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            實驗室

            “乘風破浪”的“造物者”——走進北京分子科學國家研究中心

            來源:分析化學 閱讀數:252 時間:2020-07-29 09:22:34


            低維碳材料與納米科技研究部的中科院分子納米結構與納米技術重點實驗室是國內最早從事納米科學研究的實驗室之一。


            科研人員創造出碳材料家族的新成員,不斷開創石墨炔領域標桿性的成果。


            研究人員正在開發基于有機激光陣列的新一代平板顯示,將基礎研究成果逐步應用到新產業的孵育上。


            研究人員利用先進儀器開展實驗


            朱道本院士(中)指導研究人員開展工作


            研究人員在實驗中


            韓布興院士(左二)與科研人員在一起

             

            設計新分子、創造新物質,當分子科學涌進化學學科的潮流中,化學家成為名副其實的“造物者”。


            2020年6月下旬的一天午后,中國科學院化學研究所(以下簡稱化學所)研究員、中國科學院院士韓布興拐進化學所通向成府路的一條小巷。他一邊走,一邊思考著和合作者、北京大學化學與分子工程學院(以下簡稱北大化學學院)教授馬丁正在進行的有關生物質的綠色化學研究。


            兩個課題組緊密合作的10多年里,韓布興無數次穿過這條小巷,像走親戚一樣來到北京大學中關新園“串門”。


            他們所在的“大家庭”,便是北京分子科學國家研究中心。在這一“國字頭”平臺的支持下,化學家們齊心協力,在分子科學的世界里“乘風破浪”。


            一條小巷連起的“大家庭”

            和韓布興一樣,許多科研人員對這條小巷再熟悉不過——化學所在這頭,北大化學學院在那頭,集結成一支中國乃至全世界最“硬核”的分子科學研究隊伍。兩家單位于2003年聯合籌建北京分子科學國家實驗室(籌),2017年組建北京分子科學國家研究中心(以下簡稱分子科學中心),也是目前唯一一家由中科院與高校共建的國家研究中心。中心主任由北大化學學院教授席振峰和化學所所長張德清共同擔任。


            事實上,兩家的“親戚”關系淵源不淺。上世紀50年代,中科院決定在北京籌建綜合性化學研究機構。1956年,在北京大學化學系任職的唐有祺先生受邀到化學所兼職,籌組結構化學方向。當時,唐有祺先生已在中科院應用物理所(物理所前身)兼職,籌組單晶結構分析工作。利用在三家單位兼職的有利條件,唐有祺牽頭建成了新中國首個X射線結構測定實驗室。


            唐有祺的加入,不僅將分子科學前沿的種子深深埋進中國的科研土壤中,也成為兩家單位親密合作的起點。2020年7月11日,唐有祺迎來100歲生日。半個多世紀以來,唐有祺一直擔任著化學所的兼職教授,招收博士生。


            1991年,化學所分子動態與穩態結構國家重點實驗室獲批成立,由唐有祺擔任實驗室主任。他在學術上發揮開拓和引路作用,促進了雙方之間的合作。正是在這樣的倡導下,來自兩家單位的科研人員越走越近,真正凝聚成分子科學研究的“大家庭”。


            “學生論文評閱、答辯,雙聘導師,人才互相流動……更不用說日常舉辦的學術會議了?!被瘜W所科技處處長鄭企雨對此感受頗深。


            上世紀90年代末,作為創造新分子、新物質的學科,化學在社會和經濟發展中作出的貢獻有目共睹?!昂玫膽霉倘恢匾?,但我們仍然應當強調化學是一門科學?!碑敃r,化學所時任所長朱道本基于這樣的認識,借鑒世界發達國家科學家的思想,提出“分子科學”概念,旨在通過交叉融合實現方法理論的突破,開拓化學研究的新疆域,破解化學學科面臨的“分片式”發展困境。


            一種心照不宣的默契也在巷子那頭產生——1994年,唐有祺等學者提出“分子工程學”概念,原北大化學系更名為北大化學與分子工程學院。


            無論是分子科學還是分子工程,實際上都在強調,未來的化學不僅要研究單個化合物,還要以功能為導向,在分子水平上進行設計,創造出新物質。這也成為兩家單位科研人員對化學學科未來的共識。


            悠久的合作歷史及學術上的高度認同,使兩家單位的科研人員結下了深厚友誼,為分子科學中心提供了內在凝聚力。近幾年,他們開始嘗試進一步深度合作。2018年,兩家單位的公共測試平臺互相開放,互相提供服務?!跋M麌L試建立一些新機制、新制度,促進學術交流和合作?!毕穹鍙娬{。


            “中國牌”碳材料結碩果

            多年來,雙方強強聯合,在多個領域取得優異成績。其中,石墨炔系列新材料由中國學者率先合成、自主研發,是地地道道的“中國牌”碳材料。


            上世紀90年代,化學所有機固體實驗室在中科院院士朱道本帶領下開展碳材料富勒烯研究。碳元素在sp3、sp2和sp三種雜化態下形成的不同同素異形體中,唯獨sp雜化的碳材料仍然停留在理論上,真實世界中并不存在。因其特殊的電荷分布特點,這類碳材料有可能成為新一代電子、光電器件及催化的關鍵材料。


