吕树申教授的教学科研二三事

立德树人：初心

       我是1986年至1993年在西安交通大学读大学本科和硕士。记得1990年上大四的时候，去我的导师陶文铨院士的办公室，请求攻读他的硕士。当时陶先生刚刚从美国伊利诺伊大学进修归来，五十岁、意气风发，他说要求学生要努力工作，至少和他一样努力！我当时答应的很爽快，但其后多年，还是从先生身上深深体会了自己所不及的努力和拼搏，深深体会了那一代人在把前面耽误的时间追回来时是如何的拼命。

       我清楚记得1992年底，陶老师因劳累过度住进了第四军医大学的神经外科治疗，最终医生确诊为劳累所致，只需要好好休息就行了。有一天是我去陪护，当我把接近一米七五身高的先生从床上扶坐起来时，我震惊了，先生的体重感觉很轻很轻，好像只有五六十公斤的样子。那个时刻，我真正明白了什么是拼搏与奉献。

       陶老师2005年入选中国科学院院士，他现在以82岁高龄，仍然在西安交通大学给研究生用英文上课《数值传热学》。他扎根西部教书育人五十五载，授课学生近20000人，在他指导过的学生中培养出中国科学院院士等诸多英才。他说要当好一名老师，必须热爱自己的专业，热爱教授的课程，站在讲台上要对几百双渴望知识的眼睛负责，不能耽误学生一堂课。他荣获2021年度杰出教学奖，还曾被评选为全国师德先进个人、首届国家教学名师、党和人民满意的好老师、“最美科技工作者”等。

       三十多年来从陶老师身上我清楚学习了什么是“忠诚热爱教育事业，模范履行岗位职责”、什么是“求真务实、爱岗敬业、传播知识、塑造新人”。陶老师真是立德树人的典范、高山仰止，而他的学生们也何其幸运，获其言传身教，尤其作为高校教师，真要把这种精神继承下去：只有自己行端坐正、以身作则，才能去教书育人。

教书育人：本分

       教书育人本就是一个教师的本分工作。我觉得对自己做这样评价还是客观的：积极实施素质教育，促进学生全面发展，敬重学问、关爱学生。这其实是黄达人老校长“以人为本”的高等教育思想的贯彻执行。

       我曾经担任两届本科生班主任工作：2016年9月-2019年1月，任中山大学化学工程与技术学院2016级本科1班班主任。从入学教育开始，关注学生的素质教育，促进学生全面发展，教育学生顺利实现从高中到大学的学习方式转变。敬重学问、关爱学生，负责任地促进学生建立长远的学习目标和健康的人生态度，培养良好的学习和生活习惯，突出学习方法的掌握。建立完善的班级组织工作和定期学习计划，为学科专业及未来职业早定目标。我非常高兴地看到16级的同学们完成自己四年的大学学习，踏入自己理想的进阶之路。有很多同学到国外读研究生：德国亚琛工业大学和英国皇家理工大学为多，都有我写的推荐信；更多的同学选择在国内读研究生，有的是第二年重新报考。

       2020年9月-至今，我任威廉希尔WilliamHill官方网站料学院2020级本科1班班主任。同样是从入学教育开始，关注学生的素质教育，促进学生全面发展，教育学生顺利实现从高中到大学的学习方式转变，有效促使学生尽快适应学习及生活节奏、找到自己的高效学习方法；学习新的知识，关心国家大事、关心思想进步、大量阅读、更加成熟；加强锻炼、提高技能、保持身体健康状态！这届学生很大的不同是2020年新型冠状肺炎疫情的爆发，使他们的高考、大学入学、校外活动等都受到很大限制。很欣慰的是我成功把那张照片放到了他们学期总结的小册子中：“生育非典、考于新冠、天降大任、注定不凡”。

       我相信每个学期一个总结的小册子会在毕业之时汇成他们人生最灿烂四年的美好回忆，并一直存在他们未来的生活中，当他们将来经历波折、痛苦、无奈之时，心中始终有一个青年时期的母校，那是埋藏心中的一个温暖的故土，那是在任何时刻都能照耀自己前路的灯塔，那是在任何时刻都不向困难妥协的秘密武器！

       我也曾指导过本科生毕业论文50多篇，对于本科生来实验室我持非常开放的态度。他们是在研究生带领下学习和掌握更多的科研技能，我觉得重要的是启迪他们对科研创新的兴趣、感受最新科技的魅力和研制成功的喜悦、挖掘自己在科学研究方面的潜力，从而确定自己未来的发展方向。重要的是真正明白怀士堂门口墙壁上的那段中山先生在岭大的演说题目：“学生要立志做大事，不可做大官”。

