49歲的美國三院院士四小時工作法

　　他發表了400余篇論文，引用7萬余次，4次入選麻省理工年度技術突破，新創多家成功企業，轉化50余項ZL技術，每天卻只有4個小時秘密工作時間。他是John A Rogers，年僅49歲，美國科學院、工程院、藝術與科學院三院院士，柔性電子的先驅人物。今天，他為知社講述他創新創業的傳奇故事：研究的緣起，與中國學者的親密合作，挑選學生與博后的標準，科研的感悟與心得，以及自己成功的小小秘訣。

　　John Rogers，美國西北大學Louis Simpson and Kimberly Querrey講座教授，Bio-Integrated Electronics中心主任。被挖到西北之前，曾歷任伊利諾伊大學 Swanlund講座教授和Seits Materials Research Laboratory中心主任、貝爾實驗室凝聚態物理主任、以及哈佛大學Junior Fellow。他在柔性電子領域做出諸多開創性貢獻，其微流體光纖（2004年）、可拉伸硅（2006年）、生物可降解電子器件（2010年）、以及轉換效率破紀錄的太陽能電池（2012年）先后4次入選麻省理工技術評論年度十大技術突破。在每年發表60篇高水平學術論文的同時，他將多項科研成果通過商業轉化成為上市產品，造就了一個從基礎理論與原型器件到成果產業化的科技神話。

　　借Rogers教授訪問中國之際，知社對他進行了獨家專訪。采訪過程中Rogers教授思維敏捷，語速直快，講了很多在學術文章和報告中不輕易提及的“背后的故事與機理”。悉心交談，環繞在他頭上令人炫目的頭銜與光環仿佛褪去，還原出一個滿懷激情與執念的科研工作者和悉心培育下一代的“靈魂工程師”形象。言畢，起身握手，那光環卻是更清晰了。

　　關于柔性電子工作

　　Q： 您早在2005年就發表第一篇關于柔性電子的工作。您對柔性電子的研究是始于一個什么契機與動機？

　　實際上我們對柔性電子的研究最早可以追溯到我在貝爾實驗室工作的時候。我還在哈佛大學跟隨George Whitesides教授從事博士后研究的時候，就對基于化學的微加工技術感興趣，尤其是微結構的材料科學與化學問題。我們希望能研究出能進一步完善甚至超越光刻技術的微加工技術。在我去到貝爾實驗室的時候，有同事正在研究有機半導體材料。有機半導體材料的魅力在于其可加工性強：它很容易實現印刷、圖案化、薄膜化成型，進而形成功能電路。我們在哈佛大學的開發的軟光刻技術正好可以應用到有機印刷電子的制備過程中。因此，準確說來，我最早接觸柔性電子領域應該始于1997-1998年。早期最具代表性的工作是基于電子墨水的柔性顯示設備。我們在背板電路上用基于并五苯的晶體管形成開關陣列，結合上方電子墨水形成類紙張柔性顯示屏。該工作發表在2001年的Proceedings of the National Academy of Sciences。2005年那篇柔性電子文章是我在2003年到UIUC后的工作。那個時候我開始意識到雖然有機半導體及其相關材料在學術科學研究是很有意思的課題，但要想研究具有高性能的柔性電子器件，且與現有制備工藝兼容，低厚度的硅可能會是更合理的選擇。于是我們逐漸轉變研究思路。現在看來這是不錯的抉擇：我們能制備出高性能、可操作性強的柔性電子器件進行實際應用研究。因此，我們針對柔性電子的研究實際上早于2005年，大概在2003，2004年我們用無機材料來替換有機功能材料的時候就開始了。

　　Q： 至今為止最讓您驕傲的是哪項工作？

　　最讓我驕傲的可能是早期關于制備方法的研究工作，比如無機半導體材料如單晶硅薄膜的制備和基于圖章的薄膜材料操控方法。那時我剛到UIUC不久，這些2004、2005年的早期工作奠定了我們當前的實驗技術與科研工作的基石，它們具有相當的重要性。后來我們完成了很多很棒的工作。我個人很喜歡的第一個是仿昆蟲復眼照相機，它結構很復雜，技術實現上相當具有挑戰性。但能夠從科學仿生角度來思考人造光學系統如何像昆蟲一樣感知周圍世界是一件很有趣的事情。第二個是類皮膚的表皮電子器件，它是一個里程碑似的工作。第三個就是我們首次提出的瞬態電子概念的工作，它開辟了一個新方向。所以，說到令人驕傲，我想到的是這三個代表性工作以及早期的方法性成果，它們是我當前研究的基礎。

