固态离子学实验室

渴望学术创新的同学们对实验室知之甚少，老师们也不常有机会来详细介绍自己的科研现状，而我们这个栏目便构筑了其中的桥梁，用采访的方式带大家走进实验室，了解学术创新的过程，铺平通向科研前沿的道路。

近日，我们有幸在郭新老师的陪同下参观了固态离子学实验室，了解固态离子学带给我们生活与未来的无限可能。

固态离子学是研究固体中离子传导理论及其应用的一门学科，其涉及固体物理、固体化学、电化学、结晶化学和材料科学等领域，主要研究对象为离子导体及离子-电子（空穴）混合导体。

实验室概况

“固态离子学实验室”创建于2012年3月，其研究领域可概括为“固态离子导体与混合导体及其在信息、能源与环境等领域的应用”。具体介绍如下。

信息：人工智能硬件

自人类诞生以来，大脑内的信息是通过神经元间信号传递来完成的，在这一过程中，Ca2+离子内流和Na+-Ca2+离子交换起着重要作用。在信息领域，虽然现代半导体工业选择了电子，但大自然的选择却从来都是离子。

与现有的半导体器件相比，离子器件的显著优点有：首先，离子器件作为存储器时其信息存储密度高，能耗低，擦写时间只需几纳秒；其次，离子器件还可用于逻辑运算。尤为重要的是，用离子器件构建的人工神经网络能够实现类似大脑的学习、记忆和遗忘等功能。

实验室的工作主要集中在忆阻型离子器件阻变机理研究、器件结构设计优化、逻辑电路设计以及大脑神经功能模拟等方面。

能源：全固态锂电池及超级电容器

全固态锂电池是一种各组件（包括电极和电解质）均采用固相材料的锂离子电池。相比于传统电解液电池，采用无机非金属材料作为电解质的全固态锂电池具有诸多优势，例如，安全性极高，循环寿命长，能量密度高，高温适应性好等等。全固态锂电池能够应用于微电子器件、电动汽车及电网等诸多领域。

超级电容器又称电化学电容器，是一种介于传统电容器（如介质电容器和电解电容器）和电池之间的新型储能装置。实验室工作在于提高能量密度和微型化，在芯片上制备微型超级电容器，确保超级电容器高功率密度特性的同时获得良好的能量密度，为迷你型电子设备提供安全可靠、长寿命的优良电源。

环境：气敏传感器

气敏传感器是指能检测气体种类和浓度的一种电子装置。在气敏响应过程中，环境中的气体分子与气敏材料进行复杂的交互响应，改变材料的物理性能，形成响应信号从而被外界电路获取。本实验室采用金属氧化物半导体材料作为气敏介质，研发了硫化氢、一氧化碳和氮氧化物等传感器。

在参观了解实验室之后，我们与郭新老师进行了沟通交流，小编提取一些有意思的故事和大家分享。

实验室的科学研究距离商业化有多久远？

人工智能硬件、全固态锂电池及超级电容器、气敏传感器这3个应用就好比在固态离子学这个学科土壤里成长出的3棵树苗。

像人工智能硬件忆阻器区别于当下众多基于数学，即算法上的人工智能，从物理器件上去另辟蹊径，在遥远的未来，会给人类以另一种人工智能实现的方式，这棵树苗需要耐心呵护去等待果实的长成。

全固态锂电池及超级电容器从科研成果上来看，在近些年就可以逐渐替代现有的电解液电池，是一棵科学意义与现实意义共存的树苗，正在开花结果。

而对于气敏传感器，郭老师提到目前就可以进行成果转化，是一棵已结果的树。实验室通过技术支持和产品研发，由企业进行生产和销售，以这种方式进行合作。不同的商业应用取决于不同种类的传感器，例如氧气传感器，用于氧气检测，应用在发动机的燃烧控制上，既可以提高燃料的利用率，又可以降低污染。并且，将不同种类的传感器集成在一起，形成阵列，可以检测多种气体，形成“电子鼻”，这又是人工智能在嗅觉上的体现。

海外求学，学成归来

郭新老师回国前任德国于利希研究中心终身高级研究员。于利希研究中心是德国国家实验室，欧洲最大的科研机构之一。之前，他曾作为客座研究员在德国马普固体研究所从事研究工作多年。

刚去往德国时，语言不通、知识不足，老师最担心的是与周围人差距过大，于是每天沉浸在科研工作当中，通过自学和向他人请教，在马普固体研究所中逐渐成熟，在所长的赞许下，获得了更为长久的科研工作机会。

大约1年后，老师发表了第一篇在德国的文章。说完，郭老师从抽屉当中拿出了纸质版给我们翻阅。虽然这篇文章影响因子不高，但却像一颗种子，启蒙了之后老师在固态离子学领域当中的成就。

老师也提到当时国内外的科研条件天壤之别，欧洲的科研设备是无与伦比的好！现如今，老师也轻松地提到我国实验室的条件也是相当不错，现在的同学们可以更好地施展自己的才华，在学术创新上做出成果！

（上图为固态离子学实验室部分场景）

最后，郭新老师也欢迎同学们随时来实验室参观和学习！固态离子学实验室就在东一楼西端的四楼，欢迎大家前去参观学习！

编辑：邵哲元