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            專訪南京大學化學化工學院趙健偉教授

            2017年12月07日 作者:中國科技論文在線 瀏覽量:23591

              科學研究的目的和任務是什么?南京大學化學化工學院趙健偉教授用他在清潔電化學工程領域取得的一項項成果給出了明確的答案。近日,趙教授在接受中國科技論文在線專訪時,介紹了目前正在開展的無氰鍍銀工藝和電化學微加工技術的開發工作及其在產業推廣中的意義和實際問題。

              在線:請您介紹一下近期正在從事的研究工作及其現實意義。

              趙健偉:我們實驗室目前開展電化學的基礎研究和清潔電化學工程的新工藝研究。是一項結合了基礎和應用的有意義的工作。這里說的有意義,并不是單純的為了發表幾篇學術論文,而是要將電極過程的基礎研究的成果應用到清潔電化學工程中。

              清潔電化學工程中有一個重要的研究內容就是無氰鍍銀,它在電子電鍍中應用廣泛。電子電鍍工業在國民經濟生產中占有重要的地位。僅舉兩個代表性例子,其一是集成電路的引線框架,目前全球約80%的引線框架鍍銀是在中國生產,國內目前規模企業有30余家,其中投資額和產值在1億元以上的約有15家。另一個例子是發光二極管(LED)框架的鍍銀,隨著節能產品LED照明的廣泛應用,目前國內生產LED支架鍍銀的規模企業50余家,而且數量還在不斷增加。

              但是目前電子電鍍工業中的鍍銀依然采用劇毒的氰化物,隨著產能的進一步發展,污染日益嚴重。以產值1億元企業為例,每個月所消耗的劇毒氰化鉀大約在5噸左右。在高速電鍍中,電鍍液一般控制在60 ℃,鍍液揮發嚴重,這不僅對生產中工人的身體造成極大的傷害,還對環境造成嚴重的污染。高濃度的含氰廢水易于處理,但是生產環節中還存在大量的低濃度含氰廢水,處理成本高,一些企業則采取稀釋排放等不法手段,對環境造成嚴重污染。為了改變目前的高污染和高危的工作環境,以無氰電鍍為代表的清潔電化學工藝開發、推廣迫在眉睫。

              盡管目前報導了一些無氰鍍銀工作,但方案均不成熟,無法取代電子電鍍中的氰化鍍銀工藝。究其原因,還在于上述無氰鍍銀工藝的開發中重工藝和配方的探索,缺科學問題的研究。

              經過長期的電化學基礎研究和一段時間的工藝探索,我們初步確定了一套適合于電子電鍍的無氰鍍銀工藝。該工藝具有工作效率高,鍍液穩定,成本低廉等優點。在優化的條件下對銅導線、集成電路引線框架和LED框架試鍍,可以得到光亮、致密的銀鍍層。光亮性和抗變色性能超過氰化鍍銀。從這些例子中可以看出,實驗室探索、包括一定規模的小試取得了成功。然而具體的產業推廣就變得比較困難。這主要是實驗室中探索的工藝離具體產業推廣還需要經過中試的放大和示范生產線的建立。而電子電鍍等企業多數是民企和外企,他們對新工藝往往持有謹慎態度。所以我們一則進一步通過實驗室深入細致的實驗,得到更穩定可靠的工藝條件,另一方面也多方申請國家和地方的支持,力求建立產業示范線,推廣無氰鍍銀的應用。

              清潔電化學工程中另一個重要的研究內容就是電化學批量微加工。加工的工件廣泛應用于電子、軍工和各種民用商品。電化學加工,沒有宏觀的切削力作用,只要精確地控制電流密度、電解質組成參數和電化學發生的區域,就能實現微細電化學溶解或微細電化學沉積,即可達到對材料做“加法”的微電鑄/電鍍和做“減法”的電化學微腐蝕/刻蝕的目的。經過優化的電化學加工工藝具有加工效率高、結構精細、表面光滑平整、內應力小、無裂紋缺陷等優點,在微加工領域中有著不可替代的優越性。