　　類皮膚的表皮電子器件，2011 Science

　　Q： 當下柔性電子按照功能材料分類大致可以分為兩類：無機與有機。您認為相比于有機柔性電子，無機柔性電子最大的優勢在哪？

　　無機材料基本可以分為復合材料狀態和晶體狀態，晶體材料的遷移率遠高于相應的有機材料。當然這里不討論可能帶來更高遷移率的未知有機化學機制。就已知有機半導體而言，它們的劣勢主要在于遷移率不高。有機材料的優勢仍然在于可加工性強，它們便于印刷，可以在大氣環境中實現大規模制備。從這一點來講，它們仍具有很高研究價值。而相比于低成本與大面積，我們更關注電子器件功能的獨特性，這與成本和大面積制備工藝相關度并不大。比如電子器件要能與人體直接集成，它不需要超大面積；它需要能在人體健康方面發揮重要獨特的功能，它不一定需要便宜。這里我們首要考慮因素不是大面積與低成本，而是能否具有提升人體健康的獨特功能，而且這種功能具有不可替代性。我們對柔性電子器件關注點不一樣，對于我們的目標而言單晶無機材料是更好更合適的材料。

　　Q： 無機柔性電子基于力學設計實現柔性，同時繼承無機材料優良性能，但界面失效和可靠性問題很大程度制約著器件的力學與電學性能。如果聚合物材料性能不斷提高，或者出現新材料，有機柔性電子有沒有可能完全取代無機柔性電子？

　　有可能。有機半導體材料以及以此為基礎的柔性電子領域確實有很多很有意思的研究。對于這個問題，我不確定。我沒有“水晶球”，不能預知未來研究會出現什么樣的成果，是否會出現性能與硅可比擬甚至更好的新聚合物。這對于當前有機半導體材料的發展來講是很好的研究課題。但即使出現這樣的材料，仍然不能立即造就一項獨立的新技術。硅的魅力在于人們熟知如何進行摻雜，如何控制閾電壓，如何處理以及如何圖案化，它是一項成熟的制備工藝。選用硅作為功能材料，你可以對這些成熟的工藝信手拈來。即使人們研制出輸運特性與硅相同的新型聚合物，仍然有很多問題需要明確，比如，摻雜方式、材料長期穩定性、飄移行為、偏壓應力等等。硅作為電子器件的核心材料，人們經過半個世紀的全球性研究才將這些性質理解透徹。這些都是非常有意思的研究內容，我個人非常支持有機材料的研究。但有機材料的發展成熟還需要一段時間。如果你的興趣在具有短期潛力的先進電子技術，我想利用好現成已被證明過的材料和技術是更有價值、更現實的做法。

　　無機柔性電子中也存在各種材料科學基礎問題：如你所說的界面失效與斷裂的力學問題以及粘附等。基于成熟的無機材料，當前我們就可以制備出具有功能的柔性電子器件，用于解決現有臨床醫學與健康醫療領域的難題與挑戰。選擇無機材料具有很強靈活性，我們既可以研究材料科學的基礎問題，還可以制備具有實際功能的原型器件用于未知醫學問題的研究。一方面我們可以做基礎研究，另一方面可以研究一些更高層次的系統級別問題，比如利用器件與大腦或心臟的界面來研究神經科學與心臟內科學。而有機柔性電子技術還處于基礎材料科學的研究階段，還不具備系統工程級別的成熟度來實現這個層面的研究。

　　Q： 無機柔性電子已經發展了10多年，它已經形成了一套獨特的力學結構設計策略、轉印制備方法。您認為在未來發展中，它最大的挑戰是什么？

　　我們可以列舉一些挑戰。具體的挑戰取決于你設想的應用場景。我們在柔性電子領域的大多數研究都涉及在生物醫學器件的背景下如何將電子技術與生物學相結合，從而促進人體健康。這個應用場景下存在的挑戰包括：如何理解人造系統與生物系統之間的界面接口，如何在基于電子流的電子器件系統和基于離子流的生物系統之間實現信息交互，如何進行系統設計，如何理解里面存在的材料科學基礎問題。對于柔性電子來說這是一個科學前沿問題，同時也是我們感興趣的應用問題。這是挑戰之一。

