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陈虹宇:探求纳米科技新路径
——记南京工业大学先进化学制造研究院执行院长陈虹宇

作者:□ 李明丽  来源:科学中国人  发布时间:2018-11-05

导读:  相较于大多数人运用已知的纳米结构去拓展应用,陈虹宇眼下的工作则是在扩充纳米合成能力的“工具箱”,通过研究纳米复合结构生长、颗粒团簇组装等复杂纳米合成新路径,进一步推动纳米研究向复杂结构的发展。他是世界上少数几个“为了纳米合成而合成”的人,本着化繁为简、阐明原理机制的原则,致力探索纳米领域合成方法学的新篇章。

  ——记南京工业大学先进化学制造研究院执行院长陈虹宇


  □ 李明丽
 

 

 
  以钝器敲敲打打的石器时代为开端,人类历经了锻造工具的青铜器、铁器时代,以及从蒸汽机获得动力的工业革命时代......而不管着眼于由工具来划分的时代,还是着眼于人类文明变革的根本动力,新型工具的开发和使用都发挥着至关重要的作用。可以毫不夸张地说,工具是人类思想精华的淬炼,是世界范围内生产力得以阔步发展的源动力,它的突破更代表了历史演化的关键转折点。
  立足21世纪,“纳米”这一热词以迅雷不及掩耳之势在各大研究领域占据了一席之地。作为新兴的、交叉性强的综合学科,纳米技术包罗万象,广泛渗透到能源、环境、生物医药、航空航天等多个领域,迅速成为世界各国材料研发、应用的新宠。然而纳米技术终究是新兴领域,短短几十年的研究也不过是开启了冰山一角,距离想象当中纳米科技的征程尚远,且若想要真正迈入繁荣时代,纳米领域工具的发展将会是必由之路。
  发展纳米合成工具,这条路至少当下还处于人迹罕至的状态。“提到纳米科技,人们往往想到的是那种可以携带药物进入人体血管并帮助治疗疾病的微型机器人。但事实上,现有的纳米科技与这些想象中的复杂纳米机器还存在着巨大的差距,首先便是表现在合成能力和工具上。”相较于大多数人运用已知的纳米结构去拓展应用,陈虹宇眼下的工作则是在扩充纳米合成能力的“工具箱”,通过研究纳米复合结构生长、颗粒团簇组装等复杂纳米合成新路径,进一步推动纳米研究向复杂结构的发展。他是世界上少数几个“为了纳米合成而合成”的人,本着化繁为简、阐明原理机制的原则,致力探索纳米领域合成方法学的新篇章。
  

