Light特邀記者 | 王卉、顧衡

翻譯 | 于存

編者按

如何應對氣候變化以及如何減輕甚至扭轉氣候變化可能是21世紀最熱門的科學領域話題。你是否知道一名華人科學家成功實現了柴油汽車PM2.5減排35%-40%，為控制氣候變化作出了貢獻？這位專家就是英國皇家工程院院士，英國曼徹斯特大學激光加工中心的創始人李琳。當然這僅僅是李琳教授科研成就中的冰山一角，作為納米材料的先驅者，他為光學納米顯微鏡成像領域帶來了技術革新，實現了對生物病毒的無干擾實時觀測，他用激光合成新納米材料可以在殺死超細菌同時而對多種人體細胞無害，從而推動了相關研究領域的發展與突破。

本期，我們非常榮幸邀請到了李琳教授接受采訪。他將從自身經歷出發，回憶多年科研從業經歷，暢談未來激光材料加工的發展趨勢。

原文鏈接

Wang, H., Gu, H. Light People: Professor Lin Li. Light Sci Appl 10, 147 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00566-x

李琳教授，現任英國曼徹斯特大學激光加工研究中心主任, 英國皇家工程院院士，英國LIG Nanowise公司董事長。曾擔任美國激光學會主席，國際光學及激光工程學會主席, 英國工業激光用戶協會主席。發表了400余篇SCI科技論文，申請激光先進制造專利60余項。2013年被皇家工程院授予弗蘭克·維特爵士（Frank Whittle) 勛章, 2014年榮獲英國皇家協會沃爾夫森優秀科研獎(Wolfson Research Merit Award)，2019年榮獲美國激光學會肖洛（Arthur Schawlow) 獎及英國機械工程師學會Donal Julius Groen獎。1982年本科畢業于大連理工大學，1989年博士畢業于英國帝國理工大學，在英國利物浦大學激光實驗室從事6年的博士后研究。1994年被聘為英國曼徹斯特理工大學機械工程系講師，2000年被破格提名為該校終身正教授。2009-2013年擔任曼徹斯特大學機械，航天，土木學院副院長，2015-2020年擔任曼徹斯特大學理工學部副部長。

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Light記者：作為激光材料加工的先驅者，您一直從事激光打孔、激光焊接、激光切割、激光表面處理、激光增材制造、激光清洗以及激光微納制造，應用范圍涉及制造、醫療、生物、新能源等多個領域。您認為目前激光材料加工面臨的挑戰是什么？它未來的發展趨勢是什么？

李琳：1985年，我在英國倫敦帝國理工學院開始從事激光加工研究，師從業界公認的激光材料加工之父Bill Steen教授。從他那里我學到，無論做什么，求知欲和社會需求永遠是科研的關鍵驅動力。在20世紀80年代，激光被認為是在尋找適合應用的有效工具。激光領域在過去40年已經取得了重大進步，包括超快（皮秒和飛秒脈沖）激光器的研發以及基于這些激光器的微/納米制造。除此之外，大功率光纖激光器的研發和應用使激光切割和激光焊接領域發生了翻天覆地的變化。與以往的二氧化碳激光器和Nd: YAG激光器相比，光纖激光器具有更高的能源效率，更好的加工精度以及靈活性。使用大功率激光來實現金屬零件的增材制造已從快速產品雛形制作發展成被業界廣泛認可和應用的快速制造工具，它節省了大量的能源、成本、材料和時間。今天，我們在激光加工領域仍面臨著許多科學和技術上的挑戰。挑戰之一是人工智能和實時傳感器在激光加工系統和科學研究中的應用與集成，以此實現更好的過程控制和創新。另一個挑戰是攻克微/納米加工和宏觀加工之間的屏障，讓宏觀加工可以達到微/納米加工的精度，同時又能使微/納米加工具有宏觀加工的效率。2012年在美國召開的第31屆ICALEO會議上，我做了題為 "激光微/納米制造與宏觀加工的銜接與交叉 "主題報告。可以說，直到今天，我們仍然面臨著這一挑戰。第三個挑戰是要進一步提高激光加工的能源效率，爭取在激光加工中實現零排放，并通過控制和減少激光的反射和非加工熱傳導能量損失，來實現激光加工中的零能量浪費。

2013年李琳教授榮獲英國皇家工程院頒發的弗蘭克·維特爵士勛章

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Light記者：多材料一體激光增材制造是當前的研究熱點，近年來您的團隊研發了基于超聲波振動來實現多材料精準送粉的激光粉床增材系統，打印出了金屬-陶瓷-玻璃-塑料相結合的多功能零件，為實現多材料增材制造提供了一種全新的設計思路。作為多材料增材技術的開拓者，您認為此項技術將來主要有哪些方面的應用？又有哪些挑戰？

