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研究在學科交叉點上開啟材料新世界論文
材料世界是神奇的。從自然生成的煤到人類智慧杰作的電子元件,從廉價的木材到貴重的金屬,每個“高大上”的宏偉工程,都有著看似“細小微”新型材料的支撐,為我們在絢爛生活中開啟“新世界”的大門。
而清華大學材料學院教授周濟，則是這樣一位手握“新世界”鑰匙的“魔法師”，他30 余年沉醉于探索新材料的世界里，化“平庸”為“神奇”，將外人眼中的“不可能”變成“可能”。在2016 年度國家科學技術獎勵大會上，周濟和他的團隊憑借“非金屬基超常電磁介質的原理與構筑”這一項目獲得國家自然科學獎二等獎。該項目在“超材料與自然材料融合”的思想指導下，借助非金屬材料中豐富的電磁極化機制，初步創建了非金屬基超常介質的原理框架和構筑策略，為超常介質這類新世紀出現的新型材料的系統探索和器件應用提供了新的范式。
讓“不可能”成為現實
超常電磁介質的探索最初始于20 世紀60 年代前蘇聯科學家韋謝拉戈提出的一個思想實驗。韋謝拉戈發現，假如有同時具備負介電常數和負磁導率的物質，世界將會發生一系列根本性改變。然而，這類“天方夜譚”似的想法在當時并未得到人們的過多關注，此后30 年中也幾乎被人遺忘。直到上世紀90 年代末，一位英國科學家提出利用金屬人工結構陣列實現這一想法，并于世紀之交被實驗驗證，超常電磁介質才自此誕生。短短幾年中，這類新型人工材料發展迅速，被評選為材料領域50 年10 項重大突破之一。然而，受制于金屬基體的固有特性，高損耗、各向異性、難以調控，以及光頻材料難于制備成為了困擾此類材料發展的壁壘。
作為較早進入超常介質研究的團隊，周濟說，他們一直是“非主流”。團隊在研究之初選擇了一條獨辟蹊徑的路線——利用超材料與自然材料的融合，發展非金屬基超常電磁介質來解決金屬超構材料面臨的難題。這在當時的學術界看來，普遍認為“不可能”。然而，歷經十余年的努力探索，周濟團隊取得了突破性進展。
2008 年，在西班牙小鎮潘普洛納，周濟見到了仰慕已久的韋謝拉戈教授，他向其介紹了自己團隊正在進行的研究，“老先生聽后第一反應是質疑，然后是驚愕，最后是連連贊許”，周濟回憶道，“韋謝拉戈教授最初的思路也是在傳統介質中實現超常電磁響應，當時他和很多專家討論過，只是最終得出的結論是不可能”。但令韋謝拉戈難以想象的是，他曾經被認為“不可能”的這個想法多年后在一群中國科研者手中成為了現實。
科研原野上碩果累累
超常電磁介質研究團隊起源于由李龍土院士領導的功能陶瓷研究團隊，目前也是這個大團隊中的一部分�！袄罾蠋熓且晃粐乐�、包容、思想活躍的學術大師，他積極支持和鼓勵我們不斷探索新的研究領域。我們的研究從常規介質走到超常介質，有應用需求的拓展、學科方向的演進，更有學術思想的傳承�！敝軡f。團隊成立之初，資料匱乏是他們遇到的一大難題�！斑@完全是一片沒有前人涉足的荒漠，需要我們自己動手開疆擴土�！被貞浧甬斈陮ふ覄撔曼c的情景，周濟難掩興奮，對于他和團隊來說，這是一段寂寞的旅程，亦是一個創造樂趣的過程。
在科研的原野上，辛勤勞作必將收獲豐碩。項目組經過十余年的悉心灌溉，終于收獲了創新的果實。
團隊提出了超構材料與常規材料融合構造非金屬基超常電磁介質的原理和方案，突破了金屬基超構材料所固有的高渦流損耗、各向異性、難以調控、以及光頻材料難于制備等困擾其發展的壁壘;率先研制出多種新型陶瓷基超常電磁介質材料與器件，其中部分元器件已經獲得實際應用;成功發展出了多種可調電磁超常介質，突破了困擾超常介質器件化的關鍵難題。回想起科研攻堅的那段日子，給周濟留下最深印象的是兩條經驗：一是學科交叉，把相關學科的精髓原理巧妙應用到本學科中來;二是要敢于打破常規，嘗試別人認為不可能實現的目標。
十余年間的艱難困苦和心血汗水，周濟視之淡然�！懊课粡氖驴茖W研究的人，都已經習慣了不斷遇到問題、不斷解決問題、進而不斷探索的過程。在科研中不斷積累經驗和加深認知可以幫我們形成大致的方向感，一步一步不斷有所進步和發現�！敝軡硎尽�
團隊合作助力成功
在團隊成員們看來，項目取得了一些成績主要得益于清華良好的科學研究平臺和氛圍、優秀的研究群體以及中國材料工程高速發展所提供的難得機遇和挑戰。這是一個典型的跨學科團隊，負責人周濟本科學電子、碩士學物理、博士學化學，之后轉戰到材料領域多年，團隊中的幾位主要成員也各有所長、分工明確——第二完成人趙乾是應用物理學博士，為介質Mie 諧振為基礎的陶瓷超構材料設計與構造作出了主要貢獻;第三完成人李勃是材料學博士，有效推動了可調陶瓷超常介質的研究進展;第四完成人孫競博有著電子學背景，他率先發現了一些本征型超常介質體系;第五完成人宗瑞隆是化學背景，創新地提出了利用自下而上的方法制備超常介質這一新路線。
在討論項目時，團隊成員打破長幼輩分之別，為追求一個共同的理想常常廢寢忘食、全身心投入。在十余年的科研攻堅階段，項目組不斷有博士生、碩士生加入，他們有的思維活躍、理論分析能力強，有的心思細密、動手能力強，大家充分發揮各自所長，擰成一股繩，勁兒往一處使，最終澆灌出了知識創新的“參天大樹”。而在團隊成員看來，周濟則是當之無愧的“靈魂”與“船長”�！爸芾蠋熋翡J的科學思維，綜合物理、化學、材料以及電子信息的學科背景，乃至良好的人文素養和辯證的哲學思維都保證了研究團隊能夠排除各種干擾和追逐熱點的誘惑，沿著具有特色的研究方向不斷深入挖掘，十余年如一日地專注于在該領域深耕細作，使課題組的工作能夠引領介質基超構材料的發展�！壁w乾表示。談及多年來從事材料研究的體會，周濟認為：“做科研，首先要有科學精神，要有獨立思想。不要盲從文獻，不要迷信權威，也不要有功利目的。”“中國正在經歷從科學大國向科學強國的轉折點上，過去我們做科研總是跟別人的后面做，今后這種跟風式的研究已經沒有多大意義了。只有在很多領域都做出原創性成果，才能成為真正意義上的科技強國�！敝軡f。十余年來，這位在材料戰場里的“老兵”，帶領著他的團隊，為“中國材料”走向世界，烙下濃重一筆。然而周濟謙虛地說，他和團隊未來的路還很長，還需要不斷探索、探索、再探索，去打開更多“新世界”的大門。
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