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                    作者:甘曉 來源: 中國科學報 發布時間:2019/7/23 9:38:29
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                    “化”育萬物

                    化學所科研人員布置了一棟樓那么大的元素周期表。中科院化學研究所供圖


                    2018年8月15日,分子科學卓越中心召開理事會。


                    二維碳石墨炔的結構模型


                    研究人員在實驗室工作。


                    李永舫院士為本科生授課。

                     

                    ■本報記者 甘曉

                    2019年5月中旬,中國科學院化學研究所(以下簡稱化學所)園區里一棟實驗樓一不小心成了“網紅”。為舉辦“國際化學元素周期表年”的公眾開放日,科研人員布置了一棟樓那么大的元素周期表。

                    不久前,在這棟樓的一間實驗室里,該所研究員、中科院院士李玉良帶領的團隊通過一種簡便、可擴展的合成工藝制成一種零價鉬原子錨定在石墨炔上的原子催化劑,研究成果發表在《美國化學會志》上。“這是一種真正的零價原子催化劑,是第一種高效、高選擇性地產生氨和氫的雙功能原子催化劑。”李玉良向《中國科學報》介紹了這項最新成果。

                    對于中科院分子科學科教融合卓越創新中心(以下簡稱分子科學卓越中心)的科研人員而言,在分子科學概念下,化學逐漸成為一門中心學科,形成“化”育萬物的繁榮景象。

                    “世界新科技革命發展的勢頭迅猛,作為重要基礎科學的分子科學,正在孕育新的重大突破。”分子科學卓越中心主任、化學所所長張德清表示。

                    從化學到分子科學

                    化學,是一門古老的學科。歷經數百年,化學學科建立了完備又嚴密的研究體系,發展出無機、有機、物化、分析、高分子等多個二級學科。面向未來發展,這種“分片式”化學學科恐怕難以碰撞出更多的思想火花。

                    同時,化學作為創造物質的學科,在社會和經濟發展中作出了重大貢獻,展示了基礎科學與應用的強大結合能力。在新的時期,如何更加深入揭示化學的基礎科學屬性、解決化學的重大核心問題,通過交叉融合實現方法理論的突破與研究領域的拓展,孕育更多改變世界發展進程的知識與技術,是全世界化學家的新使命。

                    “當時我們隱隱約約有這個看法,能不能叫做‘分子科學’?”上世紀90年代末,化學所時任所長朱道本提出了設想,“好的應用固然重要,但我們仍然應當堅持化學是一門科學。”他請所里文獻情報室研究人員查詢,到底有沒有“分子科學”這個概念,世界上有沒有化學家在開展“分子科學”研究。

                    當時,處在世紀之交的中國科學家預見到,即將到來的21世紀,一定是屬于交叉學科的。朱道本更愿意用“交響樂”來形容學科交叉,指的是優秀科學家在一起緊密合作,演奏出比獨奏更美妙的樂曲。

                    探究化學鍵和分子間相互作用的本質進而創造新分子、構建新的分子功能體系——“分子科學”概念和基本任務首次在中國化學界提出。

                    化學所繼1994年成為科技部和中科院基礎性研究改革試點單位后,又在1999年的中科院知識創新工程試點中啟動“分子科學中心”建設。

                    作為我國“分子科學”研究的發源地,化學所圍繞分子科學布局的藍圖就此展開。于2003年與北京大學聯合籌建北京分子科學國家實驗室(籌),并于2017年共建北京分子科學國家研究中心。

                    2014年8月,中科院啟動實施“率先行動”計劃,為化學所的改革發展提供了創新動力。鑒于多年來在分子科學前沿取得的科技成就和展現的良好發展態勢,化學所提出建設“分子科學科教融合卓越創新中心”。

                    在當年12月召開的卓越中心咨詢論證會上,中科院相關部門邀請了12名院內外同行專家和管理專家,對卓越中心實施方案進行咨詢論證。“戰略定位清晰、主要方向組織體現了優勢和競爭力、有望實現科學卓越和教育卓越。”這是專家組對分子科學卓越中心的評價。

                    2015年1月15日,中科院院長辦公會批準該卓越中心啟動籌建。

                    正如20年前所預見的一樣,分子科學走上了科學史的舞臺。張德清指出,“作為研究分子的結構、合成、轉化與功能的科學,分子科學將為可持續發展提供新知識、新技術、新保障,為能源、生物、信息、航空航天等高技術提供物質基礎。”

                    “這真的是化學實驗室嗎?”

