Light人物：专访英国皇家工程院院士李琳

Light特邀记者 | 王卉、顾衡

翻译 | 于存

编者按

如何应对气候变化以及如何减轻甚至扭转气候变化可能是21世纪最热门的科学领域话题。你是否知道一名华人科学家成功实现了柴油汽车PM2.5减排35%-40%，为控制气候变化作出了贡献？这位专家就是英国皇家工程院院士，英国曼彻斯特大学激光加工中心的创始人李琳。当然这仅仅是李琳教授科研成就中的冰山一角，作为纳米材料的先驱者，他为光学纳米显微镜成像领域带来了技术革新，实现了对生物病毒的无干扰实时观测，他用激光合成新纳米材料可以在杀死超细菌同时而对多种人体细胞无害，从而推动了相关研究领域的发展与突破。

本期，我们非常荣幸邀请到了李琳教授接受采访。他将从自身经历出发，回忆多年科研从业经历，畅谈未来激光材料加工的发展趋势。

原文链接

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，现任英国曼彻斯特大学激光加工研究中心主任, 英国皇家工程院院士，英国LIG Nanowise公司董事长。曾担任美国激光学会主席，国际光学及激光工程学会主席, 英国工业激光用户协会主席。发表了400余篇SCI科技论文，申请激光先进制造专利60余项。2013年被皇家工程院授予弗兰克·维特爵士（Frank Whittle) 勋章, 2014年荣获英国皇家协会沃尔夫森优秀科研奖(Wolfson Research Merit Award)，2019年荣获美国激光学会肖洛（Arthur Schawlow) 奖及英国机械工程师学会Donal Julius Groen奖。1982年本科毕业于大连理工大学，1989年博士毕业于英国帝国理工大学，在英国利物浦大学激光实验室从事6年的博士后研究。1994年被聘为英国曼彻斯特理工大学机械工程系讲师，2000年被破格提名为该校终身正教授。2009-2013年担任曼彻斯特大学机械，航天，土木学院副院长，2015-2020年担任曼彻斯特大学理工学部副部长。

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Light记者：作为激光材料加工的先驱者，您一直从事激光打孔、激光焊接、激光切割、激光表面处理、激光增材制造、激光清洗以及激光微纳制造，应用范围涉及制造、医疗、生物、新能源等多个领域。您认为目前激光材料加工面临的挑战是什么？它未来的发展趋势是什么？

李琳：1985年，我在英国伦敦帝国理工学院开始从事激光加工研究，师从业界公认的激光材料加工之父Bill Steen教授。从他那里我学到，无论做什么，求知欲和社会需求永远是科研的关键驱动力。在20世纪80年代，激光被认为是在寻找适合应用的有效工具。激光领域在过去40年已经取得了重大进步，包括超快（皮秒和飞秒脉冲）激光器的研发以及基于这些激光器的微/纳米制造。除此之外，大功率光纤激光器的研发和应用使激光切割和激光焊接领域发生了翻天覆地的变化。与以往的二氧化碳激光器和Nd: YAG激光器相比，光纤激光器具有更高的能源效率，更好的加工精度以及灵活性。使用大功率激光来实现金属零件的增材制造已从快速产品雏形制作发展成被业界广泛认可和应用的快速制造工具，它节省了大量的能源、成本、材料和时间。今天，我们在激光加工领域仍面临着许多科学和技术上的挑战。挑战之一是人工智能和实时传感器在激光加工系统和科学研究中的应用与集成，以此实现更好的过程控制和创新。另一个挑战是攻克微/纳米加工和宏观加工之间的屏障，让宏观加工可以达到微/纳米加工的精度，同时又能使微/纳米加工具有宏观加工的效率。2012年在美国召开的第31届ICALEO会议上，我做了题为 "激光微/纳米制造与宏观加工的衔接与交叉 "主题报告。可以说，直到今天，我们仍然面临着这一挑战。第三个挑战是要进一步提高激光加工的能源效率，争取在激光加工中实现零排放，并通过控制和减少激光的反射和非加工热传导能量损失，来实现激光加工中的零能量浪费。

2013年李琳教授荣获英国皇家工程院颁发的弗兰克·维特爵士勋章

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Light记者：多材料一体激光增材制造是当前的研究热点，近年来您的团队研发了基于超声波振动来实现多材料精准送粉的激光粉床增材系统，打印出了金属-陶瓷-玻璃-塑料相结合的多功能零件，为实现多材料增材制造提供了一种全新的设计思路。作为多材料增材技术的开拓者，您认为此项技术将来主要有哪些方面的应用？又有哪些挑战？