            2010年,英國科學家因通過物理方法獲得單層石墨烯獲得諾貝爾物理學獎。同一年,化學所研究員李玉良帶領課題組創造性地采用化學合成的方法,利用六炔基苯在銅片表面的催化作用下發生偶聯反應,成功地在銅片表面合成出石墨炔薄膜。這是世界上首次通過化學方法獲得的全碳材料,開辟了人工化學合成碳同素異形體的先河。


            隨后,北大化學學院教授張錦課題組在此基礎上發展出石墨炔納米墻陣列以及其他不同聚集態的石墨炔。北大化學學院教授甘良兵則帶領課題組圍繞富勒烯的化學轉化開展深入細致的研究。長達10年的時間里,分子科學中心的科研人員不僅創造出碳材料家族的新成員,還齊心協力不斷開創石墨炔領域標桿性的成果,引領這一領域的科學前沿。


            據李玉良介紹,近期,研究團隊首次提出了一種制備原子催化劑的新策略,并成功制得了錨定于石墨炔表面相互獨立的零價鎳/鐵原子催化劑。通過電化學還原,這種原子催化劑能將氮氣或水高選擇性、高效率地轉化為氨或氫氣,這為解決不斷加劇的能源和環境問題帶來了巨大的希望。


            李玉良和他的“小伙伴”相信,作為具有中國自主知識產權的新材料,石墨炔將在新型碳材料的基礎研究及未來應用上開辟新世界。


            從0到1,初心不變

            分子科學中心研究人員一直堅持原始創新的初心,已經形成良好的學風,代代傳承。


            分子科學中心高分子材料與科學研究部研究員趙寧所在的課題組是化學所最早建立的一批課題組之一,第一任課題組長是我國高分子物理學家施良和?!拔?003年到所里,那時施先生幫助我們逐字逐句地改文章,指出文章中的問題。但從不署名?!壁w寧從前輩身上學習到,唯有一步一個腳印踏實前行,才是做學問的真諦。


            “在我所從事的高分子材料領域,要做好從0到1的原始創新,必須首先從理論創新入手,才能高屋建瓴地設計出具有新功能的分子?!壁w寧告訴《中國科學報》。


            最近,趙寧在高分子材料方面的系列研究受到業界關注,最大拉伸倍數超過13000倍的高分子材料、多功能形狀記憶聚合物等具有新奇性質的材料陸續出爐。


            “這些工作都是基于我們經過多年積累提出的‘動態共價鍵’理論,即高分子材料的一些基團之間總是處在斷鍵和形成的動態過程中?!壁w寧說,“當時,北大化學學院余志祥老師提供了計算方面的支持,讓我們認識到,這個過程的機理是化學鍵斷裂和形成過程會耗散能量,導致其拉伸倍數提高?!?/span>


            踏踏實實的學風也表現在科研人員甘坐“冷板凳”的堅持上。2019年底,化學所研究員王健君在《自然》上發表研究成果。他們用表面相對穩定的氧化石墨烯制備了一系列納米材料,證實吉布斯相變“經典成核理論”中臨界冰核的存在。


            很多人驚訝:“化學所為什么突然有個做冰的研究員?”


            事實上,有關冰的研究,王健君從2010年回國到化學所工作時就已啟動?!盎貒?,按化學所要求,每位研究員需要鎖定別人沒有做過的新方向去開展工作。當時,我考慮到2008年發生的凍雨災害給國家帶來很大損失,同時防冰材料在航空航天、低溫生物學等領域有巨大的應用潛力?!?/span>


            圍繞應用層面的種種現實問題,王健君層層剝繭、步步為營,不斷挖掘、提煉深層次核心科學問題,直到3年后才發表了第一篇論文?!斑@里有踏實做基礎研究的風氣和對待失敗的寬松環境,讓我去享受新發現、攀登真正的基礎科學高峰?!蓖踅【偨Y。


            韓布興的科研生涯則從化學熱力學理論創新開始。上世紀90年代,韓布興敏銳地意識到,化學熱力學與綠色化學的交叉研究將是科學前沿。他開始帶領課題組拓寬化學熱力學的研究范疇,解決綠色化學領域的關鍵難題。


            目前,韓布興擔任分子科學中心能源與綠色化學研究部負責人。如何將化學反應中的原料“吃干榨凈”?他在這個問題上“死磕”多年后,最近又瞄準綠色化學與材料科學的交叉領域,嘗試用二氧化碳、生物質作為原料合成可降解并具有特殊性的聚合物材料?!斑@些新材料的使用可以減少人們對化石資源的依賴,促進整個化學化工生產鏈的綠色化?!表n布興告訴《中國科學報》。


            分子動態學與激發態化學研究部、中科院院士姚建年團隊長期致力于新型光功能材料的基礎研究與實際運用,在有機低維材料、納米光子學、有機微納激光等光化學前沿方向上取得了開創性成果。


