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实验室

“乘风破浪”的“造物者”——走进北京分子科学国家研究中心

来源:分析化学 阅读数:120 时间:2020-07-29 09:22:34


低维碳材料与纳米科技研究部的中科院分子纳米结构与纳米技术重点实验室是国内最早从事纳米科学研究的实验室之一。


科研人员创造出碳材料家族的新成员,不断开创石墨炔领域标杆性的成果。


研究人员正在开发基于有机激光阵列的新一代平板显示,将基础研究成果逐步应用到新产业的孵育上。


研究人员利用先进仪器开展实验


朱道本院士(中)指导研究人员开展工作


研究人员在实验中


韩布兴院士(左二)与科研人员在一起

 

设计新分子、创造新物质,当分子科学涌进化学学科的潮流中,化学家成为名副其实的“造物者”。


2020年6月下旬的一天午后,中国科学院化学研究所(以下简称化学所)研究员、中国科学院院士韩布兴拐进化学所通向成府路的一条小巷。他一边走,一边思考着和合作者、北京大学化学与分子工程学院(以下简称北大化学学院)教授马丁正在进行的有关生物质的绿色化学研究。


两个课题组紧密合作的10多年里,韩布兴无数次穿过这条小巷,像走亲戚一样来到北京大学中关新园“串门”。


他们所在的“大家庭”,便是北京分子科学国家研究中心。在这一“国字头”平台的支持下,化学家们齐心协力,在分子科学的世界里“乘风破浪”。


一条小巷连起的“大家庭”

和韩布兴一样,许多科研人员对这条小巷再熟悉不过——化学所在这头,北大化学学院在那头,集结成一支中国乃至全世界最“硬核”的分子科学研究队伍。两家单位于2003年联合筹建北京分子科学国家实验室(筹),2017年组建北京分子科学国家研究中心(以下简称分子科学中心),也是目前唯一一家由中科院与高校共建的国家研究中心。中心主任由北大化学学院教授席振峰和化学所所长张德清共同担任。


事实上,两家的“亲戚”关系渊源不浅。上世纪50年代,中科院决定在北京筹建综合性化学研究机构。1956年,在北京大学化学系任职的唐有祺先生受邀到化学所兼职,筹组结构化学方向。当时,唐有祺先生已在中科院应用物理所(物理所前身)兼职,筹组单晶结构分析工作。利用在三家单位兼职的有利条件,唐有祺牵头建成了新中国首个X射线结构测定实验室。


唐有祺的加入,不仅将分子科学前沿的种子深深埋进中国的科研土壤中,也成为两家单位亲密合作的起点。2020年7月11日,唐有祺迎来100岁生日。半个多世纪以来,唐有祺一直担任着化学所的兼职教授,招收博士生。


1991年,化学所分子动态与稳态结构国家重点实验室获批成立,由唐有祺担任实验室主任。他在学术上发挥开拓和引路作用,促进了双方之间的合作。正是在这样的倡导下,来自两家单位的科研人员越走越近,真正凝聚成分子科学研究的“大家庭”。


“学生论文评阅、答辩,双聘导师,人才互相流动……更不用说日常举办的学术会议了。”化学所科技处处长郑企雨对此感受颇深。


上世纪90年代末,作为创造新分子、新物质的学科,化学在社会和经济发展中作出的贡献有目共睹。“好的应用固然重要,但我们仍然应当强调化学是一门科学。”当时,化学所时任所长朱道本基于这样的认识,借鉴世界发达国家科学家的思想,提出“分子科学”概念,旨在通过交叉融合实现方法理论的突破,开拓化学研究的新疆域,破解化学学科面临的“分片式”发展困境。


一种心照不宣的默契也在巷子那头产生——1994年,唐有祺等学者提出“分子工程学”概念,原北大化学系更名为北大化学与分子工程学院。


无论是分子科学还是分子工程,实际上都在强调,未来的化学不仅要研究单个化合物,还要以功能为导向,在分子水平上进行设计,创造出新物质。这也成为两家单位科研人员对化学学科未来的共识。


悠久的合作历史及学术上的高度认同,使两家单位的科研人员结下了深厚友谊,为分子科学中心提供了内在凝聚力。近几年,他们开始尝试进一步深度合作。2018年,两家单位的公共测试平台互相开放,互相提供服务。“希望尝试建立一些新机制、新制度,促进学术交流和合作。”席振峰强调。


“中国牌”碳材料结硕果

多年来,双方强强联合,在多个领域取得优异成绩。其中,石墨炔系列新材料由中国学者率先合成、自主研发,是地地道道的“中国牌”碳材料。


上世纪90年代,化学所有机固体实验室在中科院院士朱道本带领下开展碳材料富勒烯研究。碳元素在sp3、sp2和sp三种杂化态下形成的不同同素异形体中,唯独sp杂化的碳材料仍然停留在理论上,真实世界中并不存在。因其特殊的电荷分布特点,这类碳材料有可能成为新一代电子、光电器件及催化的关键材料。