李琳：在我们日常生活中，我们使用的产品和工具往往都不是由单一材料制成的。这是因为不同的材料具有不同的性能，能够发挥不同的作用。在传统制造过程中，不同材料的零部件通常会被分开来制造，然后使用各种连接技术将它们再组合到一起。虽然增材制造（3D打印）已经发展了近40年，但是目前打印一个零件仍然是以使用单一材料为主。在激光增材制造中，将不同类型的材料组合加工成一个零件的主要挑战在于，激光加工需要考虑不同材料在性能上的区别，包括熔点，热膨胀系数，热导率，激光吸收率和不同材料间的兼容性。例如，金属和陶瓷是两种完全不同类型的材料，因此将它们连接在一起非常具有挑战性。在增材制造中使用功能梯度的加工方法可以实现从一种材料到另一种材料的平缓过渡，这就需要多材料3D打印技术。多材料增材制造的潜在应用包括下一代医疗植入体，它可以综合高强度、耐腐蚀、轻量化、生物相容性、可控生物降解性和自我监测等特点。另一种应用是在需要高温和轻量化的航空发动机中。此外，它还能够用于轻质和高抗冲击性能的个人防护产品。多材料一体增材制造是一个新的研究领域，因此许多材料科学上的问题，比如金属间化合物的控制仍然需要去探讨并解决。

2019年李琳教授荣获美国激光学会肖洛奖

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Light记者：我们都知道石墨烯诞生于曼彻斯特大学，近年来您的团队发表了多篇关于激光直接制备石墨烯的学术论文，还申请了专利。您能谈一下用激光制备石墨烯有哪些优点？在研究这项技术时您遇到的主要困难是什么？

李琳：制备高质量石墨烯最常用方法是化学气相沉积。在制备过程中需要将甲烷等含碳气体在1000 摄氏度以上的高温环境下与铜或镍等金属薄膜催化剂基底进行反应。在实际应用中，通常需要将石墨烯从这些金属薄膜基底上揭出来，转移到其它材料基底上。为了提高石墨烯在其它材料上的附着力，需要添加一些结合材料，但这样做会影响石墨烯的性能。这种制备石墨烯的方法生产成本高，并且在转移过程中很难保证能有良好的结合。此外，相比于铜和镍，石墨烯难以在其他基底上进行大面积应用。对此，我们开发了一种特殊的有机油墨材料，可以打印在任何基底上，比如聚合物和玻璃。然后使用紫外线波长的激光在不影响基底的情况下可以将这些油墨材料转变成石墨烯。我们开发的另一项工艺是在玻璃上用橄榄油来大面积制备石墨烯。我们将石墨烯激光直接制备技术应用在锂硫电池的电极制作中，该电池在快速充电（3C）下的电容量是目前使用石墨电极的商用锂离子电池的两倍，并且即使在500次充放电循环后依然能够保持几乎100%的电容量。同时，我们也将这项技术应用在纺织材料上制备应变传感器。这些成果都已经发表。在研究过程中我们遇到的困难主要是对化学过程和原子级反应的理解。这是一个多学科交叉的研究，不仅需要了解工程，物理和材料科学，还需要化学方面的知识。

李琳教授在实验室

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Light记者：您于2013年在《Light: Science & Applications》（《Light》）上发表的研究成果中（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).），通过使用普通光学显微镜和BaTiO3微球，在白光和没有荧光颗粒标记的条件下，首次在水中直接观察到了75 nm的腺病毒，这项工作为深入了解病毒/细胞/细菌/药物之间的相互作用提供了新的方法。目前在新冠疫情的影响下，这项技术似乎会具有非凡的意义，得到实际应用了么？

李琳：我们团队在英国曼彻斯特的LIG Nanowise公司将此项成果进行了商业化，开发出了世界上第一台带有超分辨率微球放大透镜（SMAL）的商用光学纳米显微镜（Nanoro-M型号），并将其销往美国、日本、中国、俄罗斯和韩国等世界各地。此外，我们实现了大面积成像与超分辨率成像结合。这通常是很难实现的，一般情况下，高分辨率显微成像只能在较小的成像区域上实现。我们的光学纳米显微镜的实际商业应用包括三星的半导体检测和北京信用卡测试中心的信用卡检查。这项技术克服了可见光200纳米的理论光学衍射极限，实现了白光50纳米的直接光学分辨率和单一波长25纳米的光学分辨率。目前，我们正与医学和材料领域的科学家们合作，在曼彻斯特大学研究冠状病毒与病毒检测传感器和个人防护用品之间的相互作用。最近，尼康 （世界最大显微镜公司之一）向全球发布与 LIG Nanowise 公司合作，将我们的微球透镜技术与尼康光学显微镜结合，实现超分辨光学成像，推向主流市场。

