孟勝——中國科學院物理研究所研究員

媒體報道一：

孟勝：一片綠葉或許就能改變未來

□潘麗

“一片綠葉所吸收的太陽能或許能解未來能源枯竭的燃眉之急？”從與中國科學院物理研究所孟勝研究員的交談里，記者了解到了當今能源材料研究領域一個有趣的方向。

神奇的染料敏化太陽能電池

科學家們給這項有趣的研究起了個很專業的名字——染料敏化太陽能電池研究。其原理是模仿綠色植物色素對太陽光的吸收和轉化，將色素涂在半導體表面，使其成為一個吸光中心，吸光后色素和半導體的界面作用迅速把光轉化為電，從而實現太陽能的收集和轉化目的。

其實，人類對這項研究已經有20多年歷史，但能源轉化效率一直停滯在10%左右。“關鍵就在這幾年，做得好也許就鋪天蓋地；做不成，也許就消失了。”孟勝研究員強調。

箭在弦上，不得不發。近一年來，孟勝所帶領的團隊從精確的表面科學手段出發研究能源轉化機理，進而應用到染料敏化太陽能電池研究上。“半導體界面光轉化的效率取決于吸附在表面上的色素分子中受激電子向半導體運動的速度，運動速度快，轉化也快；運動速度慢，電子就會跑掉。所以弄清楚受激發電子和空穴運動的規律十分必要。”

孟勝用形象的比喻加以解釋：“比如色素分子，有些躺著、有些站著，有些單腿站立、有些三腿并行，這些分子所組成的構型，對電子運動及光能轉化過程會不會造成影響？以前人們制作的器件中從不對這些分子構型和表面結構有任何控制，這是不是染料電池效率較低的原因？”通過量子力學計算和深入細致的分析，他們發現，這種影響不僅存在，而且對電子注入時間的影響達到了10倍以上！從而找出了一些影響染料太陽能電池工作效率的重要因素和可能的提高途徑。

這一重要發現在染料敏化太陽能電池研究領域引起廣泛關注，進一步的工作有望打破目前轉化效率的瓶頸！從量子力學出發，在三維空間上實時觀察受光激發的電子和原子在界面上的微觀運動來揭示光電轉化的微觀機理和一般規律的做法在中國屬首創，居世界領先地位。

生活指導科技，科技改變生活

更令人驚訝的是孟勝團隊的年輕！

孟勝，1981年生，2000年中國科技大學畢業，2004年獲中科院物理所、瑞典Chalmers技術大學理學博士學位。2005~2009年在哈佛大學物理系任博士后和助理研究員。2009年7月入選中科院“百人計劃”，任特聘研究員。曾獲中科院優秀研究生獎、哈佛大學博士后獎、世界材料研究所青年科學家獎，受邀在美國化學年會和斯坦福等多所大學演講。

團隊其他成員多為清華、復旦等高校交叉學科的優秀人才，“下一步，我們將努力吸收一些海外優秀人才加入我們的團隊，非常歡迎國內外有志氣、圖改變的年輕人加入”。

據孟勝介紹，他們的團隊雖年輕，但敢闖敢拼，除了從表面科學出發研究能源微觀轉化機理之外，他們還關心納米機械學：如何構造和控制納米小尺度上的小機械及其運動形式；發展理論方法研究激發態上原子和電子的運動規律。“但凡牽扯到表面、界面原子尺度上的動力學過程一些有價值的課題，我們都樂于去探索。”孟勝說，“因為物質是通過表面與外界起作用的。”

羅丹說：生活不缺少美，而在于缺少發現美的眼睛。在孟勝看來，生活中也不缺少科學，而在于缺少發現科學原理的眼睛。“‘見人所見，思人未思’。對我們來說，生物中的小分子像機器一樣，工作能力非常強；如果我們能發現、研究它們的規律，并加以應用，將給我們未來的生活帶來巨大的便利。”