2010年,英国科学家因通过物理方法获得单层石墨烯获得诺贝尔物理学奖。同一年,化学所研究员李玉良带领课题组创造性地采用化学合成的方法,利用六炔基苯在铜片表面的催化作用下发生偶联反应,成功地在铜片表面合成出石墨炔薄膜。这是世界上首次通过化学方法获得的全碳材料,开辟了人工化学合成碳同素异形体的先河。


随后,北大化学学院教授张锦课题组在此基础上发展出石墨炔纳米墙阵列以及其他不同聚集态的石墨炔。北大化学学院教授甘良兵则带领课题组围绕富勒烯的化学转化开展深入细致的研究。长达10年的时间里,分子科学中心的科研人员不仅创造出碳材料家族的新成员,还齐心协力不断开创石墨炔领域标杆性的成果,引领这一领域的科学前沿。


据李玉良介绍,近期,研究团队首次提出了一种制备原子催化剂的新策略,并成功制得了锚定于石墨炔表面相互独立的零价镍/铁原子催化剂。通过电化学还原,这种原子催化剂能将氮气或水高选择性、高效率地转化为氨或氢气,这为解决不断加剧的能源和环境问题带来了巨大的希望。


李玉良和他的“小伙伴”相信,作为具有中国自主知识产权的新材料,石墨炔将在新型碳材料的基础研究及未来应用上开辟新世界。


从0到1,初心不变

分子科学中心研究人员一直坚持原始创新的初心,已经形成良好的学风,代代传承。


分子科学中心高分子材料与科学研究部研究员赵宁所在的课题组是化学所最早建立的一批课题组之一,第一任课题组长是我国高分子物理学家施良和。“我2003年到所里,那时施先生帮助我们逐字逐句地改文章,指出文章中的问题。但从不署名。”赵宁从前辈身上学习到,唯有一步一个脚印踏实前行,才是做学问的真谛。


“在我所从事的高分子材料领域,要做好从0到1的原始创新,必须首先从理论创新入手,才能高屋建瓴地设计出具有新功能的分子。”赵宁告诉《中国科学报》。


最近,赵宁在高分子材料方面的系列研究受到业界关注,最大拉伸倍数超过13000倍的高分子材料、多功能形状记忆聚合物等具有新奇性质的材料陆续出炉。


“这些工作都是基于我们经过多年积累提出的‘动态共价键’理论,即高分子材料的一些基团之间总是处在断键和形成的动态过程中。”赵宁说,“当时,北大化学学院余志祥老师提供了计算方面的支持,让我们认识到,这个过程的机理是化学键断裂和形成过程会耗散能量,导致其拉伸倍数提高。”


踏踏实实的学风也表现在科研人员甘坐“冷板凳”的坚持上。2019年底,化学所研究员王健君在《自然》上发表研究成果。他们用表面相对稳定的氧化石墨烯制备了一系列纳米材料,证实吉布斯相变“经典成核理论”中临界冰核的存在。


很多人惊讶:“化学所为什么突然有个做冰的研究员?”


事实上,有关冰的研究,王健君从2010年回国到化学所工作时就已启动。“回国之初,按化学所要求,每位研究员需要锁定别人没有做过的新方向去开展工作。当时,我考虑到2008年发生的冻雨灾害给国家带来很大损失,同时防冰材料在航空航天、低温生物学等领域有巨大的应用潜力。”


围绕应用层面的种种现实问题,王健君层层剥茧、步步为营,不断挖掘、提炼深层次核心科学问题,直到3年后才发表了第一篇论文。“这里有踏实做基础研究的风气和对待失败的宽松环境,让我去享受新发现、攀登真正的基础科学高峰。”王健君总结。


韩布兴的科研生涯则从化学热力学理论创新开始。上世纪90年代,韩布兴敏锐地意识到,化学热力学与绿色化学的交叉研究将是科学前沿。他开始带领课题组拓宽化学热力学的研究范畴,解决绿色化学领域的关键难题。


目前,韩布兴担任分子科学中心能源与绿色化学研究部负责人。如何将化学反应中的原料“吃干榨净”?他在这个问题上“死磕”多年后,最近又瞄准绿色化学与材料科学的交叉领域,尝试用二氧化碳、生物质作为原料合成可降解并具有特殊性的聚合物材料。“这些新材料的使用可以减少人们对化石资源的依赖,促进整个化学化工生产链的绿色化。”韩布兴告诉《中国科学报》。


分子动态学与激发态化学研究部、中科院院士姚建年团队长期致力于新型光功能材料的基础研究与实际运用,在有机低维材料、纳米光子学、有机微纳激光等光化学前沿方向上取得了开创性成果。