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Light记者：作为《Light》的编委，您一路见证了《Light》的成长与发展，对于《Light》及其子刊《eLight》、《Light: Advanced Manufacturing》在未来几年的发展您有哪些期望和建议？

李琳：《Light》期刊在其领域享有很高的国际声誉。《Light》的系列子刊必定会吸引更多的科学家和工程师投稿发表文章。衷心祝愿《Light》系列子刊早日成功。

2014年《Light》期刊主编曹健林为李琳院士颁发编委聘书

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Light记者：您是英国皇家工程院院士，同时您也担任过美国激光学会(LIA)，工业激光用户学会(AILU)和国际光子学与激光工程学会(IAPLE)的主席，也是国际生产工程学院 (CIRP)等许多重要国际学术机构的会士，并且主持过很多激光加工和先进制造的会议。能否请您分享一下，您从这些协会工作中获得了哪些宝贵经验，这些协会的董事会成员最看重的是什么？

李琳：上述国际学会和组织都是与激光和光学及先进制造领域有关。参与这些专业协会使我能够服务于行业同仁并加强激光科学和工程方面的知识交流。通过交流，我在同行和朋友那里收获良多。在协会工作中最重要的因素就是热情，奉献，牺牲，责任和公平。

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Light记者：您非常注重人才教育与培养，指导毕业的博士生已有60多位，遍布各个国家和各个领域。您总是鼓励学生要开拓创新，站在科学发展的最前沿。您认为青年科研工作者应该具备哪些素养？您能提些建议给他们么？

李琳：培养博士生是一个转变的过程。我们并不期望学生们从一开始就无所不知，能够解决所有问题。我们希望学生们能够好学不倦，敢于面对失败，常怀希望之心和成功的梦想。搞研究是一项既有趣又无聊的工作。有志者，事竟成。一些重要的发明可能就是你既定科研目标的失败成果。因此，要牢记失败是成功之母。

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Light记者：您加入曼彻斯特大学之前，在伦敦帝国理工学院攻读了关于激光加工的博士学位，之后跟随您的老师William Steen在利物浦大学一起工作了六年，协助他创建新的激光加工实验室，最初读博期间是什么让您对激光加工的研究产生了浓厚兴趣？在利物浦大学工作的那六年对您未来学术生涯有怎样的影响？

李琳：我本科毕业于大连理工大学的自动控制专业。最初，我在帝国理工学院电气工程系读博士时的研究课题是输出反馈控制理论，并在几个月内完成了导师规定的理论工作。虽然纯理论的学习大有裨益，但我认为对于一名中国学者来说实践经验可能更为重要。有一天我遇到了一位好友陈振达先生，他在Bill Steen博士领导的激光加工研究实验室做激光表面合金化博士课题研究。激光的魔力着实令我着迷，当时激光在材料加工中的应用还鲜为人知。于是我向学校申请更改博士论文题目和导师，开始攻读激光熔覆过程自适应控制的博士学位。我的博士论文题目是《智能激光熔覆控制系统的设计与构建》，指导我博士研究的两位导师来自材料系和机械工程系。在攻读博士学位期间（1985-1989年），我提出并研究将人工神经网络和在线传感器应用于激光熔覆过程的控制，35年后的今天这个课题对于激光材料加工来说仍然是一个挑战。在利物浦大学的博士后研究经历对我的职业生涯至关重要。我参与了许多不同种类的科研项目，包括与公司合作的用于包装行业的高速(1m /s)激光焊接过程的实时监控以及与工业界合作的基于激光的核退役技术。这些项目开阔了我的眼界，带我走进了更为广阔的激光加工领域，为我后来能够在曼彻斯特大学建立自己的激光加工研究团队奠定了基础。

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Light记者：您经常会应邀回中国作为主讲嘉宾参加各种学术研讨会。可否请您谈一谈近年来国内外激光加工的研究存在哪些相同点和区别？

李琳：中国的激光加工科研世界一流，大量该领域的文章发表都来自中国。1980年至2000年间，中国主要开展激光熔覆、表面处理以及激光焊接方面的研究，并且在激光熔覆领域发表的论文最多。过去20年，随着各大学实验室先进激光设备的不断增多以及国际交流的不断加强，中国在超快激光微纳加工和增材制造领域取得了迅猛发展。激光切割、激光焊接、激光打标、增材制造等工业应用极大促进了中国激光加工行业和研究的发展。当前国际上激光加工研究主要集中在CFRP复合材料的焊接、切割、电池和汽车用铝的焊接、金属材料的增材制造、玻璃、陶瓷、硅等脆性材料的微纳加工和纳米材料的合成。在许多激光加工领域，中国处于国际领先地位。例如：通过激光熔敷增材制造大型金属组件，双光子聚合的微纳/纳米元件制造，激光冲击强化，超快激光表面微纳/纳米结构制造和应用，超快激光加工中的电子动力学、电流辅助激光焊接、电磁搅拌磁场辅助激光熔覆合金、环形激光熔覆以及多束激光粉床熔覆大型金属部件增材制造。