夯实地基,挑战冷门研究


  在中国古代,将光滑的陶瓷置于蜡烛火焰上方收集烟雾,经冷凝后,细腻的纳米碳粉可制作成墨。这是最原始、最简单的纳米材料制备方法,但随着历史演进,从人类将目光投入复杂的微观科学世界开始,它显然已经在各类纳米合成及制备方法面前黯然失色。
  思维方式、应用工具、实用方法等新旧更替遵循自然之道。时代赋予了科学技术飞速发展的机遇,在新型产业崛起、各领域需求不断加剧的今天,作为行业发展立足之本的技术和方法学研究自然也不甘落后。然而,纳米技术作为时代的宠儿,虽广泛应用到各行各业当中,其合成方法学研究却遭到冷遇,发展始终处于缓慢的状态。
  一直以来,有关纳米粒子、纳米线、纳米薄膜等材料的制备主要围绕在固相合成法、气相合成法与液相合成法三者之间。尤其是目前实验室和工业界普遍采用的液相合成方法,虽然具有纯度高、均匀性优异等优点,但不论是它的合成路径、方法,还是合成物剂量和时间控制等仍不够完美。基于纳米研究发展现状,陈虹宇指出,其合成研究与有机合成方法类似,终极目标是“指哪打哪,想要什么结构都能合成得出来”。“相比现有方法的优化,未知的前沿还隐藏着诸多待人发掘的奥秘。这需要我们积极实现合成方法和能力的突破,拓展合成过程中的新反应、新路径,构建新型纳米结构的同时,以更加简单、便捷的渠道为纳米应用提供基本素材和理论借鉴。”在他看来,纳米合成方法学会随着纳米科技与日俱增的复杂程度、产业化难度显现出重要价值,成为不可或缺的辅助性研究。正如他一再强调,“做不出来的东西是没法用的,探索和应用的前提是把新结构先做出来。工具的发展侧重于未来而不是现在,不发展工具,我们甚至不知道将会错过什么。从长远来看,机理研究是每个领域都需要的,被提上日程也只不过是时间早晚的问题而已。”
  如果将科学研究过程看作一座大楼的建造,那么需要有人做顶层建设,也需要有人做地基架构。之于纳米领域而言,应用研究是以现有的合成能力为基础,搭建出合适的住宅,而发展合成能力则侧重用不同的建筑方式,达到更强的建筑效果,更快、更好地建造出新型建筑物。根据陈虹宇介绍,纳米合成能力的发展更像是在扩充一个“工具箱”,用来提供合成过程中更为丰富且具备一定针对性的路径和控制手段。他表示,如果人们都在使用工具而忽略了工具箱本身的发展,长此以往,待到该工具箱应用潜能耗尽,纳米研究的进一步发展势必会受到限制。
  着重描述了合成研究对于纳米科技长期发展的价值意义,当被询问到“为什么涉猎纳米复杂结构研究的人员较少”时,陈虹宇给出一番解释:“深化纳米合成不仅难度大,短期价值效益还并不明显,所以很少有人愿意从事这项冷门研究。有时甚至连我自己也很难向领域内的同行阐明,没有直接作用于应用的基础研究究竟能做什么,又做出了什么。”因为大众的不了解,因为工作无法产生即时效益,而使得投入研究本身成为一种挑战。然而只有跳出现有纳米合成的框架,才能开创新的领域;只有系统化地理解合成机理,才能达成理性的设计和自由的创造;只有夯实合成能力的基础,才能更好地去探索、拓展新的应用。“创新不只是一个口号,作为科学工作者,我不愿沿着已知的路走。”
  “当时也是靠着自己的兴趣,没考虑是否方便拿经费、发论文,就一头扎了进去。”对于选择这项研究,陈虹宇曾经自我调侃,表示自己掉进了一个“坑”里,不过由于心之所向多年来却是甘之如饴。他始终认为,兴趣的意义并不是在人生高潮之际所表现的意气风发,而是在人处于失望、悲观的时候还有砥砺前行的勇气。所以遭遇难题时,陈虹宇总是决定迎难而上,在充满挑战的研究中埋头苦干。“我也会发牢骚,对工作各种吐槽,不过都只是过过嘴瘾,该做什么还是要做的。”
  为纳米合成工具的发展、新路径的发现一路披荆斩棘,陈虹宇带领自己的科研团队取得了不错的收获:揭示了复合纳米颗粒生长的界面调控机理,拓展了部分纳米合成的新结构、新方法,开拓了新型的诱导纳米构象转变在过去10余年的工作中,他以通讯作者发表高水平文章(影响因子大于10)就有37篇,总引用数超过6800次,相关成果得到了国际同行的一致认可。他坦言,工作对他而言不是强加在肩上的任务,因为有着对研究本身的兴趣和热爱,自己还愿意往前走几步,再多走几步。
  

