完成我的博士后研究回国已有一段时间了, 但在美国的工作和生活仍历历如在眼前。不时回想起在美生活与工作的点点滴滴, 心中不免百感交集, 感慨万千。
自从我2008年在兰州大学完成我的博士论文以来, 在材料化学领域从事相关的博士后研究是我的一个愿望。后来我将此想法与周安宁院长详谈之后, 周院长非常高兴我们年轻人在学术上有更高追求, 也非常鼓励我去美国高水平的大学与研究组开展相关的博士后研究工作。在得到了学校以及学院的支持后, 基于我博士期间以及近期所取得的研究积累, 2010年5月间, 我非常幸运地得到了美国匹兹堡大学(University of Pittsburgh)的Di Gao教授的邀请前往化学与石油工程系开展相应的博士后研究工作, 并愿意为我提供在美的所有生活资助。
匹兹堡大学是一所始建于1787年历史悠久的综合性公立大学, 在全美公立大学中排名前20。其医学院、生物技术、哲学、信息科学和国际研究在美国大学中名列前茅, 特别是匹兹堡大学医学中心以神经外科和器官移植而闻名全球, 是美国最好的研究型大学之一。匹兹堡大学作为美国最古老的高等院校之一, 已具有两百多年的历史, 已培养出4位诺贝尔奖得主。而Gao教授的研究组在化学材料方面也很有实力, 已在国际顶级学术刊物J. Am. Chem. Soc., Angew., Chem.上发表了非常多的论文, 能够得到他的邀请, 并在他的研究组里开展博士后研究工作, 我非常地珍惜这个宝贵的机会。
经过了一段时间的准备, 我于2010年9月初从上海浦东机场出发, 在经过十四个小时的飞行之后到达了底特律机场, 随后入关和转机, 我又踏上了前往匹兹堡的航班。经过了一个小时的飞行, 我终于到达了匹兹堡国际机场。走出机场之后的最大的感受就是这里的空气真好！一眼望去全是蓝天白云（图1）。由于之前在导师的关照之下, 我已和组里的另外一个中国学生取得了联系, 他目前正在Gao教授研究组攻读博士学位。他在我到达之前以为我联系好了房间并且驾车来机场接待和帮助我。从机场去住地的路上, 他为我介绍了中国人在美国生活的特点以及与国内的不同之处。
图1 匹兹堡机场的蓝天白云。
在经过了一天的休整之后, 我在第二天下午去了化学与石油工程系和Gao教授见了面, Gao教授首先给我介绍了组里开展的研究方向, 以及每位学生或者其他博士后所进行的课题。并和我对将要开展的研究课题进行了深入地探讨。随后,Gao教授带领我参观了实验室以及工程学院位于地下室的一些大型制备仪器和表征仪器。如用来加工微米及纳米级尺度设备的最好方法之一, 半导体平版印刷(lithography), 也被称为光刻机, 光刻在各种材料的微加工上都有应用, 其中在硅片上的应用已经相当成熟, 而光刻机这种设备由于其造价比较高昂, 以前我仅仅是从文献中有所了解。Gao教授告诉我如果需要使用这里的仪器, 不用担心收费问题, 尽管去用好了, 如果科研中还有需要的仪器而匹兹堡大学也不具有的话可以想办法联系其他研究机构, 总之, 在开展研究工作的过程中不要畏手畏脚, 尽可大胆尝试。看到这么优越的科研条件, 我感到非常地激动和欣慰。
我于到达匹兹堡的第一个星期一开始了我的研究工作, 这是一项基础应用性的研究工作。由于在潮湿寒冷的条件下, 冻雨、湿雪、霜冻等原因都会导致固体表面的覆冰, 造成的危害如输电线路覆冰, 是影响电力系统安全的主要问题之一。输电线路的严重覆冰,通常可导致线路停电、断线、倒塔、导线舞动、绝缘子闪络等事故, 从而产生巨大的经济损失, 如我国2008年初的严重雪灾冰灾（图2）。因此, 开展防冰与除冰技术研究具有重要的学术意义与应用价值。而超疏水材料由于其良好的疏水、自洁、减磨以及低粘附等性能, 被认为在防冰材料研究领域具有非常广阔的应用前景。在来美之前, 我主要从事的是极端润湿材料尤其是超疏水材料的制备工作, 这项工作主要是模仿荷叶表面的微观结构和表面化学物质, 以赋予材料表面超疏水性能的目的, 是一种仿生技术和手段。而防冰材料制备这项工作与疏水材料的制备思路截然相反, 因为超疏水现像是自然界中已经广泛存在的, 我们所要做的是模仿疏水植物的表面结构, 属于仿生。