                    身著白大褂的實驗人員手握試管,將五顏六色的液體倒進燒杯、錐形瓶中,觀察化學反應的結果——如果抱著這樣的想象走進化學所實驗室,大概會驚呼:“這真的是化學實驗室嗎?”

                    前幾年,一位受朱道本邀請的學者來到有機固體實驗室。“他看到我們有很多搞物理的設備,對我們在學科交叉上做的努力感到非常驚訝。”朱道本為此感到自豪。

                    他強調,有機固體研究具有顯著的交叉性。團隊成員的專業包括有機化學、物理化學、高分子化學、理論物理和器件物理。“他們發揮各自的專業背景和研究特點,互相配合。”朱道本說。

                    在學科交叉的基礎上,科學家按分子合成、分子組裝、分子功能的邏輯布局了分子科學卓越中心的3個研究領域,分別研究共軛分子導向的合成與剪裁、分子的可控組裝及調控、分子功能體系的構筑與應用。

                    張德清介紹,合成與制備化學是分子科學的核心,但更加強調分子合成過程的精準化和綠色化。“合成化學家將致力于革新惰性化學鍵的活化和成鍵模式。”他說。

                    自組裝作為創造新物質和產生新功能的新手段,是21世紀分子科學將要解決的重大科學問題之一。分子科學研究則更注重探索超分子、分子聚集體及其高級結構的形成、構筑、性能以及分子間相互作用的本質。

                    對科學家而言,確認了目標,毫無疑問這是“對”的方向!

                    近年來,他們在中科院戰略性先導科技專項(B類)“功能π—體系的分子工程”(以下簡稱專項)中,開墾出分子科學的諸多處女地。

                    分子中碳原子通過sp2或sp鍵合方式相互連接或與雜原子連接形成π—離域軌道有機分子,通常被稱為“π分子”。這類分子的特殊結構使其具有豐富的物理化學性能。因此,共軛分子中惰性鍵的活化新方法,共軛分子的高效、綠色合成,共軛分子的多級次可控組裝與功能,光電功能、生物功能、力/熱功能等方向,成為科研人員聚焦的重點。

                    如今,該專項進入收官階段??茖W家已在綜合性能優異的有機半導體、柔性電子器件的構筑、兼具高發光和高遷移率的分子材料、有機電泵浦激光等方面取得多項突破。“通過專項的執行,分子科學卓越中心正在全面引領該領域的發展。”張德清介紹。

                    未來,分子科學的發展必將越來越依賴于學科交叉。例如,同步輻射光源、散裂中子源、強磁場等關鍵研究工具和變革性研究方法的出現,為中國分子科學取得新的重大突破創造了條件。

                    聚焦基礎研究原始創新

                    分子科學研究面向應用,但從事分子科學研究的出發點則是基礎科學問題?;氐交A科學問題的“初心”,這一點在分子科學卓越中心幾乎成為一項共識,也在化學所科研人員中薪火相傳。

                    在朱道本帶領的有機固體研究團隊中,研究人員長期聚焦有機功能材料的電輸運特性,成為國際上發現高遷移率有機半導體材料最多的團隊之一。迄今為止,該團隊已有30余人成為本領域的學術帶頭人,10人獲得國家自然科學基金杰出青年科學基金項目資助,4人當選為中國科學院院士。

