——记中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室研究员刘彩明

　　□　范佳乐
　　
　　
　　

　　
　　材料是人类生产和生活的重要物质基础，它和能源、信息并列为现代科学技术的三大支柱，其应用已经渗透到生产生活的方方面面。而功能分子材料是材料科学中具有跨时代意义的一支，其涉及面很广，包括光、电功能，磁功能，分离功能，催化功能，形状记忆功能等。它们不但能够替代一些生产生活中的传统材料，还有望提供和创造更多丰富而实用的新性能，其优越性在众多材料中越来越显著。
　　我们在生活中经常看到很多漂亮的建筑和家具，特别是中国古建筑和古家具常常巧妙应用各种榫卯连接，组装成不同的形状和结构。在微观世界里也同样可以进行分子的组装和构筑，通过不同的构筑模块组装成更高级的分子聚集体或超分子，并赋予其特定的功能。刘彩明的科研着重点就在这里，他笑称自己为一名普通的功能分子建筑师。“我们会选择不同的分子构筑模块（如有机配体），通过配位键等作用力将它们和金属离子结点连接，组装成具有特定高级结构（包括零维、一维、二维和三维）的功能分子材料。”在科研世界里笃行多年，他扎根于自己的研究领域，以磁性为研究重心，以晶态分子材料为主要研究对象，从事磁、电、光等功能分子材料或多功能分子材料等领域的研究，取得了一批创新性成果。时间更迭十几载，刘彩明从未改变自己内心的执着。
　　

探索如棋局一般的化学世界

　　围棋的世界变化莫测，不同的下法，可能会将棋局引向不同的境地。在刘彩明看来，化学与围棋有异曲同工之妙，它们均是十分复杂且创造性非常强的领域，化学的元素周期表就如棋盘一样神奇，各种元素的变化组合，会产生不同的化学物质，不同的结构决定了其不同的性质或功能。在化学的世界里，刘彩明一直脚踏实地深入在科研棋局之中。
　　最初，刘彩明主要从事有机合成方向的研究；在南京大学化学化工学院配位化学国家重点实验室攻读博士学位期间，刘彩明师从游效曾院士开展研究工作，接触到了光电磁功能配合物领域，并对此产生了浓厚的兴趣。1998年9月—1999年12月，刘彩明前往瑞典隆德大学无机化学系从事博士后研究，针对金属蛋白酶在人体中的催化作用，开展模拟金属酶结构的配合物研究，取得了一系列成果。2000年他到北京大学化学与分子工程学院稀土化学材料及应用国家重点实验室高松院士课题组，做了一年的高级访问学者，开始把研究重点转向磁性配合物。随后刘彩明到中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室工作，在实验室领导朱道本院士和张德清研究员等人的支持下，继续从事功能分子材料或多功能分子材料等领域的研究。
　　到目前为止，工业上所用的磁性存储材料基本上都是纯无机材料，而内存趋大、存储单元趋小是信息存储产业发展的大势所趋。“如果用传统的物理加工的方法，其存储单元的尺寸大小会受到限制。但在化学领域，分子可以设计成最小的尺度，一个存储单元就是一个分子；而调控又是化学的强项，科学家可以调控分子材料的微结构和功能，做成同时具有铁磁性和铁电性或光学特性的多功能材料，这种多功能分子材料可以对磁场和电场或光响应，实现逻辑态的倍增，从而提高信息存储的密度。”刘彩明说。他始终认为，这一领域有极大的研究潜力亟待挖掘。
　　