正因為重視科研與生活的關系，孟勝團隊的科研方向也努力朝著應用的方向行走。“將我們所研究的成果應用到實際生活中去，是我們所期望達到的目標。”

為此，他常常對自己的科研方向作偏向應用的規劃：“例如，我們想把納米材料一些比較‘硬’但好控制的東西和生物中一些比較軟但有很好功能的東西結合起來，看能不能解決我們的能源問題；我們想通過設計新型納米孔以穩定穿越的DNA分子，從而得到穩定的堿基信號來實現快速低價的DNA測序，幫助患者判斷服用適合個人情況的藥；我們想研究納米分子的運動規律，從而更好地實現控制它的目的，包括控制其運動方向——或轉彎，或直行等；我們還想研制出軟而透明的太陽能電池，能任意地貼在玻璃、汽車、手機甚至我們的手提包上，隨時隨地吸收太陽能并將其轉化為能源……”

談及未來的應用方向，孟勝眼里總閃爍著光芒。

思想火花

科研之外，孟勝也常有一些特點鮮明的觀點不經意間表達出來。

“我想對中國的大學生和研究生們說：做一件事情就要認真地去做，要做就爭取做到最好，尤其是從事科研。要有專業精神，富于創造性，懂得與外界交流，同時還要提高自己的職業素養。”孟勝強調他的觀點,對學生的教育除了灌輸知識和技能之外，還要講求對人的教育和職業教育。“這樣我們才能‘優雅’地生活在中國”。

此外，孟勝還想對眾多留學海外、考慮回國或剛剛回國的年輕人說，“雖然我們的科研環境目前還比不上國外，科研、生活中也盡有不合理之處，但有個信念足以支撐我不顧一切地選擇回家，那就是，我們可以通過自己的努力來改變自己身邊的‘微環境’，如果人人都這樣，一個個微環境串聯起來，我們就有能力、有可能改變未來的中國乃至整個世界”。

來源：《科學時報》2011-3-14 A7

媒體報道二：

孟勝：科海泛舟獨立行走

[導讀]他出生于1981年12月，與我們一樣，同為“80后”中的一員。他又與我們不一樣。在“80后”的集體“奔三”中，在“小荷才露尖尖角”的氛圍中，他已經算是一位佼佼者，以自身言行，影響著周圍的人。他出生于1981年12月，與我們一樣，同為“80后”中的一員。

他又與我們不一樣。在“80后”的集體“奔三”中，在“小荷才露尖尖角”的氛圍中，他已經算是一位佼佼者，以自身言行，影響著周圍的人。

他是孟勝，雖年輕，卻已治學數年，2009年就已入選中科院“百人計劃”，被中科院物理研究所聘為研究員。

選擇：有“意思”才有恒心

上世紀90年代中期，中國開始進入世界Internet網絡，隨之出現的，是一個“知識爆炸”的信息時代。那時候，孟勝正在中國科技大學讀書。

“我們上學時，前兩年是不分專業的，大三才開始正式選擇。”孟勝說，當時他的同學們不少都選了計算機、軟件等應用性很強的專業。他沒有。“我還是覺得物理比較有意思，它是基礎的東西，可以對物質世界進行直接的探索。”年輕的他認為，只要基礎打好了，就算后來想要從細節上轉方向也很容易。只是，他沒有想到，這個“簡單”的基礎，就像一個“黑洞”，以無窮的引力吸引著他一直走下去。

順其自然。

這是孟勝一路行來的關鍵詞之一。

與其他人不同，他覺得中國無論從文化還是其他方面，還有許多東西值得他去學習，不想貿然出國。不“貿然”的結果是：從中國科技大學畢業后，他來到中科院物理所讀研究生，一年多以后，出于研究需要，必須出國，前往瑞典Chalmers技術大學學習。自此，開始了他半年國內、半年國外的生活。幾年中，他來回奔波，幾乎沒有什么節假日。“雖然辛苦些，可是能夠同時接觸國內外的前沿研究，能夠在對比中使自己成長，也是一件幸事。”

