自從接手這個課題已經過去4年了，龔燕的研究進度仍然停滯不前。“沒有任何人可以和你保證，文章一定能投到一個高影響因子的期刊上。我的導師不能保證，我自己心里也沒底。我不確定這項研究一定能做出來，并且有個好的結果。”龔燕說。在這4年里，她幾乎沒有任何文章產出，迷茫、焦慮、自我懷疑等負面情緒日復一日地充斥著她的內心，無數次萌生出想要放棄的念頭。在此期間，看不到希望的龔燕還曾做好了轉換研究方向的準備，加入另外一個課題組，開啟一段新的科研旅程。然而，在導師以及同課題組成員的鼓勵下，龔燕保留了內心的那份倔強：“我做了那么長時間沒有結果，為什么我不能再堅持一下 ，萬一有呢？”功夫不負有心人。終于，在不懈地努力之后，4月24日龔燕迎來了人生中第一篇Nature論文。在這項“死磕”6年的研究成果中，研究團隊成功實現了金剛石的常壓生長，打破了高溫高壓制備金剛石的傳統范式。該制備方法使用由鎵、鐵、鎳和硅組成的液態金屬，在1個大氣壓和1025°C的溫度條件下進行，有望為金剛石薄膜的生產開創一條成本更低的道路。韓國國立蔚山科學技術院（UNIST）博士生龔燕為該論文第一作者。該校特聘教授、韓國基礎科學研究所（IBS）多維碳材料中心主任Rodney S. Ruoff、IBS終身教職研究員羅達，以及高級研究員Won Kyung Seong為該論文的通訊作者。
接手一個“大難題”
2018年，Rodney S. Ruoff受邀來到廈門大學作學術報告。當時在廈大材料學系讀碩士一年級的龔燕，對其研究內容產生了濃厚的興趣。在碩士導師詹達的推薦下，她向Ruoff報告了自己的研究方向，獲得了前往韓國訪問學習的機會。
早在十幾年前，就職于美國得克薩斯大學奧斯汀分校的Ruoff曾率領當時的研究團隊，發表了全球首創的石墨烯（SP2碳材料）的兩種制備工藝：氧化石墨烯，以及化學氣相沉積（CVD）在金屬銅上大面積生長石墨烯。這兩項突破性的工作，不僅開創了石墨烯制備領域的新局面，也進一步引發了Ruoff對SP3碳材料——金剛石的關注，開啟了常壓制備金剛石的研究課題。眾所周知，金剛石是地球上已知最堅硬的天然材料。天然金剛石誕生于地球地幔層，形成于900~1400°C高溫和5~6GPa高壓的環境下，通過火山爆發而被巖漿帶到地表。目前，人工合成金剛石最主流的方法是CVD和高壓高溫（HPHT）。這兩種方法在受控的實驗室環境下，通過模仿金剛石形成的自然條件，能夠生長出1厘米或更大尺寸的人造鉆石。在龔燕以訪問學者的身份加入Ruoff課題組時，組內一位擁有豐富的傳統CVD生長金剛石經驗的博士后一直在負責這項課題。然而，這位博士后在做了一段時間的研究發現很難有所突破后，選擇放棄“掙扎”，轉身投向了其他研究工作，該課題也因此轉交到了初來乍到的龔燕手中。“一開始我非常猶豫，因為我有所耳聞，這個課題非常具有挑戰性，即使是這樣資歷深、經驗豐富的前輩做了很久都沒有取得突破。”龔燕告訴《中國科學報》。憑借著年輕人特有的那股子沖勁，本著“年輕有試錯成本”的心態，龔燕說服了自己，在沒有任何有關碳材料研究知識和經驗的背景下，從“0”開始了這項課題。
發現一個五彩斑斕的區域
研究初期，團隊嘗試了用各種新方法來實現金剛石或類金剛石的常壓制備，但是始終沒有任何重要的突破。
為了克服瓶頸，他們翻閱了近些年來發表在Science、Nature及其子刊等期刊上有關碳材料的工作。其中，一項利用液態金屬作為催化劑，對甲烷、二氧化碳等含碳前驅體進行裂解，從而獲得SP2碳材料的研究，給團隊帶來了靈感——用液態金屬或許可以生長出SP3的碳材料。當他們決定將鎵滴在硅片上，嘗試催化甲烷在硅片上生長金剛石時發現，硅片從邊緣處融入了鎵中，與鎵形成了均勻液相，這個現象讓他們感到很神奇。“通過進一步查閱硅-鎵相圖，我們發現，硅和鎵有極高的溶解度。同時，我們還研究了硅-碳相圖及其原子結構，發現碳化硅是SP3的結構且硅的原子結構與金剛石非常相似，也都是SP3結構。當時，我們就猜測，加入硅可能會幫助金剛石的成核生長。”龔燕說。抱著這一想法，團隊進行了多次試驗和優化。最終，在2022年8月22日這一天，龔燕接手這項課題的第5年，研究首次有了實質性的突破進展。“我清楚地記得，那天當我使用裝置進行實驗，冷卻并取出已凝固的液態金屬，用光學顯微鏡觀察樣品底部時，第一次看到了一些五彩斑斕的區域。當時，我心想這不會是鉆石吧！”龔燕回憶道。對于龔燕而言，幸福來得太突然，讓她感到有些不可置信。全新的金剛石生長機理是這項研究的亮點之一。在這項研究中，團隊自制了一個使用焦耳加熱為原理的冷壁真空系統。其中，該設備中有兩個電極，中間連接著一個用來裝載各種金屬催化劑混合物的石墨坩堝。在實驗過程中，研究團隊在液態合金的亞表層，即距離表面大約幾十納米到幾百納米之間，發現了前所未有的碳超飽和現象，這是金剛石成核的關鍵之一。