            他帶領團隊首次將量子尺寸效應從無機半導體拓展到了有機納晶體系,開創了有機低維光功能材料科學的研究先河,最早制備出基于單個有機單晶納米材料的光波導與微型激光器,成為國際上有機光電材料與納米光子學領域的先驅性工作。


            面向未來,團隊正在發展基于有機激光陣列的新一代平板顯示技術,將基礎研究成果逐步應用到新產業的孵育上,為國家發展新型顯示核心關鍵技術作出貢獻。


            低維碳材料與納米科技研究部的中科院分子納米結構與納米技術重點實驗室是國內最早從事納米科學研究的實驗室之一。在深入分析納米科學發展趨勢的基礎上,實驗室成立之初就對未來發展做出了長期布局,即面向科學前沿和國家需求,以功能分子納米結構的物理化學研究為核心,以功能納米材料在生物醫學、能源環境等方面的應用為導向,努力促進原創性科研成果向現實生產力轉化。


            該實驗室成立20年來,在疾病診療的分子機制和能源環境中的表界面問題研究方面取得一批具有國際影響的原創性研究成果,引領了相關研究的國際發展,部分工作已經實現產業化。


            從探究分子結構到合成分子、組裝分子,再到面向國家重大需求的分子體系的應用,分子科學中心科研人員在寬松的環境下心無旁騖、專心科研,已成長為一支特色鮮明、國際一流的分子科學研究隊伍。


            身負“國家”盛名,分子科學中心的未來備受期待?!拔覀儗⒏嗟貒@國家對基礎科學的需求,打造世界頂尖的分子科學研究機構,吸引全球頂尖人才到這里來開展研究?!睆埖虑灞硎?。


            科學午餐會,真香!

            因為新冠肺炎疫情的緣故,中科院化學研究所(以下簡稱化學所)咖啡廳冷清了很長一段時間。2019年下半年,北京分子科學國家研究中心(以下簡稱分子科學中心)每兩周一次的科學午餐會在這里舉行?;瘜W所研究員于萍是午餐會的“熟客”。


            剛啟動時,每次午餐會安排1位科研人員主講,2位科研人員做墻報(poster)分享。后來,大家覺得不過癮,改成2位科研人員主講。


            第一次參加午餐會,于萍就帶著課題組正在開展的離子傳輸調控相關研究和同事們分享?!拌b于腦內的生物電信號都是通過離子傳輸,我們最近也在關注離子型器件,希望基于這一新原理發展一些新的分析方法?!庇谄几嬖V《中國科學報》。她的分享引發同事們熱烈討論,也反過來啟發了她形成新的科研思路。


            “一邊吃著盒飯一邊聊,感覺很有滋味、很有收獲?!庇谄颊f。


            更早一些時候,分子科學中心的“科學午餐會”還帶有一點“辣味”。2001年起,來自北大化學學院和化學所兩家單位的青年科研人員為了促進科研交流,開始定期舉辦學術沙龍。


            分子科學中心副主任范青華記得,科研人員經常彼此“放狠話”?!皥蟾嫒酥v完后,下面就會有人評價‘你這個工作,我看就不用做了!’”他回憶,“聽眾經常質疑報告人工作創新性,場面很火爆?!痹S多科研人員都在這樣的互相批評和質疑中成長起來。


            分子科學中心主任、北大化學學院教授席振峰用“抱團取暖”來形容沙龍的初衷?!爱敃r,找文獻都不容易?!彼f,“很多青年科研人員剛踏上科研道路不久,非常需要思想上的碰撞,互相促進?!?/span>


            當然,科研人員都默契地相信,這些辛辣的“狠話”純粹是因為對學問的認真態度,也是對科學的懷疑精神最有效的踐行方式。


            多年的事實證明,學術沙龍和午餐會正像左右手互搏的擂臺,分子科學中心的科研水平在這樣激烈的“搏擊”中不斷提高。


            科學午餐會,真香!


            北京分子科學國家研究中心簡介

            北京分子科學國家研究中心(以下簡稱分子科學中心)是科技部2017年11月批準組建的6個國家研究中心之一,在北京分子科學國家實驗室籌建十余年的基礎上組建,依托于北京大學和中科院化學研究所。


            該中心定位于面向分子科學前沿,瞄準分子科學領域重大科學問題,開展基礎性、前瞻性、多學科交叉融合的創新研究,匯聚國內外分子科學研究頂尖人才,建設高水平的國際化的分子科學前沿交叉研究平臺。


            多年來,分子科學中心緊密圍繞分子體系的精準合成與制備、分子的可控組裝、分子功能體系的構筑與應用等三大領域方向,設立9個相應的研究部。包括分子動態學與激發態化學研究部、合成與組裝化學研究部、無機與稀土化學研究部、高分子科學與材料研究部、低維碳材料與納米科技研究部、化學生物學研究部、有機固體研究部、分析與環境科學研究部及能源與綠色化學研究部。


            北京大學化學與分子工程學院和中科院化學研究所強強聯合、優勢互補,是分子科學中心的鮮明特色。

            來源:中國科學報


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