教学教材：传承

       我非常幸运在2002年来到中山大学化学化工学院之时遇到祁存谦教授，他主管化工实验室的教学与实验，我也很自然地跟随他学习了三年《化工原理》的教学和实验工作。2004年祁老师退休，我将其化工的教学和实验室工作承担下来，2006年2月，祁存谦老师、丁楠老师和我合编的《化工原理》由化学工业出版社出版，2008年6月由丁楠和我合编的《化工原理实验》由中山大学出版社出版，从此中山大学的《化工原理》、《化工基础》、《化工原理实验》等课程都有了我们自己的教材。2009年3月《化工原理》第二版由化学工业出版社出版，并获得了2010年中国石油和化学工业优秀出版物奖（教材奖）一等奖。2015年6月由我和祁存谦、莫冬传合编的《化工原理》第三版由化学工业出版社出版，并获得2016年中国石油和化学工业优秀出版物奖·教材奖一等奖。今年年底由我和莫冬传、祁存谦合编的《化工原理》第四版将由化学工业出版社出版。

       可以看到，《化工原理》从第三版开始祁存谦老师名字向后面移了，把我的名字放在了第一位，引入了莫冬传为新的编著作者——这就是传承！是教学、教材的传承，也是教育理念和教材生命的传承！祁老师常常对我感慨，没想到我们的教材能出来、能反响那么好、那么多学校用，没想到我们能出到第四版，甚至一直更新下去！他说看看国内那些有名的教材，因为老先生的故去而断了更新，多么可惜！我们又是何其幸运！我相信他的话和他的感受，我相信我们的教材会一直更新传承下去。

       其实祁存谦教授带领年轻教师团队早期在化工设备动画库、虚拟化工实验、化工原理试题库、虚拟化工原理课堂、双语教学等多媒体教学方面进行了很多努力与尝试，取得了全国瞩目的成绩，多次获得国家级奖励。化工设备动画库及虚拟化工实验至今尤是国内最优秀的多媒体教学软件。

       我始终为自己能坚守教育一线、切实履行教师岗位职责和义务、高质量地完成教育教学工作任务而自豪，也会一直围绕教材、教法不断改革，创造形式多样、行之有效的教学方式方法而努力。

学术研究：创新

       记得2002年初到中山大学化学化工学院时，时任院长的陈小明院士谆谆教诲：要开展有别于国外导师的创新研究、要开展最新的材料物理化学的研究。

       我们开展的一个研究方向是基于电化学阳极氧化的二氧化钛纳米材料制备及其应用，这个领域在二十年前非常前沿，很多大牛将其用于电极材料及光电材料，可以出NS级别的论文。我们最初是向着相变界面材料而去，后面发展到超亲疏水表面，乃至特殊浸润性材料。特殊浸润性材料即超疏水材料和超亲水材料在油水分离中有其独特的优势和作用，其中利用超疏水特性的多孔材料在重力作用下进行油水分离，由于水密度通常比油大而将材料与待分离的油层隔开，这对油水分离不利；同时由于超疏水材料通常具有亲油的特性，从而使材料易受油污污染、易堵塞。而在重力作用下利用具有超亲水性的膜材料进行油水分离，不仅能抗油污污染，同时具有防阻塞、易回收再利用等优点，体现了科技发展的新方向。

       2019年由化学工业出版社出版我和我的两位博士研究生的合著《氟致超亲水原理及其应用》（吕树申、罗智勇、陈粤），在前言中我们这样描述：“作者最初开展阳极氧化制备TiO2纳米管阵列表面的研究工作，试图通过在纳米管尺度一定的情况下，针对其表面亲、疏水特性的变化，研究亲疏水特性对微纳尺度表面池沸腾传热的影响规律。研究发现Ti在阳极氧化过程中，由于F-和O2-迁移速率的差异，形成的TiO2纳米管的底部会有一层含有氟氧化物甚至氟化物的富氟层，这是通过电压脉冲法制备通孔TiO2的关键因素，由此我们提出一种新颖、廉价而又通用的、基于化学键极性的氟致超亲水机理和工艺：将氟原子与金属或类金属原子直接相连并利用（类）金属氟键的强极性来形成亲水界面，同时通过氧化物、氮化物等稳定的网络结构来稳定表面氟键以解决氟化物的水溶性问题，并由此研发出在材料表面形成—X—M—Y (X = O, S, N等, M = 金属或半金属, Y = F, Cl等) 的氟致超亲水界面的通用方法。书中分别将氟致超亲水原理应用于不同材料上，选择Ti、Zn、Fe、Co、Ni以及玻璃片（SiO2）等六种材料进行了实验和计算的证明。” “作者从2006年开始进行TiO2纳米管阵列的研究，发现氟致超亲水原理是一个惊喜，发展到油水分离工业是无心插柳柳成荫。”陈粤是我们中大2002级本科生，经硕博连读2011年获得博士学位，现在广东工业大学任教；罗智勇是我们中大2008级本科生，经硕博连读2017年获得博士学位，现在香港中文大学深圳任教。

