兩年無進展，課題險遭放棄！團隊歷時5年終發Nature

一、一個看似"天方夜譚"的科學設想

2019年，香港大學副教授褚智勤與南方科技大學助理教授李攜曦在一次學術討論中，提出了一個極具挑戰性的研究目標：制備大面積、平整且高質量的金剛石薄膜。

這一設想的科學價值不言而喻。金剛石作為自然界已知最堅硬的材料，不僅是珠寶界的珍貴寶石，更是電子和光子材料領域的"珠穆朗瑪峰"。它具有超寬禁帶、超高熱導率、優異的光學性能和化學穩定性，在半導體器件、量子探測、高功率電子器件等領域具有巨大的應用潛力。

然而，傳統金剛石材料多為塊狀或顆粒狀，難以加工成薄膜形態，這極大地限制了其在現代微電子和光電子器件中的應用。

"如果能獲得大面積、平整的金剛石薄膜，就能實現金剛石材料在芯片、傳感器、量子器件等領域的規模化應用。"褚智勤回憶當時的研究動機時表示。

但他也清楚，這一目標的難度極高——金剛石的原子結構致密，化學鍵極強，如何在保持其優異性能的同時，將其剝離成薄膜形態，是一個世界級的科學難題。

2020年，一位新加入課題組的博士后研究人員接下了這一課題。然而，科研的道路遠比想象中艱難。整整兩年時間，研究團隊嘗試了多種方法，包括化學氣相沉積、離子注入剝離、激光剝離等技術路線，但均未取得實質性突破。金剛石薄膜要么無法完整剝離，要么表面質量極差，要么面積太小無法滿足應用需求。

"兩年沒有任何進展，這位博士后最終選擇了離開，另謀職業。"褚智勤坦言，那段時間整個課題組都籠罩在挫敗感中，"連我自己都想砍掉這個課題，畢竟世界上沒有人做出來過，我們憑什么能成？"

二、偶然發現與"反直覺"的突破

科研中的重大突破，往往源于偶然的觀察與大膽的聯想。

課題的轉折點出現在博士生景紀祥（現為課題組博士后）的一次實驗室意外中。那天，景紀祥在操作過程中不小心碰破了一塊金剛石的邊角，發現破損處有一小片材料翹了起來。這個細節引起了他的注意：金剛石的邊緣結構是否隱藏著剝離的可能性？

"能不能直接用剝離的方法把膜揭下來？"景紀祥向褚智勤提出了這個看似瘋狂的想法。

這個想法確實"反直覺"。金剛石以極高的硬度和脆性著稱，莫氏硬度達到10級，是自然界最堅硬的物質。在常規認知中，金剛石受力后極易碎裂，而非彎曲或剝離。用物理方法從塊狀金剛石上撕下完整的薄膜，聽起來就像"從鋼板上撕下一層紙"一樣不可思議。

但褚智勤敏銳地意識到，這一思路或許值得嘗試。"科研本身就是需要在無人區馳騁。簡單、易做的事情沒什么風險，當然也不會有大的收益。雖然很難，但我們還是想拼一拼。"他決定支持景紀祥探索這一方向。

研究團隊開始系統性地優化剝離工藝。他們發現，關鍵在于精準控制剝離的起始點和力學條件：首先通過特定方式破壞金剛石的一個邊緣，暴露出一個新鮮的缺口，形成最優的"剝離窗口"；然后從這個窗口的特定角度施加機械力，利用金剛石晶體結構的各向異性，實現薄膜的完整剝離。

這一過程完全基于物理方法，不涉及任何化學溶液或化學反應。因此，剝離出來的金剛石薄膜保留了原始生長面的完整性和高質量，表面平整度極高，晶體結構完美。

經過數百次參數優化和工藝調試，團隊終于獲得了令人振奮的結果：不僅成功剝離出完整的金剛石薄膜，而且薄膜面積達到兩英寸以上（實際實驗室條件下已實現超過4英寸），厚度極薄，更重要的是——這張金剛石膜具有柔性，可以像一張紙一樣卷曲起來。

"這是世界上首次實現碳材料家族中金剛石薄膜的大規模剝離。"景紀祥在論文發表后表示，"自2004年Andre Geim和Konstantin Novoselov用膠帶剝離出石墨烯并獲諾貝爾獎以來，二維材料研究持續火熱，但金剛石作為碳材料的另一重要成員，其薄膜化一直未能突破。我們等了整整20年，終于填補了這一空白。"

三、柔性金剛石：性能調控的全新維度

這項研究的意義不僅在于實現了金剛石薄膜的制備，更在于發現了一種全新的材料性能調控方式。

傳統上，要將金剛石轉變為半導體材料，需要通過摻雜（如摻入硼、氮等元素）來改變其電子結構。然而，金剛石半導體的摻雜研究一直面臨巨大困難：摻雜效率低、摻雜均勻性差、高溫工藝復雜等問題制約了其發展。