李琳：在我們日常生活中，我們使用的產品和工具往往都不是由單一材料制成的。這是因為不同的材料具有不同的性能，能夠發揮不同的作用。在傳統制造過程中，不同材料的零部件通常會被分開來制造，然后使用各種連接技術將它們再組合到一起。雖然增材制造（3D打印）已經發展了近40年，但是目前打印一個零件仍然是以使用單一材料為主。在激光增材制造中，將不同類型的材料組合加工成一個零件的主要挑戰在于，激光加工需要考慮不同材料在性能上的區別，包括熔點，熱膨脹系數，熱導率，激光吸收率和不同材料間的兼容性。例如，金屬和陶瓷是兩種完全不同類型的材料，因此將它們連接在一起非常具有挑戰性。在增材制造中使用功能梯度的加工方法可以實現從一種材料到另一種材料的平緩過渡，這就需要多材料3D打印技術。多材料增材制造的潛在應用包括下一代醫療植入體，它可以綜合高強度、耐腐蝕、輕量化、生物相容性、可控生物降解性和自我監測等特點。另一種應用是在需要高溫和輕量化的航空發動機中。此外，它還能夠用于輕質和高抗沖擊性能的個人防護產品。多材料一體增材制造是一個新的研究領域，因此許多材料科學上的問題，比如金屬間化合物的控制仍然需要去探討并解決。

2019年李琳教授榮獲美國激光學會肖洛獎

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Light記者：我們都知道石墨烯誕生于曼徹斯特大學，近年來您的團隊發表了多篇關于激光直接制備石墨烯的學術論文，還申請了專利。您能談一下用激光制備石墨烯有哪些優點？在研究這項技術時您遇到的主要困難是什么？

李琳：制備高質量石墨烯最常用方法是化學氣相沉積。在制備過程中需要將甲烷等含碳氣體在1000 攝氏度以上的高溫環境下與銅或鎳等金屬薄膜催化劑基底進行反應。在實際應用中，通常需要將石墨烯從這些金屬薄膜基底上揭出來，轉移到其它材料基底上。為了提高石墨烯在其它材料上的附著力，需要添加一些結合材料，但這樣做會影響石墨烯的性能。這種制備石墨烯的方法生產成本高，并且在轉移過程中很難保證能有良好的結合。此外，相比于銅和鎳，石墨烯難以在其他基底上進行大面積應用。對此，我們開發了一種特殊的有機油墨材料，可以打印在任何基底上，比如聚合物和玻璃。然后使用紫外線波長的激光在不影響基底的情況下可以將這些油墨材料轉變成石墨烯。我們開發的另一項工藝是在玻璃上用橄欖油來大面積制備石墨烯。我們將石墨烯激光直接制備技術應用在鋰硫電池的電極制作中，該電池在快速充電（3C）下的電容量是目前使用石墨電極的商用鋰離子電池的兩倍，并且即使在500次充放電循環后依然能夠保持幾乎100%的電容量。同時，我們也將這項技術應用在紡織材料上制備應變傳感器。這些成果都已經發表。在研究過程中我們遇到的困難主要是對化學過程和原子級反應的理解。這是一個多學科交叉的研究，不僅需要了解工程，物理和材料科學，還需要化學方面的知識。

李琳教授在實驗室

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Light記者：您于2013年在《Light: Science & Applications》（《Light》）上發表的研究成果中（拓展：Li, L., Guo, W., Yan, Y. et al. Label-free super-resolution imaging of adenoviruses by submerged microsphere optical nanoscopy. Light Sci Appl 2, e104 (2013).），通過使用普通光學顯微鏡和BaTiO3微球，在白光和沒有熒光顆粒標記的條件下，首次在水中直接觀察到了75 nm的腺病毒，這項工作為深入了解病毒/細胞/細菌/藥物之間的相互作用提供了新的方法。目前在新冠疫情的影響下，這項技術似乎會具有非凡的意義，得到實際應用了么？

李琳：我們團隊在英國曼徹斯特的LIG Nanowise公司將此項成果進行了商業化，開發出了世界上第一臺帶有超分辨率微球放大透鏡（SMAL）的商用光學納米顯微鏡（Nanoro-M型號），并將其銷往美國、日本、中國、俄羅斯和韓國等世界各地。此外，我們實現了大面積成像與超分辨率成像結合。這通常是很難實現的，一般情況下，高分辨率顯微成像只能在較小的成像區域上實現。我們的光學納米顯微鏡的實際商業應用包括三星的半導體檢測和北京信用卡測試中心的信用卡檢查。這項技術克服了可見光200納米的理論光學衍射極限，實現了白光50納米的直接光學分辨率和單一波長25納米的光學分辨率。目前，我們正與醫學和材料領域的科學家們合作，在曼徹斯特大學研究冠狀病毒與病毒檢測傳感器和個人防護用品之間的相互作用。最近，尼康 （世界最大顯微鏡公司之一）向全球發布與 LIG Nanowise 公司合作，將我們的微球透鏡技術與尼康光學顯微鏡結合，實現超分辨光學成像，推向主流市場。