              盡管電化學微納加工技術在批量制備微小結構和零件方面具有很大的優勢,明確并沒有產業化應用。就工件表面粗糙度、內應力等實際問題而言,電化學微納加工還有很多工藝要優化,機理要闡明。對于微納加工的工件來講,影響其性能的主要因素是在小尺度下表面作用引起的放大效應。所以說,與界面相關的眾多性質(例如表面張力, 表面吸附, 界面雙電層結構等)占據了突出甚至主導的作用。這就使得原有適用于宏觀世界的原理和實驗技術必須在基本觀點、原理以及解決問題的方法等方面做出創新或重要的修正。同時,電化學微納加工過程中原子的沉積或溶出過程在實驗上難以跟蹤,所以迄今為止,從微觀闡述電化學微納制造過程和器件失效機理還有很多工作要做。


              在線:近期的研究工作獲得了哪些課題的資助,這些課題在申報的過程中需要注意些什么?您有沒有可供分享的成功經驗?

              趙健偉:我們的科研工作以分子/納米尺度電子傳遞的基礎問題為主線,開展了表面電化學、掃描探針顯微鏡基礎上的納米電子傳遞、單分子電子輸運和分子電子器件的制備與失效的基礎研究。與此同時,我們將基礎研究的成果應用到無氰鍍銀和電化學微加工的工程上。

              承擔的項目也是以基礎研究居多,這對我們研究問題帶來好處,但是對成果轉化還沒有起到促進作用。

            目前正在開展的項目包括:
            1. 項目名稱:生命科學中的分析新原理與新方法研究。自然科學基金創新研究群體項目。項目編號: 20821063,2009.1-2011.12),成員之一。
            2. 項目名稱:半導體納米線結構調控、集成及光電器件應用基礎。國家重點基礎研究發展計劃資助(973),科學技術部。(項目編號: 2007CB936302),成員之一。
            3. 項目名稱:分子整流的理論和實驗研究。自然科學基金面上項目。(項目編號: 20873063,2009.1-2011.12),項目負責人。
            4. 項目名稱:納米斷裂的分子動力學研究。固體表面物理化學國家重點實驗室開放基金。項目負責人。
            5. 項目名稱:仿生分子識別技術在生物醫學應用的基礎研究。國家重點基礎研究發展計劃資助(973),科學技術部。(項目編號: 2010CB732400),成員之一。
            6. 項目名稱:分子整流器的設計及電子輸運性質研究。蘭州大學功能有機分子化學國家重點實驗室開放課題基金。項目負責人。
            7. 項目名稱:多孔固體膜中分子擴散的機理研究。材料化學工程國家重點實驗室開放課題基金。(項目編號:KL10-11,2011.1-2012.12),項目負責人。
            8. 項目名稱:納米線在機械沖擊下失效機理的探索研究。自然科學基金面上項目。(項目編號: 51071084,2011.1-2013.12),項目負責人。
            9. 項目名稱:從分子水平研究界面電子傳遞。中央高?;究蒲袠I務費專項資金資助。(項目編號: 1103020506,第一期和第二期,2011.1-2011.12),項目負責人。

              基金的申請,特別是面上項目是很公平的。因此除了做好自己的工作,提升自己內在的水平外沒有什么值得借鑒的經驗。

              在線:國內外同行在相關領域進展如何?就您掌握的情況請簡要介紹。

              趙健偉:無論是基礎研究還是應用工藝開發,做全新的探索更適合我們組。所以我們組無論是納米金屬材料的力學性質的研究,還是離子、小分子擴散的隨機行走模擬,甚至無氰鍍銀和電化學微加工都具有鮮明的自主研究特色。

              在線:請您談談今年的研究生招收計劃,對于有志報考的學生,有沒有一些需要特別注意的事項,或者說是基本要求?

              趙健偉:今年將招收一名博士和一名碩士。希望能在電化學工程方面有一定基礎,并愿意在這個領域接受系統訓練的同學報考。

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