2004年，他同時拿到了中科院物理所、瑞典Chalmers技術大學理學博士學位。孟勝的研究生生涯主要圍繞表面物理研究進行。“我們從微觀尺度，比如說，從幾個水分子的尺度去看水如何與固體表面發生作用。”通過對水與金屬表面相互作用的微觀圖象的研究，孟勝細致分析了相互作用一般規律、水分解機制、親疏水機理，并預言表面氫鍵增強和兩種氫鍵類型，后為實驗證實。兩篇代表性論文已被引用200余次。孟勝介紹說，水在茶杯里，看上去各個水分子的狀態都一樣，而實際上，距離茶杯壁最近的那一層分子排布行為是很奇怪的。“比如有些表面放上一層水，水溫到三四十度，表面還是‘凍住’的，只是這個‘冰’固體是溫的。”他認為，這種奇怪的現象可以直接應用到生物蛋白質研究上，如果用這些表面和表面上的水層保護蛋白質分子結構不被破壞,就可以更方便地研究生物分子的作用原理和直接觀察一些生物病變過程。他熱衷于此。但2005年在哈佛大學物理系做博士后及任助理研究員期間，他的興趣更多轉向小的生物分子體系和納米體系的相互作用上面，研究并設計利用單壁碳納米管識別單個DNA堿基、進行超快速DNA堿基測序(基于電信號)的原理和方法。

“碳納米管，又細又長，跟探針一樣”，孟勝比劃著形狀，繼續說，“如果能用它來快速測試DNA結構，就能夠更有針對性地進行臨床治療。每個人的基因結構不同，即使是同一種病癥，他們發病的原因也不盡相同，同一種藥物，對這個人有效，對另個人不見得有效，如果能根據基因治療，就能夠避免這種大撒網的局面。人們希望能夠用電子信號的方法來測序，電子信號跑得快，可以使一小時測出一個生物體的基因組序列成為可能。當然，這只是一個目標，10多年來，人們都在為此努力，現在也沒有真正實現，還在探索。”

隨著能源研究熱的興起，孟勝又發現了另一件“有意思”的事——儲氫。通過研究，他認為納米管的性質很符合固體儲氫的條件，提出了利用一維TiB2納米管儲氫的新方法。

“可是，氫從哪兒來呢？”

儲氫方法提出后，孟勝條件反射般地問出了這個問題。“實際上，地球上所有的能源，直接或間接都來自于太陽。”

太陽——太陽能電池——用表面物理來研究太陽能電池。

研究者的本能，令他迅速做出了一系列的聯想。

研究：有“想法”才有方向

1991年以來，染料敏化太陽能電池（染色電池或Gratzel電池）獲得了基礎科學和工業應用領域的極大關注，被認為是21世紀可能取代化石能源的可再生、低能耗（價格）的關鍵能源技術之一。很大程度上，它的優越性來源于對自然界的光合系統的模擬，即把需要很大空間尺度的可見光吸收過程和要求高純度、小尺度以降低電子散射的電子收集過程分開，達到各自的最高效率。難題則在于如何在同一系統同時實現這兩種功能以及如何有效地提高它們的效率。

“太陽能電池的效率很重要，關系到它的實用性。但是十多年來，在提高效率研究上進展不大，關鍵就在于過程比較復雜。”根據孟勝的介紹，染色太陽能電池巧妙地利用高消光系數的染料分子吸附在氧化物納米顆粒界面來實現高效的太陽光吸收和電子空穴的分離收集。由于納米顆粒材料具有極大的比表面積，光吸收可比單晶表面提高1000倍以上。但是在這種納米尺度上，分子/氧化物界面處電子空穴的分離過程和一些影響因素卻不清楚。他想要做的就是從機理入手，解決這些“不清楚”，當然，這并不容易。

