0到1,中國有機夜明珠“開道超車”
2020年04月14日05:36

原標題:0到1,中國有機夜明珠“開道超車”

  有機夜明珠,由中國科研團隊IAM發現並設計的有機超長餘輝材料製成。本版圖片:安眾福/供圖

  有機超長餘輝材料的信息加密與防偽標識測試。改變激發光源的照射時間,有機超長餘輝材料發光情況不同。

  對於絕大多數人,夜明珠是古裝影視劇中才存在的神秘珍寶,它出場時圍觀者定要發出驚歎。但科學不止步於圍觀,而是致力於揭開神秘的面紗。這個能在黑暗中散發光芒的渾圓球體,被科學家描述為“一種在撤去激發光源後仍能持續發光的特種蓄光型材料”,學名“長餘輝材料”。

  科學家還給這種材料細緻地分了類:古裝影視劇中出現的夜明珠屬於天然無機長餘輝材料,也叫無機夜明珠;1866年,人類發明了可以合成這種材料的技術,便有了合成無機長餘輝材料;2010年,一個中國科研團隊發現並設計了有機超長餘輝材料,從此世界上便多了一種夜明珠——有機夜明珠。

  “2010年,全世界只有我們一個團隊在研究有機長餘輝材料,是個冷門,不知道是做還是不做。”當時正在南京郵電大學讀博士的安眾福很糾結,他的導師黃維則力主深入研究。到現在,他們開闢出的科研方向越走越寬,前不久,黃維團隊在世界頂級期刊發表了第五篇與有機夜明珠相關的國際一流論文。

  但更令人興奮的是昔日“冷門”變“熱門”,據介紹,目前全球約有150多個團隊加入了這一研究領域。同時,近10年來,中國學者在有機長餘輝材料方面的研發實力一直居於世界“領頭羊”地位。

  如今,黃維是中國科學院院士、西北工業大學常務副校長,他把中國科研在有機夜明珠領域的原創發展路徑形容為:開道超車。

  過去,我們更多強調彎道超車、換道超車。隨著國家對“從0到1”的原始創新的鼓勵和支持,我們必須要為自己開創一條全新的道路,而這個全新的道路是什麼?就是開道超車——原始創新。

  我們不妨走近看一看,有機夜明珠到底是如何在“開道超車”上跑出了一條亮麗的風景線。

“不正常”現象“顛覆教科書”

  現在在新加坡南洋理工大學工作的穀龍,2月下旬在《自然·通訊》雜誌報導了一篇與有機夜明珠相關的前沿成果,他在南京工業大學讀博士期間的導師安眾福是通訊作者。電話裡,穀龍對記者激動地說:“我是站在安老師的肩膀上獲得成績的。”

  其實,安眾福的肩膀也是一寸寸抬高的。時間撥回到10年前,安眾福還是黃維的博士生。一天傍晚,組內其他同學已經陸續離開實驗室去食堂,安眾福被一個合成新化合物的實驗拖住,天色暗下來才準備離開。“關紫外燈的一瞬間,這個東西怎麼還亮著?!”安眾福發現自己新合成的化合物發出“一閃而過”的亮光,心想這“不正常”,趕緊跑去告訴黃老師。

  黃維來到實驗室,和安眾福又改用另一種光源照射這種新材料,撤去光源後“它亮了10多秒”。“黃老師也特別興奮,這現像我們之前沒發現過!”安眾福回憶道。

  之所以說這種情況“不正常”,是因為它和教科書寫的不一樣。普通人所說的發光,對於有機材料而言叫做“螢光”或“磷光”。安眾福解釋,教課書上說,有機材料通常很難觀測到室溫磷光,一般在低溫下比較容易實現。而且,在有機材料科學實驗中,撤去激發光源後還能發光數十微秒(1微秒=0.000001秒——記者注)即為“長時間”發光,可稱為有機長餘輝材料,而他們此次觀測到的磷光卻達10餘秒之久,因此他們把這種材料定義為“有機超長餘輝材料”——一種“顛覆教科書級別”的存在。