“石墨坩堝中的溫度階梯會帶動碳原子或碳簇（例如C2、C3）在亞表層內發生擴散遷移。當碳原子的濃度達到一定程度，即形成所謂碳超飽和現象，此時碳原子濃度達到符合金剛石成核的濃度條件，從而創造了金剛石的生長條件。此時， 1到2個硅原子的加入，在適當的溫區（1025°C），就會引發金剛石的成核。成核一旦發生，金剛石就會迅速生長。”龔燕解釋道。當龔燕再次提及硅在鉆石新生長過程中的關鍵性發現，她說：“就是量變產生質變，不停地去試，什么可能就試什么，然后突然就成了。”然而，生長出鉆石只是攻克了第一道難關。接踵而至的金剛石表征測試，其每一步都極具挑戰性。其中一項最重要的表征方法是橫截面透射電子顯微鏡（cross-sectional TEM），龔燕在進行第一步時就遇到了問題。由于實驗樣品顆粒小、不導電，龔燕所在團隊難以在樣品穩定的情況下對其進行精確切割，以獲得所需的TEM樣品薄片。此外，團隊在進行切割時，使用了聚焦離子束（FIB），FIB的能量如果過高，不僅會直接破壞樣品，而且會損毀金剛石及其下方的整個產地區域。“每次制備這么一個樣品，短則需要幾周，長則甚至要一到兩個月。單是這一項表征，我們就做了15~20次。”龔燕說。2023年5月12日，團隊第一時間投稿給了Nature編輯部。3個月后，收到了第一輪審稿意見。“審稿意見整體上是正面的，其中一位審稿人雖然提出了鉆石生長機理的模擬計算，但是也表示，如果很費時間的話也可以不做。”龔燕告訴《中國科學報》。通常情況下，課題組在收到一篇文章的審稿意見后，會根據審稿人提出的建議進行實驗和修改。然而，導師Ruoff對科研嚴謹性的苛求似乎已經深入骨髓，面對審稿意見，他堅持要求團隊把模擬計算做細。“在我們組，導師和我們強調‘不要看審稿人意見。如果你只圍著審稿人的意見行事，你的文章是要被拒的。不能為了發文章而發文章’。” 龔燕說。于是，龔燕和導師Ruoff、該研究的通訊作者之一羅達，以及他們所合作的計算課題組教授和3名博士后，組成7人團隊，每周三定期開會討論模擬計算，一直持續了4個月才完成。2023年12月22日，團隊向Nature編輯部遞交了審稿意見回復。再次等待3個月后，論文被順利接收了。當龔燕再次回憶這項研究的經歷，她告訴《中國科學報》：“這個項目實際上是站在前人鋪墊的肩膀上，在同組組員們和導師的支持幫助下，最終獲得了成功。這個成功不僅是我一個人的，也是全課題組的。”
像孩童一樣思考
無論是選擇研究課題還是專業，龔燕做決定一向都頗為果敢。
龔燕本科就讀于福州大學。從小，她的家人一直致力于培養她的藝術天賦，讓她學習舞蹈和鋼琴。然而，身為藝術生的龔燕從不認為自己有音樂天賦，面對家庭期望，她產生了強烈的逆反心理。上高中時，龔燕并未選擇與藝術相近的文科，而是毅然決然地選擇了自己“一竅不通”的理科。因為在她看來，“既然要做選擇，就要選差異最明顯的。”2017年，龔燕進入廈門大學材料學院生物科學系攻讀碩士學位。而后在廈門大學及碩士導師詹達的支持下，來到UNIST訪問學習，并接手常壓制備金剛石的課題。2020年秋季，龔燕從廈門大學獲碩士學位，2022年春季重返UNIST，這次是攻讀博士學位，并成為了Ruoff的學生。今年5月，龔燕順利通過了博士學位畢業答辯，她在朋友圈宣布了這個好消息，并附言道：“是終點，也是新的起點。”龔燕（右）和導師Ruoff（中），以及羅達（左）的合照。回顧自己的科研經歷，龔燕坦言，她的科研心態發生了顯著的改變。“以前，我作為訪問學者來到這里時，心浮氣躁，而且心理包袱很大，總想著我代表廈門大學，一定要做出成績，不要辜負母校和碩士導師的期望。”龔燕說。但是，在導師Ruoff的影響下，現在的她學會了以沉穩和“玩”的心態去做科研。“導師常說‘think like a child’（像孩童一樣思考），只有這樣才能做好科研。我覺得我現在的風格非常像他。”龔燕說。這種心態的轉變讓龔燕不再執著于結果，而是享受科研的過程。她逐漸變得平和和佛系，不再急于求成，而是投入到實驗和研究本身，反而取得了更大的成果。提及自己如何處理科研工作帶來的壓力和焦慮，龔燕向《中國科學報》透露了自己的一個小愛好。“當我每次感到心煩意亂，或因為研究結果苦惱時，總是會驅車去一座離學校大約半個多小時車程的寺廟。倒不是說一定要去求什么，我總覺得寺廟有股神奇的力量，從我踏進去的那一刻開始，溪流的水聲會瞬間撫平我的內心，讓我放松下來。”如今，龔燕仍然保持著這個小愛好，時不時就會跑去寺廟感受心的平靜。因為在她看來，只有平靜下來，才能真正專注于一件事情，并取得更好的科研成果。https://doi.org/10.1038/s41586-024-07339-7