打造具备科学价值的艺术品


  纳米的神奇绕不开令人惊叹的技术,而纯熟的技术运用还有可能开启艺术的大门,呈现一幕为人称道的场面。
  2016年9月,各大科学网站纷纷报道了“世界上最小的纳米螺丝”,称其为科学界的艺术之作。身为设计纳米螺丝的团队负责人,陈虹宇在“2016新材料国际发展趋势高层论坛”上系统介绍了设计方法及成果价值。他表示,这款纳米螺丝是用刻蚀法制造出来的,没有采用传统的自组装合成方法。为了探究整个变化过程,他们先合成了大直径的纳米棒作为前驱体,然后对其进行刻蚀。而纳米螺丝究竟有多小?陈虹宇说:“如果将我们面前一个直径为1米的圆球放大到地球那么大,那么这个‘纳米地球’上一个骰子的宽度就是1纳米。想象一下,一个巨人站在地球前面,他的手显然太大,不能直接操作这个‘纳米地球’上的物件。但他念了一下化学的咒语,就把几十亿根大树般的柱子,同时雕刻成了带有螺旋纹的纳米螺丝。”
  在相对发展缓慢的纳米合成领域,纳米科技一再被复杂纳米结构的可控合成和精确调控扯住脚步,而此次设计的成功不但克服了配体及平衡动态难操纵问题,更是填补了纳米合成领域的一项国际空白,深受领域专家认可。中国科学院院士评价其具有深远意义,为纳米板、纳米柱等合成纳米桌子创造了可能。陈虹宇说:“在人类发展的初期,绘画、雕刻等艺术的发展,事实上体现的是人类创造能力的进步。我希望大家不要把纳米合成看成是纯粹、抽象的艺术,而是拓展新工具、新能力的艺术。”
  于他,多年来的每一项成果其实都得来不易,不同于应用研发能够直接测试功能,机理研究需要靠大量、详细的分析撑起全局,用反复的实验进一步验证、完善分析。“我们不仅需要了解实验配体和设备的各部分情况,还需要根据当时的实验环境进行预测、判断,找出影响实验结果的微小差异,设计新的实验验证,往往某一部分差之毫厘就需要一切从头再来。”由一次次失败的懊恼中爬起,他深有体会,因此也就多了几分耐心。
  开展复杂纳米结构研究的过程中,陈虹宇总喜欢独辟蹊径,打破传统纳米形态结构的束缚,发展出一系列形色不一、前所未见的结构,诸如纳米圆环、纳米麻花绳、纳米螺丝钉......出于对纳米球复杂结构的好奇,他思考着如何将两个或者多个纳米球组装成特定的堆积结构。“在刚才所说的1米大的‘纳米地球’上,我们可以把几百亿颗相当于保龄球大小的纳米颗粒,两个为一组地装在纳米的袋子里。也可以把13颗这种小颗粒,组装成标准的正二十面体。这些特定结构的组装体,可用于研究表面增强拉曼和费诺共振,对于生物检测等领域很有意义。”
  纳米颗粒的包覆与半包覆,也是他的主要兴趣之一。“传统的纳米合成主要侧重于控制纳米颗粒的形状、大小、均一性。我们则致力于发展更可控的包覆方法,比如说两种纳米材料,怎么才能实现A将B完全包裹,或者A将B包裹三分之一,又或者各自形成球而中间恰好粘连。探究这其中的化学控制力主要来自哪里,这是我们研究工作的重心之一。”陈虹宇耐心地解释,并表示包裹力度、角度的控制研究可以演化出一连串的多层次纳米结构推理,为日后工作的持续开展打下基础。
  陆续发表系列文章阐述了纳米颗粒从包覆到半包覆的合成控制,由陈虹宇领衔的创新团队运用新机理构建出多种新型纳米结构,基于有机化学的合成理念,开发出了十几种新型纳米结构的合成路线,并给出其形成的基础原理。2018年4月,他们通过合作,研究设计开发了一种基于两亲性嵌段共聚物的多步纳米合成,通过操控该聚合物壳层的形变与收缩,实现了一系列复杂纳米结构的可控制备。相关研究工作以“Transformable masks for colloidal nanosynthesis”为题发表在Nature Communications,被媒体评价为“具备适普性、能够精确设计并合成出更为复杂纳米结构”的新方法,其多步可控合成的思想,在巩固了纳米合成研究基础的同时,也为后续研究明确出了一个格外新颖、开阔的思路。
  