致力于分子磁体的化学调控和多功能化研究

　　当今人类已经处于信息社会，很快就会进入人工智能时代，磁性材料作为信息存储的物质基础，一直都是科学研究的焦点。根据摩尔经验定律，信息存储能力的提高对电脑的更新换代起着至关重要的作用。由于对传统磁性存储材料所做器件“自上而下”机械加工的难度限制，科学家们希望通过化学的方法“自下而上”设计组装分子基磁体来解决这一问题，所以分子磁体，特别是分子纳米磁体的研究引起了化学家、材料学家等科学家的广泛兴趣。单分子磁体作为一类在低温下呈现出超顺磁性和磁驰豫行为的纳米尺度分子磁体，有望应用于高密度信息存储、量子计算和分子电子学等领域。
　　在功能分子材料领域中前行多年，刘彩明积累了丰富的研究经验。凭借着自身的研究优势，刘彩明由衷希望自己能做出一些得到同行认可的、有突破的研究成果。因为单个分子的排列取向在晶胞中难以调控，目前对单分子磁体的大多数研究只考虑到分子内的磁矩排列取向问题；刘彩明巧妙地开发了一个体系，将单分子磁体单元之间通过化学键固定成两种不同的三维排列，发现单分子磁体单元的同向排列比两个方向排列具有很明显的磁性优势，这一发现对将来单分子磁体的实用化有指导意义。刘彩明等人还发现在一类Zn-Dy异金属一维链式配合物中，其Schiff碱配体二亚胺上烷基链长度的微小差异（相差一个碳原子）可以引起产物结构的显著变化，导致单分子磁体的能垒值相差很大,从而可以在分子水平上显著调控单分子磁体的结构和性能。以上相关成果均发表在今年的美国权威化学期刊Inorg.Chem.上。在研究中，他们重视采用溶剂热法开展相关探索。“用这种方法往往会得到一些不同于热力学稳态和动力学稳态的亚稳态物质，实现一些研究中的新奇想法。”刘彩明深有体会地说。
　　另外，在实现分子材料多功能化的道路上，“手性”往往可以给材料带来很多有趣的性质，比如铁电性和二阶非线性光学性质；刘彩明一直重视通过对纯手性分子的设计合成，来实现分子材料的多功能化。通过不断探索，刘彩明及其合作者开发了多个体系的既有铁电性又有磁性质的多功能分子材料，发表在J.Am.Chem.Soc.,Chem.-Euro.J.等著名化学期刊上。在磁、光多功能分子材料方面，他们最近成功地用无手性的起始原料通过阴离子模板作用构建了纯手性左手螺旋链Zn-Dy异金属配合物，它既有二阶非线性光学性质又有单分子磁体性质，相关研究成果发表在今年的英国皇家化学会旗舰杂志Chem. Commun.上。此外，他们还合成了一些新型的能发荧光的单分子磁体。
　　迄今为止，刘彩明已在J. Am.Chem.Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.， Chem. Commun.,Chem.-Euro. J., Inorg. Chem.等国际顶级或著名化学杂志上发表SCI研究论文187篇，其中第一作者SCI论文68篇，这些论文已经被他人引用4200多次。通过实践，实现了所在研究领域的不断创新。
　　

研无止境，博采众长

　　2018年，刘彩明申请到了新的国家自然科学基金项目“基于异金属结构单元的新型分子（纳米）磁体和多功能分子材料”。在之前的研究基础上，他们又将在这一领域开展进一步的探索。由于目前单分子磁体的工作温度还很低，要达到实用化还有很长的路要走，这对研究者来说既是挑战更是机遇。“在信息时代，要充分利用大数据进行创新。”刘彩明强调说，“我常用到的大数据是英国剑桥晶体数据库CCDC；无论是开题调研还是写论文，我都要经常检索查阅CCDC，因为它每隔几个月就会更新，这样便可以在研究中做到心中有数。”
　　“各种学科彼此之间是有内在联系的，为了解决某一科学领域里的复杂问题，应该借助一些其他相关的科学知识。”刘彩明始终这样认为。“他山之石，可以攻玉”，在进行科学研究时，他十分注重与物理学科的交叉。除此之外，他还重视与有不同研究背景的科研团队进行交流和合作，近年来，他和葡萄牙里斯本大学、中国科学院高能物理研究所、清华大学、东南大学等单位的相关研究小组开展了颇有成效的合作，并发表了一些合作研究成果。
　　《一万小时天才理论》这本书对刘彩明影响颇深，在他看来，不管做什么事情，只要坚持一万小时，基本上都可以成为该领域的专家。尽管在功能分子材料领域的研究时数已经远远超过了一万小时，但他依然没有减缓自己前行的步伐。“分子材料的铁磁性和铁电性，特别是二者结合的多铁性，已经逐渐成为国际研究的难点和热点。追随着自己多年的研究兴趣和梦想，我希望能在科研中不时打破自己的惯性思维，脚踏实地做出更多创新性的研究成果来。”刘彩明坚定地说。