                    2010年,李玉良帶領的團隊用六炔基苯在銅片表面的催化作用下發生偶聯反應,合成出另一種新的碳材料——石墨炔。這是世界上首次通過合成化學方法獲得的全碳材料。

                    這項研究的“初心”離不開科研人員對化學鍵斷裂與精準形成的基本科學問題的思考。

                    上世紀90年代,化學所有機固體實驗室在朱道本帶領下開展了碳材料富勒烯研究。碳具有sp3、sp2和sp三種雜化態,通過不同雜化態可以形成多種碳的同素異形體。唯獨含sp雜化的新結構碳材料還沒有被人工合成。

                    “這類碳材料電荷分布不均勻,存在化學反應的活性點,有可能成為新一代電子、光電器件及催化的關鍵材料。”李玉良表示。

                    近10年來,李玉良團隊已經實現了石墨炔可控的單層制備。如今,基于對石墨炔本身的深入了解,研究團隊重點圍繞石墨炔儲能、原子催化方面的性質開展研究。隨后幾年里,該研究吸引了來自生命科學、催化、燃料電池、太陽能電池等不同領域的科學家參與合作。作為一項基礎研究突破,石墨炔已經在跨學科、跨領域的應用中展現出強大的生命力。

                    最近,他們發現了石墨炔錨定零價原子催化劑,在《美國化學會志》以封面文章發表的研究成果挑戰了單原子催化劑領域最難攻克的科學問題——錨定零價金屬鉬原子。研究人員不僅在石墨炔表面負載了零價鉬原子(負載量高達7.5 wt.%),還實現了其表面活性組分的高度分散。該催化劑具有確定的結構、明確的反應活性位點等特點,實現了在常溫、常壓下高選擇性、高活性和高穩定性合成氨和產氫。

                    在石墨炔出爐的同一年,王健君回國加入化學所。“所里的領導和前輩都主張,分子科學研究要面向真正的科學難題,要開辟自己的特色。”

                    問問“初心”,王健君在實驗室主任宋延林的支持下,很快確定了研究領域。“水是怎么變成冰的?這個問題到現在也沒有答案。”他說。聽起來很簡單的問題,實際上蘊含著冰核如何形成、冰晶如何生長等深奧的科學問題。

                    一頭扎進這些科學問題后,王健君從滑冰運動中受到啟發,制備了一種新型的自潤滑水層防覆冰涂層材料。“滑冰時,冰刀與冰面間存在液態的水潤滑層,我們才能在冰面上自由滑行。”他解釋,“如果能在需要防冰的材料表面引入一層水,不就好了嗎。”

                    2013年,他帶領團隊利用由多巴胺修飾的透明質酸在弱堿性條件下發生交聯反應,并沉積修飾到固體材料表面得到這種材料。其分子能攜帶500倍以上的水分,是目前發現的自然界中最好的保濕性物質。這一材料的引入,極大降低了冰的粘附力。幾年來,該團隊在揭示生物控冰分子機制、仿生構建高分子控冰表面及設計構建實用高分子控冰涂層等方面取得了長足進展。

                    最近,王健君又有一系列新的研究突破,使研究人員深受鼓舞。“我從回國到第一篇文章發表,大概經歷了3年時間。分子科學卓越中心為我們創造了寬松的環境,去享受新發現、攀登真正的基礎科學高峰。”他說。

                    為改善科研氛圍和研究條件,分子科學卓越中心專門布局人才專項、建立新型人事制度。同時,試行的團隊績效評價辦法,讓骨干人才和試點團隊的薪酬穩定支持部分逐年提升。“這些措施使科研人員能夠潛心治研、安心工作,為做出原創的、里程碑式的科學成果,引領分子科學領域的發展而努力。”張德清說。

                    人工模擬光合作用水裂解催化中心的提出正是一個典型案例。研究員張純喜自1997年以來一直潛心水裂解催化中心的結構和機理研究。2015年,他成功合成得到當時與生物水裂解催化中心結構最接近的人工模擬物。研究成果發表在《科學》上。“一個新的催化中心結構很快會發表。”張純喜表示。

