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“化”育萬(wàn)物
化學(xué)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(xué)研究所供圖
2018年8月15日，分子科學(xué)卓越中心召開(kāi)理事會(huì)
二維碳石墨炔的結(jié)構(gòu)模型
研究人員在實(shí)驗(yàn)室工作
李永舫院士為本科生授課
■本報(bào)記者 甘曉
2019年5月中旬，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱化學(xué)所）園區(qū)里一棟實(shí)驗(yàn)樓一不小心成了“網(wǎng)紅”。為舉辦“國(guó)際化學(xué)元素周期表年”的公眾開(kāi)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(shí)驗(yàn)室里，該所研究員、中科院院士李玉良帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)通過(guò)一種簡(jiǎn)便、可擴(kuò)展的合成工藝制成一種零價(jià)鉬原子錨定在石墨炔上的原子催化劑，研究成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上。“這是一種真正的零價(jià)原子催化劑，是第一種高效、高選擇性地產(chǎn)生氨和氫的雙功能原子催化劑。”李玉良向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹了這項(xiàng)最新成果。
對(duì)于中科院分子科學(xué)科教融合卓越創(chuàng)新中心（以下簡(jiǎn)稱分子科學(xué)卓越中心）的科研人員而言，在分子科學(xué)概念下，化學(xué)逐漸成為一門(mén)中心學(xué)科，形成“化”育萬(wàn)物的繁榮景象。
“世界新科技革命發(fā)展的勢(shì)頭迅猛，作為重要基礎(chǔ)科學(xué)的分子科學(xué)，正在孕育新的重大突破。”分子科學(xué)卓越中心主任、化學(xué)所所長(zhǎng)張德清表示。
從化學(xué)到分子科學(xué)
化學(xué)，是一門(mén)古老的學(xué)科。歷經(jīng)數(shù)百年，化學(xué)學(xué)科建立了完備又嚴(yán)密的研究體系，發(fā)展出無(wú)機(jī)、有機(jī)、物化、分析、高分子等多個(gè)二級(jí)學(xué)科。面向未來(lái)發(fā)展，這種“分片式”化學(xué)學(xué)科恐怕難以碰撞出更多的思想火花。
同時(shí)，化學(xué)作為創(chuàng)造物質(zhì)的學(xué)科，在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中作出了重大貢獻(xiàn)，展示了基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用的強(qiáng)大結(jié)合能力。在新的時(shí)期，如何更加深入揭示化學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)屬性、解決化學(xué)的重大核心問(wèn)題，通過(guò)交叉融合實(shí)現(xiàn)方法理論的突破與研究領(lǐng)域的拓展，孕育更多改變世界發(fā)展進(jìn)程的知識(shí)與技術(shù)，是全世界化學(xué)家的新使命。
“當(dāng)時(shí)我們隱隱約約有這個(gè)看法，能不能叫做‘分子科學(xué)’？”上世紀(jì)90年代末，化學(xué)所時(shí)任所長(zhǎng)朱道本提出了設(shè)想，“好的應(yīng)用固然重要，但我們?nèi)匀粦?yīng)當(dāng)堅(jiān)持化學(xué)是一門(mén)科學(xué)。”他請(qǐng)所里文獻(xiàn)情報(bào)室研究人員查詢，到底有沒(méi)有“分子科學(xué)”這個(gè)概念，世界上有沒(méi)有化學(xué)家在開(kāi)展“分子科學(xué)”研究。
當(dāng)時(shí)，處在世紀(jì)之交的中國(guó)科學(xué)家預(yù)見(jiàn)到，即將到來(lái)的21世紀(jì)，一定是屬于交叉學(xué)科的。朱道本更愿意用“交響樂(lè)”來(lái)形容學(xué)科交叉，指的是優(yōu)秀科學(xué)家在一起緊密合作，演奏出比獨(dú)奏更美妙的樂(lè)曲。
探究化學(xué)鍵和分子間相互作用的本質(zhì)進(jìn)而創(chuàng)造新分子、構(gòu)建新的分子功能體系——“分子科學(xué)”概念和基本任務(wù)首次在中國(guó)化學(xué)界提出。
化學(xué)所繼1994年成為科技部和中科院基礎(chǔ)性研究改革試點(diǎn)單位后，又在1999年的中科院知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)中啟動(dòng)“分子科學(xué)中心”建設(shè)。