“表面科學，最大的特點就是精確。能夠用表面科學作為工具來研究能源轉化器件里的基本物理過程，或關鍵問題，是很有前途的。目前，在這方面世界上都開始起步做著相關研究。”對此，孟勝的想法也很多。

“實驗難。因為在實驗監測上，需要很好的真空、單晶環境，而我們的實際器件大多是在大氣中、有水汽的地方，或者室溫下、溫度很高等等。存在太多條件上的限制。怎么才能把一般作用于極端條件下的精確的表面物理手段，應用到能源上，這是一個很大的問題，需要理論和實驗上的雙重發展。”

“那么，實驗上，我們就要克服一些限制，創造一些條件。”

“可是，有時候，我們常常是看到實驗的圖片，卻不知道其中的含義。這就必須用理論方法來幫助理解。理論解釋與實驗結果一致，問題自然就解決了；如果不一致，那也許是實驗中有些條件沒有考慮到，也許是理論上太過理想化，需要繼續去努力。”

他常常說，“也許想法距離實現還有一定的距離，但只要想法有道理，我就會做下去。”事實上，他不僅自己在做，也竭力感染著周圍的人。經過一番探索，孟勝研究團隊與瑞士聯邦理工大學Michael Graetzel教授和哈佛大學Efhimios Kaxiras教授合作，在原先揭示了花青苷自然染料在TiO2納米線界面有快速的電子注入的基礎之上，利用基于含時密度泛函電子動力學的第一性原理計算細致研究分析了影響染色太陽能電子注入效率的主要因素并總結了其中的物理規律。他們的研究揭示，分子尺寸大小、分子分解和吸附狀態、表面處原子缺陷都會影響到電子空穴分離的時間尺度從而影響負電極收集激發態電子的效率。該項工作受到中科院“百人計劃”、知識創新重要方向項目的支持。

早在2009年，回國之初，他就確定了研究方向，將關心能源與環境作為重中之重，70%的精力用來了解太陽能電池的原理等。“太陽是最大的能源來源，我考慮的是，如果光不變成電，也不變成氫氣，而是直接變成一種新的機械能或其他形式儲存起來該有多好。可以有一種材料，將光的能量儲存進去，直接利用其發光發熱，隨時可以用，暫時不用，也不會造成浪費。”

通過研究納米生物體系中能源生產和儲存的方法，發明和創造新材料和混合材料進行高效的能源收集、轉化、儲存和利用。孟勝心里思考的，是這樣一個極具前景的研究方向。

要研究金屬納米顆粒和氧化物半導體界面處的原子結合和電子-空穴分離過程：重點在于金屬顆粒對于可見光和紅外光吸收的提高，對激發態電子轉移到半導體導帶的加速以及伴隨的原子構型變化和熱振動；研究原子層次上調控該體系的可能性。

要研究有機和生物分子在表面上的吸附和能量轉化過程：提出把葉綠素等色素分子或光合體系中蛋白質固定在半導體表面上以收集太陽光轉化成電能或分解水制造氫氣的有效方法；進一步了解生物體系光合作用中的光激發，電子傳輸和水分解的機制；研究黑色素的分子結構和快速轉化太陽光能量的機制。

要發展理論和計算方法：對于表面、納米、和生物體系進行大尺度，長時間的激發態動力學模擬，研究光吸收和電子激發態動力學的一般規律；建立國際知名的計算機模擬實驗室和研究團隊。

“我們期望通過這些研究，能更好的理解自然和人工光合作用的機制和基本規律，發展在原子層次進行操縱控制的方法，并最終設計出低價高效的新型太陽能電池或應用于能源和醫藥中的生物-納米材料新器件。”“想法”很多的孟勝如此說。

做人：有個性才有發展

對于一位年方而立的研究者來說，孟勝實在是年輕，年輕到令人忍不住質疑他的成熟。他卻充滿了自信，凡事多加思考，一點一滴積累著“孟勝式”的經驗，并不人云亦云，堅持人應該獨立思考，應該有自己的主張。