　　還有一些工程性更強，也同樣重要的問題。比如，當你有一個核心柔性電子器件，如何構建起相應的系統使得它可以集成到像心臟或大腦這樣的曲面體表面。再比如，對于長期植入電子器件，你需要思考如何防止生物液體浸入器件的有效功能電路。我們不能像處理心臟起搏器一樣，把它裝進一個金屬盒子里，那樣不僅會破壞器件本身柔性，還會喪失它與生物組織的集成順應性與保形性。此時，需要開發能以薄膜柔性形式與生物組織集成，同時還兼具完美防水性的材料。對于需要長期植入的柔性電子器件，這是極具挑戰性的材料的問題。另外，還有一些更高思考層面的類似問題：人造系統與生物系統相結合時首要考慮因素是什么，如何讓它們兩者之間進行交流與互動，以達到提升健康狀態的目的。

　　Q： 您認為該領域下一個突破口可能在哪？

　　下一個突破口將是開發一種交互系統，不是簡單地與生物進行單向交互，而是在一個緊密反饋閉環中運行。因此，你可以想象一下這樣一類增強器官系統健康狀況的器件，它們工作基于傳感器對于器官生理狀態的監測與反饋，我們想把這類器件歸于生物電子醫學這一更廣泛的術語概念。在這個圈子里不僅只有我們柔性電子技術對它感興趣，各種別的技術也想涉入該領域的研究。所以，你可以想象將這樣一個器件貼在骨盆神經上來監測膀胱功能。器件上的一系列應變傳感器保形地貼合在膀胱表面，監測膀胱是充盈還是排空狀態，并將信息傳回器件，形成一個自反饋的控制閉環。這種具有自反饋的功能性生物電子器件是一個非常有意思的研究方向，它兼具有趣的科學問題與工程挑戰，也是我們正在努力的方向。

　　與物聯網的結合

　　Q： 最近關于物聯網的討論很熱，而您的研究大多針對醫學場景，請問您有考慮未來朝物聯網方向結合么？

　　我認為將柔性電子應用到物聯網是很容易的。我們的研究不僅含有能與生物器官相結合的電子器件，還包括生物/環境可降解的瞬態電子器件。后者就與物聯網相關。我們可以想象未來人能接觸到的家里所有物體與結構都內嵌有各種各樣的傳感器。接著就會出現很自然的問題：這些數以十億計的無線電子器件終將進入自然環境，它的工作壽命是多長？隨著時間的推移，它們會發生什么變化？會簡單堆積然后產生難以治理的有毒物質？還是利用可降解材料使它們可以在喪失功能后在環境中自然降解消失，不造成負面影響？所以，目前我們所研究的某些器件，雖然初衷是建立在臨床醫學應用上，但將其用于新型電子技術領域如物聯網，也是可行的。生物/環境可降解電子器件就是一個跟物聯網相關的學科交叉例子。

　　Q： 您跟黃永剛教授可能從2005年就開始合作，直到今天。您和他的組合在學術圈既聞名又多產。一開始是怎樣的契機促成了這樣的合作關系？

　　我們初次接觸是他還在UIUC任教的時候。那是在實驗室里，一次偶然的機會我們發現把薄膜硅條貼到輕微預拉伸的彈性基底表面再釋放預拉伸應變，薄膜硅條會在彈性基底表面形成高度周期性的波浪狀結構。很快我們就意識到利用該結構可以使得硅基集成電路不僅可以具有柔性，更可以具有可延展性。波浪狀結構里既有材料問題，如薄膜硅條與彈性基底之間界面本質，界面處的粘附化學機制以及如何將它應用到電子器件中；又有很明確的力學問題，如波浪狀結構是如何形成的，進一步承受機械變形時結構幾何形態將如何變化。另一個關于PDMS圖章上微結構塌陷的問題，來自于軟光刻過程。這兩個問題共同性在于自然的學科交叉性，永剛對里面力學理論的部分感興趣，而我對其中非常規的材料系統以及軟硬材料集成應用到復合材料和電子器件的部分感興趣。他開始對這兩個系統建立相應理論模型，即圖章塌陷以及硅條帶在硅膠上的屈曲。那是一種很好的互動。我和他有非常相似的地方，包括工作節奏和科研思路，個人之間具有一種天然的契合感。科研上我們緊密合作且互補，我的課題組擅長實驗，他的組擅長理論分析。在此基礎上，我們的學生也莫名合得來，合作非常順利。由于各方面都很自然地契合，從開始到現在我們一直合作得很好。2004-2005年之間，我們共同發表了第一篇文章，到現在，我們可能已經共同發表了200-250篇文章，而且還在繼續。這是一段很棒的關系。