       我们开展的另一个研究方向是二维热能材料，自2009年开始致力于第一性原理计算并针对纳米材料进行模拟分析，尤其是将纳米热电材料作为研究目标，希望为未来的潜在能源材料提供研究基础。我们开发了两种基于第一性原理的研究低维纳米结构量子热与热电输运的方法：DFT/DFPT-NEGF和DFTB-NEGF，可涵盖从原子级别到纳米尺度的电子、声子的弹道输运的计算；进一步发展和完善了用于二维材料界面作用下热及热电性质的第一性原理计算方法，通过合理地提取二阶力常数矩阵，可使非平衡格林函数方法适用于不考虑散射的不同界面作用分析；将玻尔兹曼输运方程及形变势理论相融合，可用于包括声子-声子散射及声子散射电子的复杂界面作用分析；不同计算方法的耦合，可涵盖从原子级别到微米尺度的热及热电输运性能研究。基于第一性原理分析了石墨烯、碳纳米管、石墨炔和石墨炔纳米管的热电输运特性；探明了过渡金属硫系化物WSe2纳米条带因其边缘不规则效应可明显提高热电性能的机理；在理论上设计了一类由VA主族元素组成的新型二维半导体材料；设计并预测了一类具有氢化Pb2XY（X=Ga/Sb，Y=In/Bi）结构的二维拓扑绝缘体家族，从自旋-轨道耦合作用引发的电子带隙、拓扑不变量、导电边缘态等方面验证了该家族的非平凡拓扑特性。

       2019年由科学出版社出版我和我的两位博士研究生的合著《纳米热电材料的第一性原理计算》（吕树申、王晓明、陈楷炫）。王晓明是我们中大2005级本科生，经硕博连读在2014年获得博士学位，赴美国Rutgers University和University of Toledo进行博士后研究，2018年11月以共同第一作者在Nature上发表论文“无铅卤化物双钙钛矿暖白光的高效稳定发光”(Nature 2018 Vol.563 No.7732 P541-545)。陈楷炫是我们中大2008级本科生，经硕博连读在2017年获得博士学位，2018年获得德国洪堡基金资助赴德国亚琛工业大学进行博士后研究。

平台团队：合作

       创建省级热控材料与技术平台

       我们申请的“广东省先进热控材料与系统集成工程技术研究中心”于2016年11月10日由广东省科技厅认定，自2017年运行以来，在工程技术研发能力与总体创新水平、成果转化与行业贡献、学科发展与人才培养、开放与运行管理、发展潜力等方面都按照工作计划圆满完成。中心获得研发经费超过3000万元，在广东省科技厅2020年12月21日公布的2020年度广东省工程技术研究中心动态评估结果（粤科函产字[2020]957号）中，本中心被评为优秀。

       这个团队平台主要以先进导热材料、热界面材料、热防护材料、蓄能相变材料和两相热控器件与系统等关键技术为核心，深入进行理论基础和应用技术研究，推进研究成果应用及产业化，在热控领域建立并完善了一个具有核心带动作用的技术创新平台，真正实现工程中心为地方经济建设、相关产业发展、环境不断优化服务的目的，其中先进热控材料的研究处于国内先进水平、两相热控器件与系统技术处国际领先水平。

       近5年平台团队在传热传质领域培养的博士和硕士生超过30名，并在国内外行业学术会议上屡获优秀奖项。年轻老师得到茁壮成长，包括衡益教授2017年荣获国家海外高层次青年人才、2018年荣获广东省“珠江人才计划”青年拔尖人才；张冰剑教授荣获2018年侯德榜化工科学技术青年奖；莫冬传副教授于2017年荣获广州市珠江科技新星等，形成多层次的人才学术梯队。