结缘纳米,长驱直入


  作为一个出色的纳米合成研究从业者,没有人会怀疑陈虹宇对于研究工作的赤诚之心,但他却说“从求学到投身纳米研究领域本是一场机缘巧合”。是因为兴趣的驱使,他放弃了6年博士期间积累的无机化学研究的基础投奔纳米科技;也是由于职责所在,他在学术研究之余尽善尽美地完成教学管理工作。
  本科就读于中国科学技术大学,而后赴美国耶鲁大学攻读博士学位,再辗转到康奈尔大学做博士后、在新加坡南洋理工大学做助理教授,于35岁获评终身教职,陈虹宇一路像打翻的多米诺骨牌一般迅速成长。而骨子里的钻研精神让他对难题总抱着一股征服的决心,从对化学研究着迷到被纳米科技吸引也在这短短数十载。“我从小就想做一名科学家,天性让我喜欢把事情琢磨到底,热衷做些和别人不一样的研究。”
  他坦言,自己并不属于那种有长远规划的人,选择课题时经常出于“好玩”的心态,并未过多地考虑工作入职等功利性因素。“我大约在耶鲁大学待了6年半,那会儿主要研究锰化合物催化水产生氧气的能力,来了解其在光合作用里的关键作用。”而后,在就业形势并不乐观的情形下,他阴差阳错进入康奈尔大学食品科学系开展博士后研究。由于当时的导师为微生物专家,研究组内有包含物理、化学、微加工、电子工程等诸多领域的科研人才,陈虹宇用1年半的时间学会了很多东西,在技能和学科概念方面有了明显进步,同时自身的科研信心也得到了极大的提升。也是在那段时间,他接触到纳米研究,为日后深入开展纳米合成等工作埋下了伏笔。
  2006年,适值新加坡南洋理工大学新建化学系,陈虹宇从全球招聘中脱颖而出,于同年10月正式任职南洋理工大学助理教授。之后的数年间,他在这里发表了大量高水平文章,只用了4年半的时间就被升为终身教职副教授。由于当时学院管理人才的稀缺,陈虹宇被委任行政管理工作。凭借一股认真的劲头和处理事务负责的态度,他从助理院长、副院长一路升至负责3个学院的学部副部长。
  于陈虹宇而言,管理上的收获说到底有些被动,但正是得益于几年来管理经历潜移默化的影响,他才能够从新加坡的体制发展过程中总结经验,为后续管理工作带去深刻的借鉴。
  任职新加坡期间,除了必要的管理事务,陈虹宇对科研工作亦极为重视。他不满足于纳米简单工具的研究,始终坚信纳米应用研究会出现一个从量变到质变的转折点,而复杂工具的缺失将会成为制约其发展进程的一大关键。本着这样前瞻性的理念,他开始同南京工业大学开展广泛的交流合作,将纳米机理性研究确立为长久的专攻方向。与国内交往的日益频繁也使得陈虹宇思归的念头越发强烈。终于在2016年,考虑到祖国、家庭的需要,应黄维校长的热情邀请,他放弃国外的终身教职,回国落脚南京工业大学,参与组建先进化学制造研究院并担任执行院长。
  一方面紧抓科研建设,另一方面注重行政管理理念的阐发,陈虹宇在先进化学制造院以新加坡的学术模式为蓝本,参与建立起资源分配透明的科研平台。他表示,长期受国外文化熏陶,自己在教学管理、人才培养等方面尚有些不适应,还在积极的磨合阶段。对比国内外的思维差异,陈虹宇则指出从学术创新角度来讲,国内还有很长的一段路要走。“西方文化擅长有逻辑性的反对,这是我们目前缺少的,我们需要有意识地训练年轻人批判权威理念而不是一味服从。”鼓励发挥个体个性,他认为有价值的沟通、讨论则更有利于创造性思维的培养。
  

