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张晗:新材料与光电工程“联姻”路上的追梦人

发布时间:2018-11-26 来源: 打印 作者:文/段雨默 字号:

继2016年2项技术被OF week光通讯网评选为“2016年激光年度十大进展”和2017年团队“基于二维材料可饱和吸收体的锁模光纤激光器”研究在中国科学院科技战略咨询研究院公布的《2017 研究前沿》中被列入物理学Top 10 热点后,2018年课题组再度在黑磷精准药物控释系统治疗癌症方面取得新突破。

坚持沿着新材料与光电工程的学科交叉之路做引领式创新,年轻的80后教授、深圳大学博士生导师张晗,与其团队在锁模激光和黑磷研究上已取得多项重要突破。

 

多学科交叉,为科技创新引来源头活水

张晗1984年出生于湖北省黄冈市,2006年、2010年分别在武汉大学、新加坡南洋理工大学获得学士和博士学位,2013年成为深圳大学特聘教授。现任深圳大学黑磷光电技术工程实验室主任。

他是中组部青年“千人计划”、教育部“新世纪优秀人才”、2014年湖南省“杰青”、2016年广东特支计划“青年拔尖人才”、2016年深圳市海外高层次引进人才和2017年深圳市“青年科技奖”获得者,是深圳市孔雀创新团队负责人。社会职务还包括:兼任民盟中央委员、广东省政协委员、深圳市政协委员、多个SCI期刊副主编/专题主编、中国激光青年编委会秘书长等。

攻读博士后期间,张晗萌生了将新材料与光电工程相结合的想法。“当今世界,单一领域的知识已难以支撑高水平的创新活动。迫切需要我们研究与构建知识自由融合与跨领域交叉的科研创新。”他说。

多年来,张晗主要从事二维材料光学与生物光学研究,并已取得一定的成绩。首先,在二维材料锁模器件的设计与应用方面,他在国际上首次实现了二维材料锁模器件设计与应用,为超快激光技术的发展打下重要基础,这一新进展也得到了国内外广泛关注、跟踪及引用,被认为将“引领‘二维材料超快非线性光子器件’的研究方向”。其次,实现二维材料全光信号处理技术,并研制出具备品质因子高、转换效率高、速率快的全光信号处理器件,由此为克服传统电子信号处理存在的大功耗、处理速度较低等技术瓶颈,提供了新的解决方案。全光信号处理技术被认为是未来宽带通信网最具潜力的新一代光交换技术。第三,构筑了新型的黑磷光信息功能器件,开辟了黑磷在生物光子学的新应用。

依托这些研究,张晗已发表SCI论文200余篇,其中以第一作者或通讯作者发表SCI一区论文70篇,封面论文30篇,2篇论文入选中国百篇最具影响国际学术论文,28篇论文引用过百次,高被引论文39篇。2018年入选中国高被引科学家。

 

做引领研究,成黑磷医学研究的拓荒者

    张晗是国际上较早开始石墨烯研究的学者之一,是“深圳首个石墨烯团队”负责人,成果丰硕。

2012年,张晗自国外归来。两年后,一种类石墨烯的新型二维材料“黑磷”引起了他的注意。“无带隙的能带结构一度限制了石墨烯在光电领域的应用。”张晗说,“黑磷”拥有可控调节的能隙,可将电子信号转成光信号,具备一些石墨烯所不具备的特性,也因此被视为新一代超级材料。

张晗率队挺进“黑磷”研究领域时,国际上的相关研究也才刚刚起步。经过团队成员一路上的攻坚克难,他们在很短的时间里便成功探索出了针对“黑磷”的液相制备新方法,揭示了“黑磷”独特的层数依赖拉曼特性和非线性光学特性,还利用黑磷实现了对光纤激光器的锁模,在“薄层黑磷的大批量制备”上获得突破。成果一经公开便立即引起了国内外材料学领域的广泛关注。