       参与并促进中国航天热控技术发展

       我们团队自2004年开始就参加了由大型国际合作科学实验计划AMS-02，为其核心子探测器——轨迹探测器研发了世界上第一个在空间执行任务的机械泵驱动两相流体回路热控系统（TTCS），我们负责该热控系统的热模拟和实验工作，首次获得了空间机械泵驱动二氧化碳两相流体回路散热系统的流动与相变特性以及稳定性规律，为该技术在航天领域的应用提供了有力和可靠的理论和实验基础，该工作于2016年获得广东省科学技术二等奖。AMS-02团队于2015年启动的在轨维修TTCS的任务，该任务已于2019年发射，此空间两相热控技术居国际领先水平。

       基于国际合作项目，我们将两相热控技术与系统拓展应用于我国的多个军工和航天项目，部分项目已经在轨运行。根据在轨飞行器的苛刻环境要求，设计精密控制的两相热控系统；根据高热流密度电子器件的散热要求，开发两相热控器件；针对有限空间的散热要求，设计微小型两相热控器件。辅助中山大学在航天热控领域在国内扩大影响力，并成为中国空间站载人航天科学实验平台首批承研单位（首批只有六所高校获得资格）。

       AMS-02国际合作项目的意义是非凡的，例如2013年以来AMS团队在物理学顶级期刊Physical Review Letters上发表论文16篇，其中9篇为ESI高被引，这些论文对我校的ESI排名有较好的促进作用。AMS-02项目参与人员包括了我校物理与天文学院、材料学院、智能工程学院、航空航天学院、电子与信息工程学院等学院的年轻教师，形成了多学院、多学科交叉发展的具有国际合作经验的研发团队。

成果转化：贡献

       石墨烯粉体材料的成果转化

      受到Andre Geim和Konstantin Novoselov用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯并以此共同获得 2010 年诺贝尔物理学奖的启发，我们自2012年开始进行石墨烯的研究。我们采用鳞片石墨膨胀-分散-再膨胀-再分散的方法，发明了大量且大片的薄层、纯净石墨烯粉体材料及其悬浮液的制备方法；此方法具有大量制备的特点且设备工艺简单，制备的石墨烯并不会产生或产生很少量的性能缺陷，这有助于进一步进行石墨烯添加剂性能的研究，以及精确氧化石墨烯功能化的研究。

       2018年12月对“一种石墨烯片的制备方法”、“一种石墨烯/银/二氧化钛/氧化镁复合材料及其制备方法”、“一种石墨烯/银/二氧化钛/氧化锰复合材料及其制备方法”、“一种石墨烯/银/二氧化钛复合材料的制备方法”等四项专利完成与浙江东盛慧谷投资发展有限公司的石墨烯复合材料成果转化项目达成一致并签署1000万元的成果转化协议，项目以石墨烯粉体及其功能化制备为基础，技术独特性体现在结合了石墨烯层间化学结合力的减弱与超声波物理剥离的方法对石墨烯粉体进行批量制备，可用于高导热脂、防菌复合材料、催化复合材料等材料领域。

       新型通讯散热技术成果应用

       我们提出了梯度多孔结构强化两相传热新概念，研究了其梯度多孔结构在池沸腾、流动沸腾、平板热管、环路热管等两相沸腾的特点，大大强化了沸腾性能，这部分特色研究受到本学科内的广泛关注，并在2019年全国热管会议上做大会报告，在2018多相流年会、2018、2019、2020 年传热传质学术年会上做特邀报告或专题研讨，2019年受邀在华为11届国际电子冷却技术论坛（The 11th International Electronics Cooling Technology Workshop (CTW2019)）大会上做主题报告，将最新的科学进展向工业界宣传和推广。该部分工作分别得到了国家自然科学基金面上项目和广东省自然科学基金面上项目的支持，并就相关专题在传热传质领域顶级期刊发表了10篇高水平SCI论文，受邀在科学通报发表综述性文章2篇，获得授权发明专利6项，实用新型专利3项。

       我们将梯度多孔结构强化两相传热的新概念应用于制备环路热管和超薄均温板（VC）等传热器件，应用于5G信息产业散热技术中。向华为技术有限公司授权使用界面传热强化相关专利技术并进行合作研发，在有限空间和大热流密度散热方向展开研发，包括超薄VC和大热流密度VC等，所合作开发的0.2 mm超薄VC是行业内最薄的产品。

（内容转载自“中大教师”公众号）