作為我國(guó)“分子科學(xué)”研究的發(fā)源地，化學(xué)所圍繞分子科學(xué)布局的藍(lán)圖就此展開(kāi)。于2003年與北京大學(xué)聯(lián)合籌建北京分子科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌），并于2017年共建北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心。
2014年8月，中科院?jiǎn)?dòng)實(shí)施“率先行動(dòng)”計(jì)劃，為化學(xué)所的改革發(fā)展提供了創(chuàng)新動(dòng)力。鑒于多年來(lái)在分子科學(xué)前沿取得的科技成就和展現(xiàn)的良好發(fā)展態(tài)勢(shì)，化學(xué)所提出建設(shè)“分子科學(xué)科教融合卓越創(chuàng)新中心”。
在當(dāng)年12月召開(kāi)的卓越中心咨詢論證會(huì)上，中科院相關(guān)部門(mén)邀請(qǐng)了12名院內(nèi)外同行專家和管理專家，對(duì)卓越中心實(shí)施方案進(jìn)行咨詢論證。“戰(zhàn)略定位清晰、主要方向組織體現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力、有望實(shí)現(xiàn)科學(xué)卓越和教育卓越。”這是專家組對(duì)分子科學(xué)卓越中心的評(píng)價(jià)。
2015年1月15日，中科院院長(zhǎng)辦公會(huì)批準(zhǔn)該卓越中心啟動(dòng)籌建。
正如20年前所預(yù)見(jiàn)的一樣，分子科學(xué)走上了科學(xué)史的舞臺(tái)。張德清指出，“作為研究分子的結(jié)構(gòu)、合成、轉(zhuǎn)化與功能的科學(xué)，分子科學(xué)將為可持續(xù)發(fā)展提供新知識(shí)、新技術(shù)、新保障，為能源、生物、信息、航空航天等高技術(shù)提供物質(zhì)基礎(chǔ)。”
“這真的是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室嗎？”
身著白大褂的實(shí)驗(yàn)人員手握試管，將五顏六色的液體倒進(jìn)燒杯、錐形瓶中，觀察化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果——如果抱著這樣的想象走進(jìn)化學(xué)所實(shí)驗(yàn)室，大概會(huì)驚呼：“這真的是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室嗎？”
前幾年，一位受朱道本邀請(qǐng)的學(xué)者來(lái)到有機(jī)固體實(shí)驗(yàn)室。“他看到我們有很多搞物理的設(shè)備，對(duì)我們?cè)趯W(xué)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(qiáng)調(diào)，有機(jī)固體研究具有顯著的交叉性。團(tuán)隊(duì)成員的專業(yè)包括有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、高分子化學(xué)、理論物理和器件物理。“他們發(fā)揮各自的專業(yè)背景和研究特點(diǎn)，互相配合。”朱道本說(shuō)。
在學(xué)科交叉的基礎(chǔ)上，科學(xué)家按分子合成、分子組裝、分子功能的邏輯布局了分子科學(xué)卓越中心的3個(gè)研究領(lǐng)域，分別研究共軛分子導(dǎo)向的合成與剪裁、分子的可控組裝及調(diào)控、分子功能體系的構(gòu)筑與應(yīng)用。
張德清介紹，合成與制備化學(xué)是分子科學(xué)的核心，但更加強(qiáng)調(diào)分子合成過(guò)程的精準(zhǔn)化和綠色化。“合成化學(xué)家將致力于革新惰性化學(xué)鍵的活化和成鍵模式。”他說(shuō)。
自組裝作為創(chuàng)造新物質(zhì)和產(chǎn)生新功能的新手段，是21世紀(jì)分子科學(xué)將要解決的重大科學(xué)問(wèn)題之一。分子科學(xué)研究則更注重探索超分子、分子聚集體及其高級(jí)結(jié)構(gòu)的形成、構(gòu)筑、性能以及分子間相互作用的本質(zhì)。
對(duì)科學(xué)家而言，確認(rèn)了目標(biāo)，毫無(wú)疑問(wèn)這是“對(duì)”的方向！
近年來(lái)，他們?cè)谥锌圃簯?zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）“功能π—體系的分子工程”（以下簡(jiǎn)稱專項(xiàng)）中，開(kāi)墾出分子科學(xué)的諸多處女地。