虽然结冰也是自然界中存在的广泛现象, 但是我现在要做的是使材料表面在冻雨、湿雪、霜冻的环境下不再覆冰, 这实际上是要抵制和违背结冰这一大自然规律, 所以该项工作十分具有挑战性, 而且具有非常高的难度。基于以上研究背景, 在接下来的几周时间里, 我通过查阅大量的相关研究文献, 提出了首先从水汽在超疏水表面的凝结机理研究出发, 再接着研究超疏水表面微观结构与冰相间结合力关系这一研究方案, 从而进一步开发低粘附防冰材料。Gao教授对我这一观点非常肯定, 随后和我确定了进一步实验方案和具体研究方法, 于是我便开始了在实验室的紧张工作。
图2 冻雨、冰灾及其危害。
随着每天在实验室的刻苦工作, 我的实验也有了阶段性的成果, 经过了4个月的艰苦实验, 我制备出了一种可以涂覆的超疏水材料（图3）, 这种材料在具有优异疏水性能的同时, 其特点是耐磨性能非常优异, 在经过剧烈的表面磨损之后, 不仅没有丧失表面的超疏水性能, 而且由于表面粗糙度的增加, 使得该表面对于水滴的接触角会出现一定程度的升高。因为目前超疏水材料都存在机械性能差、表面容易遭受磨损失效等问题, 因此, 我的这项成果是比较有意义的, 同时也为进一步的研究水汽在超疏水表面的凝结行为基机理研究打下了良好的基础。Gao教授对这一成果也很满意, 希望我能够将此成果总结整理, 随后的一段时间里, 我围绕该项研究成果撰写了一篇相关的学术论文。
图3 具有优异耐磨性能的超疏水材料
随着时间的慢慢推移, 我逐渐地适应在匹兹堡的生活, 并对这里有了深入的了解。和国内的生活相比, 这里完全是一个不同的世界, 包括语言、文化、交通、饮食等等。匹兹堡位于美国宾夕法尼亚州西南部, 市区面积约144平方公里, 都会区约13800多平方公里, 市区人口约33万, 都会区约240多万, 匹兹堡是宾州第二大城市,Allegheny河与Monongahela河汇合成Ohio河的河口, 全市共有446座桥梁（图3）, 风景秀丽, 气候宜人, 2009年经济学人周刊（The Economist）把匹兹堡评为美国最适宜居住的城市之一, 2010年美国Forbes杂志将匹兹堡评为美国最适宜居住的都市之一。匹兹堡曾是美国著名的钢铁工业城市, 有"世界钢都"之称。但1980年代后, 随中国钢铁产量上升, 匹兹堡的钢铁业务已经淡出, 转型为以医疗、教育、休闲、人文艺术为主的城市；经济上现已成为以生物技术、计算机技术、机器人制造、医疗健康、金融而闻名的繁荣的工商业城市, 成为美国城市经济成功转型的典范。市内最大企业为匹兹堡大学医学中心（UPMC）, 并为全美第六大银行匹兹堡国家银行所在地。同时匹兹堡还是美国钢铁公司、PPG工业公司、亨氏公司、PNC金融服务集团等8家美国500强企业的全球总部, 美国500强总部数量全美排名第8, 德国拜耳公司的美国总部也设于此。匹兹堡还是著名的体育之城。2009年2月, 匹兹堡钢人队获得了美式橄榄球“超级杯”（Super Bowl）总冠军, 是美国历史上第一支6夺超级杯的球队；2009年6月, 匹兹堡企鹅队夺得北美冰球联盟Stanley Cup冠军, 在市区随处可见出售匹兹堡钢人队相关体育用品和纪念品的商店以及穿着钢人队主场球衣的行人, 可见当地居民对球队的喜爱程度。
图4 匹兹堡的三河汇集地。
匹兹堡还是一个高等教育实力雄厚的城市, 匹兹堡的东南角就是我工作的地方——匹兹堡大学, 仅一墙之隔的、以计算机科学闻名世界的卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）也位于此, 大学城区的建筑富有特色。匹兹堡大学有着高达163米的哥特式建筑风格的“学习堂”教学大楼（Cathedral of Learning）, 据说是西半球最高的教学楼(图5)。
图5 匹兹堡大学的“学习堂（Cathedral of Learning）”教学大楼。