                    在科研人員的共同努力下,分子科學卓越中心在2017年的國際評估中獲得“A級”評價。2018年1月8日,該卓越中心通過驗收進入正式運行階段。

                    科教相長:溫故而知新

                    2018年8月15日召開的分子科學卓越中心理事會上,中科院院長、黨組書記、分子科學卓越中心理事長白春禮指出,卓越中心要進一步瞄準世界科學前沿,加強重大科學問題和目標導向的研究,創新體制機制,集中優勢力量,取得更多重大成果,實現科學卓越。同時,他要求,分子科學卓越中心應繼續做好科教融合,承辦好國科大化學學院。

                    2014年,中國科學院大學(以下簡稱國科大)迎來第一屆本科生。當年6月,在籌建分子科學卓越中心的同時,化學所承擔了新學期國科大化學與化工學院本科教育工作,目標是培養“科技精英中的精英”。無機化學、分析化學、物理化學、高分子科學與材料等7個教研室建立起來,組織集體備課、分配教學任務,確定對學生的考核內容……科學家們忙活起來了。

                    “我做了一輩子科研,給本科生上課還是頭一次。”中科院院士、化學所研究員李永舫告訴《中國科學報》。

                    當時,經過一年準備,李永舫和時任化學所副所長楊國強、研究員宋衛國一起,共同教授本科一年級下學期的“化學原理”課。

                    長期在科研一線工作的科學家上基礎課,自然會給學生帶來新鮮的“料”。宋衛國說:“講了5年課,我每年的教案、PPT都會大改。”其中,增加科研進展是他在備課中格外重視的。例如,在“晶體結構”的課堂上,宋衛國會以近年來鈣鈦礦太陽能電池的新發現為例,幫助學生理解陰離子與陽離子如何結合。

                    科研促進教學的效果顯而易見。2016年9月和2017年10月,中科院前沿科學與教育局組織教育領域專家對國科大科教融合學院進行評估,國科大化學學院連續兩年均獲得“A”的優異成績。在教育部第四輪學科評估中,國科大化學學科獲得了“A+”。

                    反過來,教學促進科研,更能體現“科教融合”的深意。對李永舫和宋衛國而言,“教學相長”并不是一句空話。

                    李永舫看到,科研人員埋頭研究工作時,往往只關注一個極小的領域。“給本科生上基礎課,需要對整個學科的基礎知識進行完整而系統的整理,對科研會有新的啟發。”他表示。

                    例如,同樣在準備“晶體結構”一章課程時,從事有機和鈣鈦礦太陽能電池研究的李永舫受到“離子半徑決定了化合物穩定性”這一規律啟發——“要提高鈣鈦礦光伏材料的穩定性,是不是可以通過從結構上調整組分的離子半徑實現?”他想。

                    宋衛國也深有體會。最近,從事催化相關研究的他對設計催化劑的策略有了新想法。他帶領團隊在設計之初就從電子結構入手,有針對性地挑選磁性材料,以實現回收的目的。

                    這也是宋衛國在本科生課堂上經過“溫故”而“知”的“新”——電子結構中的不成對電子是材料磁性的原因。“上課就是給自己補課,跳出科研、回到基礎知識中,對繼續前進有很大幫助。”他說。

                    從化學到分子科學,從基礎到應用再回到基礎,從科研到教學,從化學所到分子科學卓越中心……多年來,無論名稱、機構、定位如何變化,中國化學家不懈攀登、科教報國的決心始終不變。

                    “化”育萬物,“育”出的不僅是創造美好生活的新物質,更是一流的人才、一流的思想、一流的成果,這些都為我國由“化學大國”邁向“化學強國”作出了貢獻。

                    《中國科學報》 (2019-07-23 第4版 紀實)
                     
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