分子中碳原子通過(guò)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(jī)分子，通常被稱為“π分子”。這類分子的特殊結(jié)構(gòu)使其具有豐富的物理化學(xué)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(jí)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(diǎn)。
如今，該專項(xiàng)進(jìn)入收官階段。科學(xué)家已在綜合性能優(yōu)異的有機(jī)半導(dǎo)體、柔性電子器件的構(gòu)筑、兼具高發(fā)光和高遷移率的分子材料、有機(jī)電泵浦激光等方面取得多項(xiàng)突破。“通過(guò)專項(xiàng)的執(zhí)行，分子科學(xué)卓越中心正在全面引領(lǐng)該領(lǐng)域的發(fā)展。”張德清介紹。
未來(lái)，分子科學(xué)的發(fā)展必將越來(lái)越依賴于學(xué)科交叉。例如，同步輻射光源、散裂中子源、強(qiáng)磁場(chǎng)等關(guān)鍵研究工具和變革性研究方法的出現(xiàn)，為中國(guó)分子科學(xué)取得新的重大突破創(chuàng)造了條件。
聚焦基礎(chǔ)研究原始創(chuàng)新
分子科學(xué)研究面向應(yīng)用，但從事分子科學(xué)研究的出發(fā)點(diǎn)則是基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。回到基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的“初心”，這一點(diǎn)在分子科學(xué)卓越中心幾乎成為一項(xiàng)共識(shí)，也在化學(xué)所科研人員中薪火相傳。
在朱道本帶領(lǐng)的有機(jī)固體研究團(tuán)隊(duì)中，研究人員長(zhǎng)期聚焦有機(jī)功能材料的電輸運(yùn)特性，成為國(guó)際上發(fā)現(xiàn)高遷移率有機(jī)半導(dǎo)體材料最多的團(tuán)隊(duì)之一。迄今為止，該團(tuán)隊(duì)已有30余人成為本領(lǐng)域的學(xué)術(shù)帶頭人，10人獲得國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目資助，4人當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士。
2010年，李玉良帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)用六炔基苯在銅片表面的催化作用下發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，合成出另一種新的碳材料——石墨炔。這是世界上首次通過(guò)合成化學(xué)方法獲得的全碳材料。
這項(xiàng)研究的“初心”離不開(kāi)科研人員對(duì)化學(xué)鍵斷裂與精準(zhǔn)形成的基本科學(xué)問(wèn)題的思考。
上世紀(jì)90年代，化學(xué)所有機(jī)固體實(shí)驗(yàn)室在朱道本帶領(lǐng)下開(kāi)展了碳材料富勒烯研究。碳具有sp3、sp2和sp三種雜化態(tài)，通過(guò)不同雜化態(tài)可以形成多種碳的同素異形體。唯獨(dú)含sp雜化的新結(jié)構(gòu)碳材料還沒(méi)有被人工合成。
“這類碳材料電荷分布不均勻，存在化學(xué)反應(yīng)的活性點(diǎn)，有可能成為新一代電子、光電器件及催化的關(guān)鍵材料。”李玉良表示。
近10年來(lái)，李玉良團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了石墨炔可控的單層制備。如今，基于對(duì)石墨炔本身的深入了解，研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)圍繞石墨炔儲(chǔ)能、原子催化方面的性質(zhì)開(kāi)展研究。隨后幾年里，該研究吸引了來(lái)自生命科學(xué)、催化、燃料電池、太陽(yáng)能電池等不同領(lǐng)域的科學(xué)家參與合作。作為一項(xiàng)基礎(chǔ)研究突破，石墨炔已經(jīng)在跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的應(yīng)用中展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力。
最近，他們發(fā)現(xiàn)了石墨炔錨定零價(jià)原子催化劑，在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》以封面文章發(fā)表的研究成果挑戰(zhàn)了單原子催化劑領(lǐng)域最難攻克的科學(xué)問(wèn)題——錨定零價(jià)金屬鉬原子。研究人員不僅在石墨炔表面負(fù)載了零價(jià)鉬原子（負(fù)載量高達(dá)7.5 wt.%），還實(shí)現(xiàn)了其表面活性組分的高度分散。該催化劑具有確定的結(jié)構(gòu)、明確的反應(yīng)活性位點(diǎn)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了在常溫、常壓下高選擇性、高活性和高穩(wěn)定性合成氨和產(chǎn)氫。