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Light記者：作為《Light》的編委，您一路見證了《Light》的成長與發展，對于《Light》及其子刊《eLight》、《Light: Advanced Manufacturing》在未來幾年的發展您有哪些期望和建議？

李琳：《Light》期刊在其領域享有很高的國際聲譽。《Light》的系列子刊必定會吸引更多的科學家和工程師投稿發表文章。衷心祝愿《Light》系列子刊早日成功。

2014年《Light》期刊主編曹健林為李琳院士頒發編委聘書

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Light記者：您是英國皇家工程院院士，同時您也擔任過美國激光學會(LIA)，工業激光用戶學會(AILU)和國際光子學與激光工程學會(IAPLE)的主席，也是國際生產工程學院 (CIRP)等許多重要國際學術機構的會士，并且主持過很多激光加工和先進制造的會議。能否請您分享一下，您從這些協會工作中獲得了哪些寶貴經驗，這些協會的董事會成員最看重的是什么？

李琳：上述國際學會和組織都是與激光和光學及先進制造領域有關。參與這些專業協會使我能夠服務于行業同仁并加強激光科學和工程方面的知識交流。通過交流，我在同行和朋友那里收獲良多。在協會工作中最重要的因素就是熱情，奉獻，犧牲，責任和公平。

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Light記者：您非常注重人才教育與培養，指導畢業的博士生已有60多位，遍布各個國家和各個領域。您總是鼓勵學生要開拓創新，站在科學發展的最前沿。您認為青年科研工作者應該具備哪些素養？您能提些建議給他們么？

李琳：培養博士生是一個轉變的過程。我們并不期望學生們從一開始就無所不知，能夠解決所有問題。我們希望學生們能夠好學不倦，敢于面對失敗，常懷希望之心和成功的夢想。搞研究是一項既有趣又無聊的工作。有志者，事竟成。一些重要的發明可能就是你既定科研目標的失敗成果。因此，要牢記失敗是成功之母。

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Light記者：您加入曼徹斯特大學之前，在倫敦帝國理工學院攻讀了關于激光加工的博士學位，之后跟隨您的老師William Steen在利物浦大學一起工作了六年，協助他創建新的激光加工實驗室，最初讀博期間是什么讓您對激光加工的研究產生了濃厚興趣？在利物浦大學工作的那六年對您未來學術生涯有怎樣的影響？

李琳：我本科畢業于大連理工大學的自動控制專業。最初，我在帝國理工學院電氣工程系讀博士時的研究課題是輸出反饋控制理論，并在幾個月內完成了導師規定的理論工作。雖然純理論的學習大有裨益，但我認為對于一名中國學者來說實踐經驗可能更為重要。有一天我遇到了一位好友陳振達先生，他在Bill Steen博士領導的激光加工研究實驗室做激光表面合金化博士課題研究。激光的魔力著實令我著迷，當時激光在材料加工中的應用還鮮為人知。于是我向學校申請更改博士論文題目和導師，開始攻讀激光熔覆過程自適應控制的博士學位。我的博士論文題目是《智能激光熔覆控制系統的設計與構建》，指導我博士研究的兩位導師來自材料系和機械工程系。在攻讀博士學位期間（1985-1989年），我提出并研究將人工神經網絡和在線傳感器應用于激光熔覆過程的控制，35年后的今天這個課題對于激光材料加工來說仍然是一個挑戰。在利物浦大學的博士后研究經歷對我的職業生涯至關重要。我參與了許多不同種類的科研項目，包括與公司合作的用于包裝行業的高速(1m /s)激光焊接過程的實時監控以及與工業界合作的基于激光的核退役技術。這些項目開闊了我的眼界，帶我走進了更為廣闊的激光加工領域，為我后來能夠在曼徹斯特大學建立自己的激光加工研究團隊奠定了基礎。

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Light記者：您經常會應邀回中國作為主講嘉賓參加各種學術研討會。可否請您談一談近年來國內外激光加工的研究存在哪些相同點和區別？