褚智勤團隊發現，通過力學形變可以調控金剛石薄膜的半導體性能。由于薄膜具有柔性，可以通過彎曲、拉伸等機械方式改變其晶格結構和能帶結構，從而實現電學性質的調控。這一發現開辟了一條全新的研究賽道——"柔性金剛石電子學"。

"我們可以像處理紙張一樣處理金剛石，通過簡單的力學操作就能改變其電子性能，這在以前是不可想象的。"褚智勤解釋道，"這種柔性非常重要，它為金剛石材料在可穿戴設備、柔性電子、生物傳感等領域的應用打開了大門。"

論文中展示的金剛石薄膜展現了諸多優異性能：超高的熱導率、優異的光學透過性、出色的機械強度和化學穩定性。研究團隊相信，這一材料將在電子、光子、機械、熱學、聲學和量子技術等多個領域大放異彩。

四、頂刊投稿的曲折歷程：從Science到Nature的兩次拒稿

科學研究的殘酷性在于，即使做出了突破性成果，獲得學術界的認可也并非易事。

2023年11月，研究團隊完成了論文初稿。褚智勤和合作者們對這項工作充滿信心，認為其科學價值和創新性足以在頂級期刊發表。經過分析，他們首先將論文投給了Science。

"我們當時認為，Science可能更喜歡這種突破常規思維的研究內容。"褚智勤回憶道。

稿件送審速度很快，但反饋結果卻令人沮喪。三位審稿人的意見呈現出極端分化：第一位審稿人對研究極盡贊賞，認為這是一項具有里程碑意義的工作；第二位審稿人卻極力反對，質疑金剛石材料的實際應用價值，認為"這種材料沒有特別大的用處"；第三位審稿人承認文章有趣，但認為不適合在Science發表。

褚智勤盡了最大努力回復審稿意見，試圖說服編輯。然而，Science編輯最終回復稱，經過深入討論，艱難地做出了拒稿決定。

"第一次被拒確實很打擊人，但我們始終堅信這項研究的重要性。"褚智勤表示。2024年1月，團隊將論文轉投Nature。

然而，等待他們的是又一次閉門羹。Nature編輯在未送審的情況下直接拒稿，指出論文"還有一些內容沒講清楚，一些測試還沒有做，可能達不到發表水平"。

但這一次，褚智勤從拒稿信中讀出了不同的信息。"雖然被拒，但能感覺到編輯對這項工作的喜歡，看到了些許希望。我們猜測，編輯希望能看到更多證據來證明金剛石膜的質量優異性。"

團隊沒有氣餒，而是選擇了最務實的應對方式：補充實驗，完善數據。

接下來的四個月，景紀祥和其他團隊成員投入了大量時間進行補充研究：對薄膜質量進行更系統的分析，補充多種表征測試，完善實驗數據的統計分析，增加總結性圖表，整理更詳盡的參考文獻……論文內容增加了好幾十頁。

"這個過程真的要擺正心態。就好比參加考試，如果你是為了考試而考試，這個過程一定是痛苦的。其實最終結果好與壞，自己無法評估，但心態是最重要的。

同樣是參加考試，如果你先不考慮最后的結果如何，而是把重點放在復習的過程中，全身心投入復習，你就會產生很多思考，人生價值觀、經驗、認知、科研能力等都會得到提升。"褚智勤這樣總結這段經歷。

2024年4月，做好萬全準備的研究團隊再次向Nature投稿。這一次，文章很快進入送審流程，審稿過程也異常順利。三位審稿人都給出了相對正面的評價，認為這是一項重要的技術突破。經過兩輪修改，論文于10月被正式接收，12月在Nature正刊發表。

五、科研傳承：從德國導師到港大實驗室

褚智勤的科研理念和治學態度，深受其博士后導師、德國斯圖加特大學教授Joerg Wrachtrup的影響。Wrachtrup教授是量子探測領域的泰斗級科學家，以其對科學的純粹熱愛和嚴謹態度著稱。

"我們都很尊重他，欣賞他做科研的態度以及對科學的執著。"褚智勤回憶道，"前一陣他到香港開會，我約他到港大來看看，其實是想讓他放松一下，但被'無情'拒絕了。他并不在意吃什么、喝什么、去哪兒玩，也不想聊科學以外的東西。他從會場趕過來跟我聊了兩個小時，全都是圍繞科學。距晚上的航班還有幾個小時，他都會回到酒店房間處理科研相關的事情。"

