初衷。喜欢就会全心去做，很单纯的，我从没想过去获取什么东西，但命运却因为你的这份执著和单纯而宠幸你——30年前，我一个穷孩子，哪里会想到有今天呢？不管外人怎么看，比较金钱或者地位，更让我满足的是，我在干喜欢的事情，其他的都是意外收获。”(段风华 高海涛)