在石墨炔出爐的同一年，王健君回國(guó)加入化學(xué)所。“所里的領(lǐng)導(dǎo)和前輩都主張，分子科學(xué)研究要面向真正的科學(xué)難題，要開(kāi)辟自己的特色。”
問(wèn)問(wèn)“初心”，王健君在實(shí)驗(yàn)室主任宋延林的支持下，很快確定了研究領(lǐng)域。“水是怎么變成冰的？這個(gè)問(wèn)題到現(xiàn)在也沒(méi)有答案。”他說(shuō)。聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單的問(wèn)題，實(shí)際上蘊(yùn)含著冰核如何形成、冰晶如何生長(zhǎng)等深?yuàn)W的科學(xué)問(wèn)題。
一頭扎進(jìn)這些科學(xué)問(wèn)題后，王健君從滑冰運(yùn)動(dòng)中受到啟發(fā)，制備了一種新型的自潤(rùn)滑水層防覆冰涂層材料。“滑冰時(shí)，冰刀與冰面間存在液態(tài)的水潤(rùn)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(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用由多巴胺修飾的透明質(zhì)酸在弱堿性條件下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，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(fā)現(xiàn)的自然界中最好的保濕性物質(zhì)。這一材料的引入，極大降低了冰的粘附力。幾年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)在揭示生物控冰分子機(jī)制、仿生構(gòu)建高分子控冰表面及設(shè)計(jì)構(gòu)建實(shí)用高分子控冰涂層等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)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(guó)到第一篇文章發(fā)表，大概經(jīng)歷了3年時(shí)間。分子科學(xué)卓越中心為我們創(chuàng)造了寬松的環(huán)境，去享受新發(fā)現(xiàn)、攀登真正的基礎(chǔ)科學(xué)高峰。”他說(shuō)。
為改善科研氛圍和研究條件，分子科學(xué)卓越中心專門(mén)布局人才專項(xiàng)、建立新型人事制度。同時(shí)，試行的團(tuán)隊(duì)績(jī)效評(píng)價(jià)辦法，讓骨干人才和試點(diǎn)團(tuán)隊(duì)的薪酬穩(wěn)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(chuàng)的、里程碑式的科學(xué)成果，引領(lǐng)分子科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展而努力。”張德清說(shuō)。
人工模擬光合作用水裂解催化中心的提出正是一個(gè)典型案例。研究員張純喜自1997年以來(lái)一直潛心水裂解催化中心的結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究。2015年，他成功合成得到當(dāng)時(shí)與生物水裂解催化中心結(jié)構(gòu)最接近的人工模擬物。研究成果發(fā)表在《科學(xué)》上。“一個(gè)新的催化中心結(jié)構(gòu)很快會(huì)發(fā)表。”張純喜表示。
在科研人員的共同努力下，分子科學(xué)卓越中心在2017年的國(guó)際評(píng)估中獲得“A級(jí)”評(píng)價(jià)。2018年1月8日，該卓越中心通過(guò)驗(yàn)收進(jìn)入正式運(yùn)行階段。
科教相長(zhǎng)：溫故而知新
2018年8月15日召開(kāi)的分子科學(xué)卓越中心理事會(huì)上，中科院院長(zhǎng)、黨組書(shū)記、分子科學(xué)卓越中心理事長(zhǎng)白春禮指出，卓越中心要進(jìn)一步瞄準(zhǔn)世界科學(xué)前沿，加強(qiáng)重大科學(xué)問(wèn)題和目標(biāo)導(dǎo)向的研究，創(chuàng)新體制機(jī)制，集中優(yōu)勢(shì)力量，取得更多重大成果，實(shí)現(xiàn)科學(xué)卓越。同時(shí)，他要求，分子科學(xué)卓越中心應(yīng)繼續(xù)做好科教融合，承辦好國(guó)科大化學(xué)學(xué)院。