科研与教育,双管齐下


  人才作为学科发展的主力军,培养过程所需要投入的精力和时间丝毫不亚于学术研究本身。
  尽管回国时间尚短,陈虹宇已经能够清楚地指出国内学生的优势和短板。在他看来,踏实肯干和坚持是好事,但也不能忽略文化和体制影响下的思维惰性。“学生的主人翁意识比较欠缺,不愿意吃透问题,不愿意掌控全局。打一个行车的比喻,国内学生普遍更愿意坐在乘客的位置,而让导师去掌握方向盘。”这是教育管理过程中形成的惯性,也是陈虹宇改善教育形式过程中需要着重琢磨的问题。
  早年在新加坡期间,他便培养出一批批优秀的科研人才,其中有13位在国内高校院所任职教授或者副教授,1位在美国担任助理教授。陈虹宇说,几乎每个学生都被他批评过,这种严格的教育方式和他信奉的“任何人没有压力做不出东西”的理念有着直接的关系。“我经常会和学生讲,学术研究不是一件容易的事。生活中有一两件重要的事很正常,但如果把所有事情都排在学术前边,那么留给思考、实验的时间也就所剩无几,还能指望做出什么?”
  尽管自称严师,陈虹宇仍不忘打造轻松、活泼的治学环境,从管理上谋求更多人性化、个性化的发展。他反复倡导学生和导师相对平等的教育模式,一再强调“科研积极性要有,凡事也要多问一句‘为什么’”。秉承着让学生自我负责的基本原则,陈虹宇表示学生不需要成为他的双手,更希望同年轻人产生思想上的碰撞,希望通过讨论发现新的可能性,从而让学生明白逻辑思维、自主意识的重要性,营造出浓郁的学术创新氛围。与此同时,这些年来陈虹宇一直在努力扭转以人为中心的管理方式,提出要尊重制度本身,并旨在通过协商力求达到规则制定的意见统一。
  直率、随性、敢拼,对待事情永远保有逻辑性和同理心,这就是学生眼中的陈虹宇。他喜欢学生直呼他的名字,鼓励他们建立自己的逻辑思维方式,无论是否是工作日都会为想要讨论问题的学生留出时间。不管是从学生变成同事的多年挚友,还是初来乍到的研究生,无一不称赞他的逻辑能力。同时他们还说,“陈老师从不发脾气,既不死板也不严苛,可以像朋友一般信任”。也有同事笑称他是中西结合体,敢拼敢做、随和且不功利,能够从不同的角度提出看法和建议,凭着对工作的热爱影响周围的人。“他会注重学生的发展,尽可能顾及每一位学生。同时在学术上,他让我意识到‘我们是平等的’,没有老师一定是对的,学生也需要被说服。”“他是真的热爱科研,不单纯地为了工作,在他的感染下,我们也能享受到新发现的快乐”......
  谈及近期的总体规划,陈虹宇表示除了在管理事务、教育方面下工夫外,还想抽更多的时间去工业界转转,去看看他们真正的需求是什么,而自己又可以做哪些创新性转变。“最近几个月,我们才开始全面铺展实验,一开始的主要力量还是放在实验室,但工业化方面的合作也在进行当中。”在各大科研院所、药物研发企业奔波,陈虹宇想要利用纳米合成能力以及相应技术服务于抗癌免疫制剂的研究、石油工业的催化等,希望发挥高效的辅助作用从而推动行业发展。“就药物制剂而言,如何让药物按照既定的方式、速度、特定大小准确进入癌细胞,这是我们需要依靠进一步研究解决的。我相信纳米合成拥有诸多技术优势,目前阶段需要加快产业合作将技术优势体现出来。而我们为落实应用还要继续努力。”
  “短期效益不是衡量成功的唯一标准”。假如满分为10分的话,陈虹宇会给现下的自己打出7分。他强调当前扎稳脚跟是首要的,随着科学研究的不断深入,会逐渐提升研究目标、任务的难度,同时也表示对于新鲜研究的尝试绝不会放弃。陈虹宇说,他一个人能做的事情有限,但还是会在适应环境的同时尝试更多新的思考,希望能提出建设性的方案巧妙地解决问题,竭尽全力为学术发展出谋划策。
  
  
  
专家简介:
  
  陈虹宇,南京工业大学先进化学制造研究院执行院长、江苏省特聘教授、国家“青年千人计划”引进人才。曾任新加坡南洋理工大学化学系副主任、数理学院副院长、理学部副部长等。长期从事纳米科学方向的科研工作,主攻纳米合成与机理研究,包括纳米颗粒在胶体溶液里的组装、双面纳米颗粒的合成、手性纳米结构的形成及机制、纳米圈的合成及其主动的构型转变等,具有丰富的从业经验。先后在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials等国际期刊上发表SCI论文90余篇,总引用数为6800多次,H指数44。

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