Wrachtrup教授對學生的培養方式也深深影響著褚智勤。這位60多歲的老教授非常喜歡鼓勵學生，愿意給年輕人更多機會。"他并不會從比較功利的角度要求學生發文章，更多的是想知道你對科研這件事情是否有熱情，你是不是真的認真沉浸在科研世界的人。"

褚智勤自己也曾有過類似的經歷。做博士后期間，他參與過一個極具挑戰性的項目，持續了很長時間，但最終因為一些原因未能發表。"這個過程中，我認為一切都值得。因為我積累了很多實驗經驗，體會了對該領域的脈絡分析，與很多研究組建立了很好的聯系。雖然當時沒有發表Nature或Science，但給我打下了很好的基礎。"

有一件事讓褚智勤記憶猶新。"有一次，Wrachtrup教授到實驗室看我的實驗進展，說想看一下我的實驗筆記。看過后他很不滿意，認為我的筆記不夠詳細。他把我叫到辦公室，從柜子里翻出厚厚一沓當年他在讀博時記錄的實驗筆記。我看到上面手寫的密密麻麻、非常清晰詳細的筆記時，很受觸動。"

這種對細節的嚴謹、對過程的重視，如今被褚智勤傳遞給自己的學生。

六、育人理念：務實探索與純粹熱愛

在港大實驗室，每一位新加入的學生都會聽到褚智勤的"開場白"：從具體的小項目做起，從務實的目標著手，不要好高騖遠，一步步往前走。

"我對每一個學生說，'我們是一起探索，一起相互配合'。"褚智勤強調，"科研不是導師布置任務、學生執行的簡單關系，而是共同面對未知、共同解決問題的過程。"

他特別看重學生的內在驅動力。"我希望自己的學生是發自內心地熱愛科研。做科研面對失敗是常態，我很看重學生是否可以穩住負面情緒，戒驕戒躁。當周圍人都不看好的情況下，能不能冷靜地去扭轉局面，能不能逆流而上，開辟一片新的天地。這些是做科研應有的本質。"

這種育人理念與當年Wrachtrup教授對他的培養一脈相承。在褚智勤看來，科研訓練不僅是技術能力的提升，更是思維方式和人格品質的塑造。"不浮躁，踏踏實實地做好每一件瑣碎的事情，完成每一個小目標"——這是他在科研長跑中堅守的價值觀，也是他希望傳遞給學生的核心品質。

七、技術前景與未來展望

金剛石薄膜技術的突破，為多個領域帶來了新的可能性。

在電子器件領域，柔性金剛石薄膜可用于制備高功率、高頻率、耐高溫的半導體器件，突破現有硅基材料的性能極限。其超高的熱導率（遠高于銅和硅）使其成為理想的散熱材料，可解決高功率芯片的熱管理難題。

在光子學領域，金剛石具有從紫外到遠紅外的寬光譜透過性，是制備光學窗口、透鏡、濾波器的理想材料。薄膜化后，可集成到微型光電子系統中。

在量子技術領域，金剛石中的氮-空位色心（NV center）是極具潛力的量子比特載體。大面積、高質量的金剛石薄膜為規模化量子計算和量子傳感提供了材料基礎。

在機械和熱管理領域，柔性金剛石膜可用于制備高性能的MEMS器件、聲學器件和熱界面材料。

褚智勤團隊目前正在推進這項技術的產業化應用。"我們已經能在實驗室制備出超過4英寸的金剛石膜，下一步是進一步提高面積、降低成本、優化性能，推動其在半導體、量子計算等領域的實際應用。"

八、結語：在無人區賭一把

回顧這五年的研究歷程，褚智勤感慨萬千。

從2019年的設想，到2020-2022年的兩年停滯，再到2024年的Nature發表，這條路走了整整五年。期間有博士后的離開，有課題險些被砍掉的危機，有兩次頂刊拒稿的打擊，也有偶然發現帶來的轉機，有補實驗時的埋頭苦干，最終迎來論文接收的喜悅。

"我覺得人生就應該去賭一把。"褚智勤說，"就看愿不愿意下血本，簡單、易做的事情沒什么風險，當然也不會有大的收益。雖然很難，但我們還是想拼一拼。"

這場"賭局"，他們贏了。但比Nature論文更重要的，是這段科研長征中積累的經驗、錘煉的心智、傳承的精神，以及為未來研究開辟的新方向。

在科學史上，從石墨烯到金剛石，碳材料家族的二維化進程跨越了二十年。港大團隊的這項工作，不僅填補了一項技術空白，更證明了：即使面對"不可能"的材料、"沒人做過"的領域，只要有足夠的耐心、敏銳的觀察、大膽的嘗試和純粹的堅持，天方夜譚也能成為現實。