李琳：中國的激光加工科研世界一流，大量該領域的文章發表都來自中國。1980年至2000年間，中國主要開展激光熔覆、表面處理以及激光焊接方面的研究，并且在激光熔覆領域發表的論文最多。過去20年，隨著各大學實驗室先進激光設備的不斷增多以及國際交流的不斷加強，中國在超快激光微納加工和增材制造領域取得了迅猛發展。激光切割、激光焊接、激光打標、增材制造等工業應用極大促進了中國激光加工行業和研究的發展。當前國際上激光加工研究主要集中在CFRP復合材料的焊接、切割、電池和汽車用鋁的焊接、金屬材料的增材制造、玻璃、陶瓷、硅等脆性材料的微納加工和納米材料的合成。在許多激光加工領域，中國處于國際領先地位。例如：通過激光熔敷增材制造大型金屬組件，雙光子聚合的微納/納米元件制造，激光沖擊強化，超快激光表面微納/納米結構制造和應用，超快激光加工中的電子動力學、電流輔助激光焊接、電磁攪拌磁場輔助激光熔覆合金、環形激光熔覆以及多束激光粉床熔覆大型金屬部件增材制造。

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Light記者：去年由于疫情原因，各行各業都受到了極大影響。在科研圈，由于疫情影響，許多科研項目遲遲得不到展開，同時我也了解到很多國外大學的課程變成了線上教學。您是怎樣看待疫情給科研帶來的這些變化的？能否提一些建議幫助科研人員度過這個非常時期？

李琳：在新冠肺炎疫情期間，英國遭受了沉重的打擊。曾幾次進行全國或局部封鎖。我希望全世界能夠通過大規模疫苗接種戰勝這一流行病。受此影響，我們不得不將教學改為線上授課和討論。我們需要快速學習并使用在線教學工具，開發新的線上授課教材以及制定學生考核標準。此外，我們需要更加努力地工作，以適應這些變化。在科學研究和學術交流方面，由于政府要求保持社交安全距離，因此實驗室的人數也相應減少了很多。我們不斷學習新的措施，掌握新的規則和要求，比如越來越多地采用線上會議的形式。參加和組織線上會議似乎要更容易一些，因為它不需要出差，這樣就節省了很多時間，同時也減少環境污染。我認為，未來部分或者全部采用線上交流將會成為召開國際會議的一種常態化方式。

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Light記者：您不僅是著名的科學家，優秀的導師，勤奮的團隊帶頭人，我知道您還擅長許多樂器演奏，也會定期和學生舉行燒烤等活動，對于如何平衡工作和生活，你有什么建議給年輕科學家嗎?

李琳：畢竟我們是人，不是機器。我們在工作之外還有感情和生活。于我而言，我比較喜歡竹笛和二胡。在中學和高中時我就是學校樂隊的成員。1985至1988年我在倫敦攻讀博士學位時，參加了華人樂團，定期演出。現在，我在曼徹斯特東方絲竹民樂隊，經常演出。我給年輕人的建議是好好享受生活給予的一切，工作的成功并不總是與投入的時間成正比。平衡好工作和生活會使工作和生活都更加美好。

李琳教授演奏竹笛

2011年2月李琳教授（左四）在英國曼徹斯特東方絲竹民樂隊演出

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Light記者：您的女兒非常優秀，目前在帝國理工大學學習醫學專業？作為女兒大學校友，您在她擇校時給出建議了么？您是如何在女兒的學習和生活中給予幫助呢？

李琳：對于女兒學校和專業的選擇，我們尊重她個人的意愿。她在英國出生、成長并接受教育。從小學校和家長都灌輸給她獨立思考和自主決定的理念。相比其他的學科只需要3~4年的學習時間，學醫則需要花費6年，而且費用更高（她不得不從英國政府處借更多的錢，工作后償還）。即便如此，她依然希望通過學醫來拯救人的生命和幫助他人。幸運的是，她在A-level（高考）考試中表現的很好，所有科目都是A+。我們很高興她夢想成真。她現在就讀于我曾經畢業的帝國理工大學，雖忙于學業但是很開心。生活中我們也尊重她的個人選擇，并且對于她的決定給予精神支持。由于政府貸款只能涵蓋學費和住宿費，所以我們作為家長也給予必要的生活費支持。現在她每天都會跟她媽媽電話溝通。

李琳教授女兒的童年時期照片

Light特邀記者

王卉，現任中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（長春光機所）國際合作處副處長，主要從事國際交流，國際傳播，國際人才引進等工作；曾任長春光機所與自然出版集團合作期刊Light: Science & Applications創刊英文編輯，在《編輯學報》，《國際人才交流》等期刊發表文章多篇，并應SPIE邀請在SPIE Women in Optics發表文章。

顧衡，江蘇大學機械工程學院資格教授。2018年畢業于英國曼徹斯特大學，師從英國皇家工程院院士李琳教授，2018年至2020年在英國卡迪夫大學擔任歐盟區域發展基金ASTUTE項目組博士后職位，與威爾士當地企業（包括空客、大陸集團等）開展了一系列項目合作。主要從事激光金屬沉積、激光焊接、多材料增材制造等激光材料加工領域的研究，在International Journal of Heat and Mass Transfer、Additive Manufacturing、Optics and Laser Technology等國際刊物發表論文10余篇，并擔任多個國際期刊審稿人。

編輯 | 趙陽

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