他带领团队首次将量子尺寸效应从无机半导体拓展到了有机纳晶体系,开创了有机低维光功能材料科学的研究先河,最早制备出基于单个有机单晶纳米材料的光波导与微型激光器,成为国际上有机光电材料与纳米光子学领域的先驱性工作。


面向未来,团队正在发展基于有机激光阵列的新一代平板显示技术,将基础研究成果逐步应用到新产业的孵育上,为国家发展新型显示核心关键技术作出贡献。


低维碳材料与纳米科技研究部的中科院分子纳米结构与纳米技术重点实验室是国内最早从事纳米科学研究的实验室之一。在深入分析纳米科学发展趋势的基础上,实验室成立之初就对未来发展做出了长期布局,即面向科学前沿和国家需求,以功能分子纳米结构的物理化学研究为核心,以功能纳米材料在生物医学、能源环境等方面的应用为导向,努力促进原创性科研成果向现实生产力转化。


该实验室成立20年来,在疾病诊疗的分子机制和能源环境中的表界面问题研究方面取得一批具有国际影响的原创性研究成果,引领了相关研究的国际发展,部分工作已经实现产业化。


从探究分子结构到合成分子、组装分子,再到面向国家重大需求的分子体系的应用,分子科学中心科研人员在宽松的环境下心无旁骛、专心科研,已成长为一支特色鲜明、国际一流的分子科学研究队伍。


身负“国家”盛名,分子科学中心的未来备受期待。“我们将更多地围绕国家对基础科学的需求,打造世界顶尖的分子科学研究机构,吸引全球顶尖人才到这里来开展研究。”张德清表示。


科学午餐会,真香!

因为新冠肺炎疫情的缘故,中科院化学研究所(以下简称化学所)咖啡厅冷清了很长一段时间。2019年下半年,北京分子科学国家研究中心(以下简称分子科学中心)每两周一次的科学午餐会在这里举行。化学所研究员于萍是午餐会的“熟客”。


刚启动时,每次午餐会安排1位科研人员主讲,2位科研人员做墙报(poster)分享。后来,大家觉得不过瘾,改成2位科研人员主讲。


第一次参加午餐会,于萍就带着课题组正在开展的离子传输调控相关研究和同事们分享。“鉴于脑内的生物电信号都是通过离子传输,我们最近也在关注离子型器件,希望基于这一新原理发展一些新的分析方法。”于萍告诉《中国科学报》。她的分享引发同事们热烈讨论,也反过来启发了她形成新的科研思路。


“一边吃着盒饭一边聊,感觉很有滋味、很有收获。”于萍说。


更早一些时候,分子科学中心的“科学午餐会”还带有一点“辣味”。2001年起,来自北大化学学院和化学所两家单位的青年科研人员为了促进科研交流,开始定期举办学术沙龙。


分子科学中心副主任范青华记得,科研人员经常彼此“放狠话”。“报告人讲完后,下面就会有人评价‘你这个工作,我看就不用做了!’”他回忆,“听众经常质疑报告人工作创新性,场面很火爆。”许多科研人员都在这样的互相批评和质疑中成长起来。


分子科学中心主任、北大化学学院教授席振峰用“抱团取暖”来形容沙龙的初衷。“当时,找文献都不容易。”他说,“很多青年科研人员刚踏上科研道路不久,非常需要思想上的碰撞,互相促进。”


当然,科研人员都默契地相信,这些辛辣的“狠话”纯粹是因为对学问的认真态度,也是对科学的怀疑精神最有效的践行方式。


多年的事实证明,学术沙龙和午餐会正像左右手互搏的擂台,分子科学中心的科研水平在这样激烈的“搏击”中不断提高。


科学午餐会,真香!


北京分子科学国家研究中心简介

北京分子科学国家研究中心(以下简称分子科学中心)是科技部2017年11月批准组建的6个国家研究中心之一,在北京分子科学国家实验室筹建十余年的基础上组建,依托于北京大学和中科院化学研究所。


该中心定位于面向分子科学前沿,瞄准分子科学领域重大科学问题,开展基础性、前瞻性、多学科交叉融合的创新研究,汇聚国内外分子科学研究顶尖人才,建设高水平的国际化的分子科学前沿交叉研究平台。


多年来,分子科学中心紧密围绕分子体系的精准合成与制备、分子的可控组装、分子功能体系的构筑与应用等三大领域方向,设立9个相应的研究部。包括分子动态学与激发态化学研究部、合成与组装化学研究部、无机与稀土化学研究部、高分子科学与材料研究部、低维碳材料与纳米科技研究部、化学生物学研究部、有机固体研究部、分析与环境科学研究部及能源与绿色化学研究部。


北京大学化学与分子工程学院和中科院化学研究所强强联合、优势互补,是分子科学中心的鲜明特色。

来源:中国科学报