  在這次偶然發現之後,黃維決定深耕這一方向。但安眾福心裡有些打鼓,做原始創新風險極大,不是開天闢地就是誤入歧途,要不要賭上年輕的科研生涯?或是尋找一條更容易的方向及早畢業?“黃老師常說,做學問就是要探索本質,要尋根究底”。聽從老師的建議,再加上自己的探索欲,安眾福便走上了“尋根究底”之路。

  20世紀90年代初期,黃維從新加坡回到國內工作,創立了IAM團隊(即先進材料研究院,英文簡稱 IAM)。他介紹,該團隊逐漸形成了獨特的“SCIENCE”團隊文化:S代表科學質疑(Skepticism)、C代表好奇驅動(Curiosity)、I代表天道酬勤(Industriousness)、E代表奉獻熱忱(Enthusiasm)、N代表追求創新(Novelty)、C代表創新自信(Confidence)、E代表守望良知(Ethics)。

  “基礎研究週期長、風險大,需要堅持不懈、厚積薄發。長期以來,我一直鼓勵學生和團隊成員堅持原始創新;注意觀察細節,不放過一點一滴的‘不正常’現象;一旦認準方向,就堅定不移地走下去。我們不追捧熱點,堅守初心,以甘坐冷板凳的定力和精神從事科學研究工作。”黃維說,這是團隊多年來保持長遠發展的核心與動力。

  在這條冷板凳上,他們孤獨地坐了5年。

  2010年磷光一閃之後,時任南京郵電大學信息材料與納米研究院院長的黃維與其學術助手陳潤鋒教授共同指導安眾福等人,經過理論探索、實驗研究、國際合作等階段,提出有機超長餘輝材料的設計原則,並驗證了設計思想的普適性。2015年,他們將有機夜明珠的創新理論和實踐成果發表於國際頂級科學雜誌《自然·材料》上,黃維團隊也成為了“在全世界第一個報導有機超長餘輝材料的成果”的中國科研團隊。

從“偶然發現”到“必然實現”

  通俗地說,發光材料可以應用於社會發展的各個領域。安眾福舉例,比如在緊急事件中,當重要的公共場所供電中斷,人工合成的無機長餘輝材料安全指示牌仍能幫助人們疏散和撤離,但這種無機材料製備條件和選料都十分苛刻,難以大規模應用,而有機超長餘輝材料的製備則簡單低廉並且可實現柔性化;又如,有機超長餘輝材料也可以用作鈔票、食品等的防偽標識,甚至用於加密信息傳遞。

  當然,實現這些應用的前提是科學家能夠摸清有機超長餘輝材料的“脾氣”。在開闢了這一研究領域之後,黃維團隊進一步挖掘這種材料的豐富特性,在理性設計、性能調控以及應用探索等方面開展研究。

  2015年,安眾福轉變了身份,走上導師的崗位,就職於南京工業大學,穀龍是他的第一個博士生。與當年安眾福的心情不同,穀龍自踏進這一領域之初,就知道有機夜明珠將來會閃耀奪目。“那時,國際上已經相繼有一些團隊投入了這一領域的研究。”穀龍說。而與安眾福的經曆相似的是,穀龍也秉承了IAM團隊文化,致力於把“偶然發現”變為“必然實現”。

  “有一天,安老師說讓我觀測一下材料,他說這個材料是藍色的,但我看到的是綠色的。” 穀龍回憶,2015年的這一偶然發現,引出了多彩有機超長餘輝材料的調控機製,到2019年,該團隊在單一晶體中實現了從藍光到綠光連續調控的多彩超長餘輝發光。也就是說,他們可以通過採取特定的、不同的激發方式,讓晶體材質的有機夜明珠呈現出不同的餘輝顏色。