還是學生時，面對出國的熱潮，他就曾有過“不貿然出國”的言論。

“在美國的留學生中，獲得博士學位還留在美國的比率，中國是最高的。漸漸地，就造成了一種錯誤的印象，甚至是信念。許多留學生家長認為，國外比國內好，孩子好不容易出去了，留在外面就是成功，回來就是失敗。”

孟勝認為，這種信念未見得與事實相符，但是一旦形成，就會造成長期的不利影響，導致一個國家出現負面的品牌效應。人們會想當然地認為國內人際關系太過復雜，經費靠大人物來掌控等等，覺得即使在美國不好，也比在中國好。“中國不應該和流言聯系在一起，要改變這種現狀，就要提高國家的公信力。這些不是官話、套話的報道能做到的，要你親自去體會。其實，要回來就會發現，根本沒有你想象中的那些阻礙，就算沒有向前的推動力，也不會拖你的后腿，年輕人完全可以自己放松地發展。相反的，美國排名30名以外的大學，不見得比得上清華、北大、中科院等國內單位的科研實力。一些學校的學生出來，其實兩難，國外國內都很難有所作為，反不如留在國內。如果只是為了個人生活好些，留在美國無可厚非；但對于受到中國最好教育、花費國家最多教育資源的年輕人，這個目標也太低了，還應該考慮一下意義更深遠的東西。一個有理想有闖勁兒的年輕人，都會想要美好的明天，不僅是自己的，還有周圍的人，還有家庭和國家。可是，在美國，我們很難去改變周圍的環境。現在，很多外國人都認為中國的機會更多，他們不理解，為何那么多有天時地利條件的中國人反而不愿和中國有什么關聯。”

不去盲目相信大多數人都信奉的觀念。孟勝的原則，還源于他的感性。他戀家，擔心一個太平洋的距離會令自己與親人與家鄉的感情淡薄。“當然，現在通信很發達，溝通起來不成問題。但是如果長久分離，生活圈兒越來越遠，有些事情不能及時溝通，甚至，就算打電話，也沒有太多話要說。這是一種悲哀。我不喜歡這種感覺。”

“不喜歡”，他的理由很簡單，不想把在中國20年成長起來的經歷和記憶拋下，也不想放棄和祖國和家庭一起發展的未來。對于獨立思考和實事求是，他看得很重。在他心里，生在中國，在中國成長工作是自然而然的。如果因為別人怎么想就跟著怎么做，是對自己的一種背叛。在感情上如此，工作中也是如此。

“能為人類更美好的明天而工作是一件幸福的事。為了這個目標，美國不是問題的唯一的答案。美國的很多危害世界的做法我們不贊同。我們要大膽借鑒人類文明史上一切積極的因素和所有有益的做法，大力發展東方思維占重大影響的新文明。”

在教育上，他堅持培養學生的創造性思維和專業素養。

在研究上，他希望做一個中國“新型”的科學家：用自己認可的方式做每一件小事，甚至是做些不為人知、不為人重的“瑣事”。做一個獨立的思考者，用創造性思維解決問題的研究者，一個竭力讓科學和身邊生活息息相關的人。

“外人看來，或許我們的工作很枯燥，但還有這么多人喜歡做，這當然不是不得已。最重要的還是有興趣，喜歡有想象力、有創造力的事，不像看某些電視劇，看到開頭，就能猜到結局，那才是無聊。”孟勝喜歡慢慢探索的感覺，大腦永遠在高速運轉，有很多新的未知的東西在等待，不斷地“柳暗花明又一村”。他相信，無論潮流如何，先改變個人這個小環境，再慢慢感染周圍，當越來越多的小環境被改善，新的天地就不再是“烏托邦”式的存在。

來源：《科學中國人》2011年21期

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