随着在匹兹堡大学工作逐渐开展和深入, 我逐渐了解到美国是盛产博士后的科技大国。很多中国留学生在美国拿到博士学位后接着做博士后, 也有些是从其他国家到美国做博士后。目前, 对于理科博士来说, 要成为美国研究型大学的助理教授或者被国内一流大学引进为教授、副教授, 一般需要有博士后工作经历。美国博士后制度已有一百多年的历史, 自上世纪70年代起, 美国博士后的发展发生了一些新的变化, 博士后的人数显著增加, 而博士后从事研究工作的时间也明显变长, 至今博士后制度已形成了相对独立和完善的人才培养和使用机制。正是有了博士后这一优秀的体制, 为美国各个科技领域上的领先优势打下了坚实的基础。
美国的生活方式和国内迥然相异。这里不像国内到处都是商店小卖部, 可以很方便地买到你所需要的东西。而在美国必须要走好几个街区才能找到一个超市, 如果想要买到符合我们中国人口味的食品和调味品就必须得去中国超市。在收入方面, 由于我所处工程学院, 这里博后的工资普遍要比理科，尤其是化学系的工资略高一点, 由于我在美的身份是博士后研究助理, 前两年是免税的, 在当地属于中等收入。对于在美的中国人来说, 房租算是最大的支出, 而其他各种生活日用品和蔬菜肉制品相对收入来说是很便宜的。尤其在宾州购买衣服鞋帽等更为划算, 因为该州对于衣服鞋帽是免税的。
匹兹堡的地理位置十分便利, 开车往东与费城距离5小时, 与纽约距离7小时, 往东南至首都华盛顿特区约4小时, 往西到克利夫兰1小时, 往北到伊利湖2小时, 往东北到尼亚加拉大瀑布5小时, 可以说是美国东海岸连接中西部的重要地点。凭借匹兹堡独特的、优越的地理位置, 我利用周末的时间, 前去游览了纽约, 参观了著名的帝国大厦、自由女神像、时报广场等旅游胜地, 还多次前往了华盛顿特区, 参观了国会山、林肯纪念堂、华盛顿纪念碑、美国国家航空航天博物馆等, 以及一年一度的樱花节。此外, 由于我当年在兰州求学时的很多学兄学弟们现在也在美国的不同城市从事博士后研究工作或者攻读博士学位, 因此每逢比较长的节假日, 他们也会邀请我去他们那里聚会和游玩, 而这些为我在美国的生活增添了不少乐趣。如去年圣诞节期间, 一位在印第安纳大学的师妹不仅带我游览了他们校园, 还开车带我去芝加哥游览了密西根湖以及克利夫兰城郊的伊利湖, 静谧而又充满力量的湖水给我留下了深刻的印象。
随着我在超疏水材料表面水汽凝结行为及其机理的相关性能研究方面的持续努力, 我发现了超疏水材料微观结构（如表面组成纳米线的长度以及直径）对低温时水汽在其表面凝结的影响关系, 对此结果我感到非常的兴奋, 但是Gao教授认为如果能够再对此关系进行模型构建以及更深入的理论分析的话, 就会使得该成果变得更加完善和深入, 因此我们和加州大学河滨分校专门从事热力学计算的一位教授取得联系, 希望通过合作的方式在模型构建和理论分析方面能取得突破。
为了让我能更好的工作, 同时也是对我之前刻苦工作的一种肯定, Gao教授特意给了我一个星期的假期。我利用这个假期做了一次长途的旅行, 游览了佛罗里达州的多个城市、如迈阿密, 奥兰多以及美国本土的最南端key west岛。在经过一周的放松之后, 我继续开展了我的研究工作, 有了前期工作的基础, 我很快发现通过控制材料表面的的孔径可以改变冰相与材料表面的结合力, 而调节其孔径使其位于一定的范围内可以极大地降低冰相与材料表面的结合力。在完成了这一阶段性的研究之后, 该项目的研究终于划上了圆满的句号, Gao教授和课题组成员均十分高兴, 纷纷向我祝贺。Gao教授希望我能改换签证类别, 长期留在他的课题组, 继续开展防冰材料的进一步开发与实际应用研究。但我考虑到我的工作基础都在西安科技大学, 尤其是化学化工学院为我们青年教师提供了很好的平台, 同时这些年里我已和周围的老师以及学校有了深厚的感情, 因此我谢绝了Gao教授的挽留, 在完成研究之后回到我校, 继续为我校的发展贡献我自己的力量, 并会将在国外所学的先进的科学知识、研究方法和管理理念运用到学校的科研和教学中, 为推动西安科技大学材料化学学科向国际前沿领域靠近, 为西安科技大学跻身于国际一流大学贡献自己应有的力量！