2014年，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱國(guó)科大）迎來(lái)第一屆本科生。當(dāng)年6月，在籌建分子科學(xué)卓越中心的同時(shí)，化學(xué)所承擔(dān)了新學(xué)期國(guó)科大化學(xué)與化工學(xué)院本科教育工作，目標(biāo)是培養(yǎng)“科技精英中的精英”。無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)、高分子科學(xué)與材料等7個(gè)教研室建立起來(lái)，組織集體備課、分配教學(xué)任務(wù)，確定對(duì)學(xué)生的考核內(nèi)容……科學(xué)家們忙活起來(lái)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(xué)所研究員李永舫告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
當(dāng)時(shí)，經(jīng)過(guò)一年準(zhǔn)備，李永舫和時(shí)任化學(xué)所副所長(zhǎng)楊國(guó)強(qiáng)、研究員宋衛(wèi)國(guó)一起，共同教授本科一年級(jí)下學(xué)期的“化學(xué)原理”課。
長(zhǎng)期在科研一線工作的科學(xué)家上基礎(chǔ)課，自然會(huì)給學(xué)生帶來(lái)新鮮的“料”。宋衛(wèi)國(guó)說(shuō)：“講了5年課，我每年的教案、PPT都會(huì)大改。”其中，增加科研進(jìn)展是他在備課中格外重視的。例如，在“晶體結(jié)構(gòu)”的課堂上，宋衛(wèi)國(guó)會(huì)以近年來(lái)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的新發(fā)現(xiàn)為例，幫助學(xué)生理解陰離子與陽(yáng)離子如何結(jié)合。
科研促進(jìn)教學(xué)的效果顯而易見(jiàn)。2016年9月和2017年10月，中科院前沿科學(xué)與教育局組織教育領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)國(guó)科大科教融合學(xué)院進(jìn)行評(píng)估，國(guó)科大化學(xué)學(xué)院連續(xù)兩年均獲得“A”的優(yōu)異成績(jī)。在教育部第四輪學(xué)科評(píng)估中，國(guó)科大化學(xué)學(xué)科獲得了“A+”。
反過(guò)來(lái)，教學(xué)促進(jìn)科研，更能體現(xiàn)“科教融合”的深意。對(duì)李永舫和宋衛(wèi)國(guó)而言，“教學(xué)相長(zhǎng)”并不是一句空話。
李永舫看到，科研人員埋頭研究工作時(shí)，往往只關(guān)注一個(gè)極小的領(lǐng)域。“給本科生上基礎(chǔ)課，需要對(duì)整個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行完整而系統(tǒng)的整理，對(duì)科研會(huì)有新的啟發(fā)。”他表示。
例如，同樣在準(zhǔn)備“晶體結(jié)構(gòu)”一章課程時(shí)，從事有機(jī)和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究的李永舫受到“離子半徑?jīng)Q定了化合物穩(wěn)定性”這一規(guī)律啟發(fā)——“要提高鈣鈦礦光伏材料的穩(wěn)定性，是不是可以通過(guò)從結(jié)構(gòu)上調(diào)整組分的離子半徑實(shí)現(xiàn)？”他想。
宋衛(wèi)國(guó)也深有體會(huì)。最近，從事催化相關(guān)研究的他對(duì)設(shè)計(jì)催化劑的策略有了新想法。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)之初就從電子結(jié)構(gòu)入手，有針對(duì)性地挑選磁性材料，以實(shí)現(xiàn)回收的目的。
這也是宋衛(wèi)國(guó)在本科生課堂上經(jīng)過(guò)“溫故”而“知”的“新”——電子結(jié)構(gòu)中的不成對(duì)電子是材料磁性的原因。“上課就是給自己補(bǔ)課，跳出科研、回到基礎(chǔ)知識(shí)中，對(duì)繼續(xù)前進(jìn)有很大幫助。”他說(shuō)。
從化學(xué)到分子科學(xué)，從基礎(chǔ)到應(yīng)用再回到基礎(chǔ)，從科研到教學(xué)，從化學(xué)所到分子科學(xué)卓越中心……多年來(lái)，無(wú)論名稱、機(jī)構(gòu)、定位如何變化，中國(guó)化學(xué)家不懈攀登、科教報(bào)國(guó)的決心始終不變。
“化”育萬(wàn)物，“育”出的不僅是創(chuàng)造美好生活的新物質(zhì)，更是一流的人才、一流的思想、一流的成果，這些都為我國(guó)由“化學(xué)大國(guó)”邁向“化學(xué)強(qiáng)國(guó)”作出了貢獻(xiàn)。
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2019-07-23 第4版 紀(jì)實(shí))