  然而,每一次“偶然”到“必然”的路途都走得十分艱辛,以至於年輕氣盛的穀龍經常在心裡偷偷和安眾福對抗。“我們覺得自己做得已經很好了,但老師還是不滿意,總是逼我們再改。”那些在實驗室里苦戰的故事令穀龍記憶猶新。

  “有次我們給夜明珠拍照,已經拍了很多次,安老師還是覺得不清晰,非得讓我們重新拍。”穀龍和同學又來到實驗室,由於調試相機用了半個多小時,刺激光源對有機夜明珠的照射也持續了比往常更久的時間。這時穀龍又發現一個奇怪的現象:“本來不應該再發光的夜明珠,怎麼又發光了?”

  這個“偶然”事件被他們牢牢抓住,最終探索出通過調控刺激光源的照射時長,來控製有機夜明珠發光狀態的機製,設計出了動態的有機超長餘輝材料。

  基於動態有機超長餘輝材料的成果,安眾福和穀龍做了一個防偽標識測試圖。他們用具有水溶性的有機超長餘輝材料在黑色背景板上寫字,製成防偽圖案。實驗顯示,當刺激光源對其照射1分鍾後關閉,背景板上顯示出近似阿拉伯數字“11”的標識;當刺激光源對其照射5分鍾再關閉,便顯示出近似字母“H”的標識;當刺激光源照射10分鍾再關閉,則顯示出了近似阿拉伯數字“8”的標識……在這一實驗中隨著照射時間的改變,夜明珠材料發光顯色的狀態呈現了6種不同的變化。

  安眾福認為,基於以上研究成果,有機超長餘輝材料不久就將具備投入市場的條件,防偽商標或許將成為最初的應用場景之一。

“開道超車”把冷板凳坐熱

  在自身取得成績的同時,安眾福感到整個有機超長餘輝材料領域的研究都在變“熱”。穀龍說,2017年到2018年間,該領域的相關成果呈現出“井噴”的態勢。2019年,該研究方向入選了中國科學院科技戰略諮詢研究院和科睿唯安公司評選的“化學與材料學領域Top10熱點前沿”。

  “十年磨一劍”,黃維、安眾福、穀龍等人終於把“冷板凳”坐“熱”。

  黃維介紹,據不完全統計,目前國際上約有超過150個科研團隊在該領域開展相關研究工作,其中我國的研究團隊超過50%,從科研成果的水平來看,目前該領域世界一流的科研成果也主要來自我國的團隊,說明我國在相關科研領域佔據“領頭羊”地位。其中,引領該領域的國內團隊還有香港科技大學、華東理工大學、中山大學、中國科技大學、武漢大學、天津大學、清華大學、上海交通大學、北京師範大學等機構的研究團隊。在國際上,日本、新加坡、英國等國的團隊也有不俗的進展。

  與此同時,黃維團隊仍在進一步拓展該領域其他的研究方向。2020年2月,穀龍作為第一作者在期刊發表的最新成果中,將該材料原有的晶體結構改變成了聚合物結構,這意味著“夜明珠”成為了一種柔性材料,按照通訊作者安眾福的說法:未來它可以變成曲面的手機屏幕,變成衣服,甚至變成女孩子的指甲油……

  回顧“開道超車”的曆程,黃維總結說:“我們所做的,正是堅定不移走中國特色自主創新的道路。一要超前謀劃,獨闢蹊徑,開闢一個領域;二要牽住‘牛鼻子’,對偶然現象多加思考,攻剋薄弱環節;三要‘非對稱’趕超,在卡脖子的地方下大功夫。”

  同時,黃維提出,應該“加速具有中國標籤成果的創新研究與成果轉化”,使“中國製造”邁向“中國創造”,提高我國相關學科原始創新和自主創新能力。

中青報·中青網記者 張茜 來源:中國青年報

2020年04月14日 12 版

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