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Light记者：去年由于疫情原因，各行各业都受到了极大影响。在科研圈，由于疫情影响，许多科研项目迟迟得不到展开，同时我也了解到很多国外大学的课程变成了线上教学。您是怎样看待疫情给科研带来的这些变化的？能否提一些建议帮助科研人员度过这个非常时期？

李琳：在新冠肺炎疫情期间，英国遭受了沉重的打击。曾几次进行全国或局部封锁。我希望全世界能够通过大规模疫苗接种战胜这一流行病。受此影响，我们不得不将教学改为线上授课和讨论。我们需要快速学习并使用在线教学工具，开发新的线上授课教材以及制定学生考核标准。此外，我们需要更加努力地工作，以适应这些变化。在科学研究和学术交流方面，由于政府要求保持社交安全距离，因此实验室的人数也相应减少了很多。我们不断学习新的措施，掌握新的规则和要求，比如越来越多地采用线上会议的形式。参加和组织线上会议似乎要更容易一些，因为它不需要出差，这样就节省了很多时间，同时也减少环境污染。我认为，未来部分或者全部采用线上交流将会成为召开国际会议的一种常态化方式。

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Light记者：您不仅是著名的科学家，优秀的导师，勤奋的团队带头人，我知道您还擅长许多乐器演奏，也会定期和学生举行烧烤等活动，对于如何平衡工作和生活，你有什么建议给年轻科学家吗?

李琳：毕竟我们是人，不是机器。我们在工作之外还有感情和生活。于我而言，我比较喜欢竹笛和二胡。在中学和高中时我就是学校乐队的成员。1985至1988年我在伦敦攻读博士学位时，参加了华人乐团，定期演出。现在，我在曼彻斯特东方丝竹民乐队，经常演出。我给年轻人的建议是好好享受生活给予的一切，工作的成功并不总是与投入的时间成正比。平衡好工作和生活会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）在英国曼彻斯特东方丝竹民乐队演出

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Light记者：您的女儿非常优秀，目前在帝国理工大学学习医学专业？作为女儿大学校友，您在她择校时给出建议了么？您是如何在女儿的学习和生活中给予帮助呢？

李琳：对于女儿学校和专业的选择，我们尊重她个人的意愿。她在英国出生、成长并接受教育。从小学校和家长都灌输给她独立思考和自主决定的理念。相比其他的学科只需要3~4年的学习时间，学医则需要花费6年，而且费用更高（她不得不从英国政府处借更多的钱，工作后偿还）。即便如此，她依然希望通过学医来拯救人的生命和帮助他人。幸运的是，她在A-level（高考）考试中表现的很好，所有科目都是A+。我们很高兴她梦想成真。她现在就读于我曾经毕业的帝国理工大学，虽忙于学业但是很开心。生活中我们也尊重她的个人选择，并且对于她的决定给予精神支持。由于政府贷款只能涵盖学费和住宿费，所以我们作为家长也给予必要的生活费支持。现在她每天都会跟她妈妈电话沟通。

李琳教授女儿的童年时期照片

Light特邀记者

王卉，现任中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（长春光机所）国际合作处副处长，主要从事国际交流，国际传播，国际人才引进等工作；曾任长春光机所与自然出版集团合作期刊Light: Science & Applications创刊英文编辑，在《编辑学报》，《国际人才交流》等期刊发表文章多篇，并应SPIE邀请在SPIE Women in Optics发表文章。

顾衡，江苏大学机械工程学院资格教授。2018年毕业于英国曼彻斯特大学，师从英国皇家工程院院士李琳教授，2018年至2020年在英国卡迪夫大学担任欧盟区域发展基金ASTUTE项目组博士后职位，与威尔士当地企业（包括空客、大陆集团等）开展了一系列项目合作。主要从事激光金属沉积、激光焊接、多材料增材制造等激光材料加工领域的研究，在International Journal of Heat and Mass Transfer、Additive Manufacturing、Optics and Laser Technology等国际刊物发表论文10余篇，并担任多个国际期刊审稿人。

编辑 | 赵阳

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