　　知社：黃永剛教授曾經形容你們之間的關系像是 “Happily Married Couple”？

　　是的，形容得很好。我們骨子里就很像。我也說不清，就是非常相似。

　　Q： 所以波浪狀硅條結構是首先在實驗中發現還是先有理論預測？

　　先有實驗。準確說是一次實驗“事故”。當時，我們正研究基于硅薄膜的柔性電子器件，我們成功從硅晶圓片表面制備出很薄的硅薄膜、硅條帶和硅線，實現各種可彎曲的柔性硅形態。但它們只停留在硅晶圓片表面是不夠的。我們需要把它們從硅晶圓片上拿下來，集成塑料或橡膠薄膜上。從那時沿用至今的轉移方法是，利用鉆蝕把硅納米結構從硅晶圓片上部分游離，再用軟圖章和硅納米結構形成物理接觸，靠軟圖章表面黏性將硅納米結構從硅基片上撕起來形成一個“蘸有硅墨水的印章”，再印制到目標基底表面。通常在這個過程中，硅條在硅晶圓片上和圖章上都保持平直，印制到目標基底表面后也是平直狀態。然而，手工操作印制有時會在軟圖章中引入微小應變。帶有微小拉應變的軟圖章抬起硅條后應變釋放，圖章恢復到初始形態，圖章表面硅條受壓發生失穩屈曲，形成波浪狀的幾何形態。這一現象最早被一個觀察力敏銳的博士后在轉印實驗中注意到。他發現這種情況下印制成功率極低，就把實驗失敗的硅條和圖章放到顯微鏡下觀察，結果發現不能成功印制的原因在于形成波浪狀幾何形貌后，硅條與目標基底之間只在波峰處接觸，導致接觸面積減小，粘附力不夠實現硅條轉移。在他拍攝的顯微鏡照片中，我們觀察到非常漂亮，非常有規律的波浪狀結構，我們意識到一定發生了系統性變化。這種結構使得轉印過程印制困難，但換個角度看，它開創了一個實現可延展硅的全新機理。那次實驗“事故”和后續跟永剛的討論奠定了今天無機柔性電子的基礎。

　　怎樣挑選學生

　　Q： 您組里有很多中國學生，您也合作過很多中國博士后和訪問學者，您覺得他們跟美國學生有什么不一樣么？

　　他們風格不一樣。中國學生、學者到美國有更專注的目標和更強的動機，他們很努力地做出很好的工作，這樣他們既可以回國，也可以留在這開始職業生涯。而美國學生也很優秀，不過他們工作和科研的風格不一樣。我的學生都很棒，美國的、中國的、韓國的。他們各自有不同的優缺點，不好比較。我都很滿意。

　　Q： 您如何挑選學生入組？

　　博士后的選擇比較簡單，周圍熟知的教授會向我推薦或介紹他們認為合適的人。因此，對于來自相熟課題組的博士后我可以了解他的大致情況。同時，經歷了完整的博士生涯，他們的科研成果、科研能力也一目了然。從他們發表的文章，大致可以看到他們的科研潛力所在。而研究生就比較難一點，因為他們本科期間的學習成績不夠有指向性，好的學習成績不一定意味著可以在沒有標準答案的、開放性的科研環境中做出好的工作。所以基本上我是從入組的本科生里挑選研究生，我會看他們是否對科研有熱情，是否對參與我們的科研感到興奮。很多人都很有天分，但如果他們對自己的工作沒有激情，他們很難成功。所以我評判的標準是學生對課題組科研內容的熱愛程度。

　　Q： 力學是一門經典學科，許多力學專業的學生和年輕科研工作者都在努力尋找新的研究方向和課題。您和黃永剛教授的合作剛好說明力學還可以很活躍，可以在精密電子技術中發揮關鍵作用。而且您曾獲得過Society for Engineering Science協會頒發的Eringen Medal，力學領域很重要的獎項。請問您對力學專業的學生和年輕學者有什么建議？

　　我想說實際上力學工作者面臨很多機會。這個世界本質上是一個機械的世界，我們接觸到的每個事物包括電子器件在設計時都需要機械原理。接受過系統力學訓練的學生擁有豐富的工程和物理知識，這些知識具有廣泛的應用領域。所以我認為力學并不狹義。我們很高興能在當前的科研內容中跟力學學者合作。但這不是一個獨特現象。我認為在生物學里有很多有意思的課題，這些課題既有生物化學問題又有力學問題，比如力作用下細胞的化學響應。我相信這里面有很多問題處于力學領域前沿，等待人們研究探索。我認為不僅僅是柔性電子，還有一系列的課題可供力學發揮。