张晗说,他们就是要做前沿性的研究,要做创新的“领跑者”,而不是始终跟在国外同行的后面“跟跑”。

“理论研究只有转化为生产力,才有它的价值。”张晗说。为此,他很注重将研究成果应用于实践,目前其团队已在黑磷生物医学新应用上取得持续性突破。

张晗介绍,黑磷独有的生物相容性和可降解性,使其成为优秀的智能光响应生物医药材料。它在生物医学领域有三大潜在应用方向:药物载体、光热疗法及光动力疗法新材料、肿瘤的光声成像。

“作为药物载体,二维黑磷纳米片的载药效率可达950%,并且药物通过非化学键吸附到黑磷纳米片时,药物的活性、靶向性都不受影响,保证了它作为药物载体的基本要求。”张晗说,作为药物载体,黑磷可用于肝癌、乳腺癌、肺癌等实体瘤的治疗。通过纳米材料在实体瘤中的EPR(增强穿透及滞留)效应的被动靶向,以及对黑磷表面进行修饰后的主动靶向,可以将药物精确地运送到肿瘤内部,实现肿瘤的靶向治疗。同时,将药物负载在黑磷纳米片中,可有效降低血液中的药物浓度,从而降低药物的副作用。另外,由于黑磷纳米片本身还可穿透血脑屏障,它也有望将特定的药物运载到大脑实质,从而在脑部肿瘤的治疗中发挥作用。

如今,癌症严重威胁着人类生命健康。

为了在这一领域有所贡献,张晗带领团队与深圳市人民医院、瑞典卡洛琳斯卡医学院Yihai Cao教授团队开展了合作研究。通过采用非接触式探头超声液态剥离方法,团队成功制备了高质量二维层状磷烯纳米片,并与抗癌药物一起集成到生物可降解温敏水凝胶材料中,制备出智能黑磷水凝胶材料。该材料可以通过无创方式注射到体内肿瘤组织,在近红外光的照射下,材料内的黑磷能够产生局部高热,这些热量一方面可以用于肿瘤的光热治疗,另一方面也能够驱动药物的释放。并且,释放药物的速率,可以通过激光的光场强度、照射时间、黑磷浓度等多种参数进行自动、可控的精确调控,最终达到治疗肿瘤的效果。

“术后该材料会自动降解为天然无毒产物,可以避免相应的副作用,极大地改善患者的生存质量。”张晗说。同时他欣慰地表示,这有望为癌症的治疗提供新的思路和视野,该研究成果的成功临床转化,将加快人类治愈癌症的进程。

 

产学研结合,使科学研究做到“顶天立地”

为使科学研究做到“顶天立地”,张晗很注重产学研的结合。他希望团队能在基础研究、技术专利和产业化方面均有所涉猎,都能开花结果。

“求木之长者,必固其根本。”基础研究,正是科技创新的根本。在“孔雀计划”团队的申请过程中,曾有评委建议张晗的团队“加快市场转换突破”,但张晗却表示自己更希望团队先关注“难啃的骨头”,也就是基础性的学术研究。

“科学家需要在幕后承担更多的使命。”他说。

与此同时,他也希望通过高校与企业的项目合作、共同研发等多重模式,让科研脚踏实地,落到实处。“企业在生产过程中遇到的困难,可以借此得到更好的解决。产学研结合,也将使科研更接地气,助力产业更迅速地实现优化升级、更新换代。”

近年来,除了瑞典卡罗林斯卡医学院、深圳市人民医院,张晗团队还与哈佛大学医学院等诸多国内外顶尖医学机构建立了合作关系,现有多学科背景的团队成员40余人。

2017年1月20日,张晗团队与杰普特光电工程中心达成合作研发意向,双方将携手推进“基于二维材料可饱和吸收体的锁模光纤激光器”原型机的研制、技术推广及产业化。团队的产学研结合之路,“蹄疾步稳”。

作为一名大学老师,还有一件事令张晗倍感欣慰,也就是为国家培养了一批优秀的创新和适用人才,“我相信,假以时日,他们一定会在各自的岗位上成长为各自行业里的科研中坚力量。”


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