十年磨一劍 把冷板凳坐熱

0到1，中國(guó)有機(jī)夜明珠“開(kāi)道超車”

有機(jī)夜明珠，由中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)IAM發(fā)現(xiàn)并設(shè)計(jì)的有機(jī)超長(zhǎng)余輝材料制成。本版圖片：安眾福/供圖

對(duì)于絕大多數(shù)人，夜明珠是古裝影視劇中才存在的神秘珍寶，它出場(chǎng)時(shí)圍觀者定要發(fā)出驚嘆。但科學(xué)不止步于圍觀，而是致力于揭開(kāi)神秘的面紗。這個(gè)能在黑暗中散發(fā)光芒的渾圓球體，被科學(xué)家描述為“一種在撤去激發(fā)光源后仍能持續(xù)發(fā)光的特種蓄光型材料”，學(xué)名“長(zhǎng)余輝材料”。

科學(xué)家還給這種材料細(xì)致地分了類：古裝影視劇中出現(xiàn)的夜明珠屬于天然無(wú)機(jī)長(zhǎng)余輝材料，也叫無(wú)機(jī)夜明珠;1866年，人類發(fā)明了可以合成這種材料的技術(shù)，便有了合成無(wú)機(jī)長(zhǎng)余輝材料;2010年，一個(gè)中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)并設(shè)計(jì)了有機(jī)超長(zhǎng)余輝材料，從此世界上便多了一種夜明珠——有機(jī)夜明珠。

“2010年，全世界只有我們一個(gè)團(tuán)隊(duì)在研究有機(jī)長(zhǎng)余輝材料，是個(gè)冷門，不知道是做還是不做。”當(dāng)時(shí)正在南京郵電大學(xué)讀博士的安眾福很糾結(jié)，他的導(dǎo)師黃維則力主深入研究。到現(xiàn)在，他們開(kāi)辟出的科研方向越走越寬，前不久，黃維團(tuán)隊(duì)在世界頂級(jí)期刊發(fā)表了第五篇與有機(jī)夜明珠相關(guān)的國(guó)際一流論文。

但更令人興奮的是昔日“冷門”變“熱門”，據(jù)介紹，目前全球約有150多個(gè)團(tuán)隊(duì)加入了這一研究領(lǐng)域。同時(shí)，近10年來(lái)，中國(guó)學(xué)者在有機(jī)長(zhǎng)余輝材料方面的研發(fā)實(shí)力一直居于世界“領(lǐng)頭羊”地位。

如今，黃維是中國(guó)科學(xué)院院士、西北工業(yè)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)，他把中國(guó)科研在有機(jī)夜明珠領(lǐng)域的原創(chuàng)發(fā)展路徑形容為：開(kāi)道超車。

過(guò)去，我們更多強(qiáng)調(diào)彎道超車、換道超車。隨著國(guó)家對(duì)“從0到1”的原始創(chuàng)新的鼓勵(lì)和支持，我們必須要為自己開(kāi)創(chuàng)一條全新的道路，而這個(gè)全新的道路是什么?就是開(kāi)道超車——原始創(chuàng)新。

我們不妨走近看一看，有機(jī)夜明珠到底是如何在“開(kāi)道超車”上跑出了一條亮麗的風(fēng)景線。

“不正常”現(xiàn)象“顛覆教科書”

現(xiàn)在在新加坡南洋理工大學(xué)工作的谷龍，2月下旬在《自然·通訊》雜志報(bào)道了一篇與有機(jī)夜明珠相關(guān)的前沿成果，他在南京工業(yè)大學(xué)讀博士期間的導(dǎo)師安眾福是通訊作者。電話里，谷龍對(duì)記者激動(dòng)地說(shuō)：“我是站在安老師的肩膀上獲得成績(jī)的。”

其實(shí)，安眾福的肩膀也是一寸寸抬高的。時(shí)間撥回到10年前，安眾福還是黃維的博士生。一天傍晚，組內(nèi)其他同學(xué)已經(jīng)陸續(xù)離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室去食堂，安眾福被一個(gè)合成新化合物的實(shí)驗(yàn)拖住，天色暗下來(lái)才準(zhǔn)備離開(kāi)。“關(guān)紫外燈的一瞬間，這個(gè)東西怎么還亮著?!”安眾福發(fā)現(xiàn)自己新合成的化合物發(fā)出“一閃而過(guò)”的亮光，心想這“不正常”，趕緊跑去告訴黃老師。

黃維來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，和安眾福又改用另一種光源照射這種新材料，撤去光源后“它亮了10多秒”。“黃老師也特別興奮，這現(xiàn)象我們之前沒(méi)發(fā)現(xiàn)過(guò)!”安眾?；貞浀?。

之所以說(shuō)這種情況“不正常”，是因?yàn)樗徒炭茣鴮懙牟灰粯?。普通人所說(shuō)的發(fā)光，對(duì)于有機(jī)材料而言叫做“熒光”或“磷光”。安眾福解釋，教課書上說(shuō)，有機(jī)材料通常很難觀測(cè)到室溫磷光，一般在低溫下比較容易實(shí)現(xiàn)。而且，在有機(jī)材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，撤去激發(fā)光源后還能發(fā)光數(shù)十微秒(1微秒=0.000001秒——記者注)即為“長(zhǎng)時(shí)間”發(fā)光，可稱為有機(jī)長(zhǎng)余輝材料，而他們此次觀測(cè)到的磷光卻達(dá)10余秒之久，因此他們把這種材料定義為“有機(jī)超長(zhǎng)余輝材料”——一種“顛覆教科書級(jí)別”的存在。

在這次偶然發(fā)現(xiàn)之后，黃維決定深耕這一方向。但安眾福心里有些打鼓，做原始創(chuàng)新風(fēng)險(xiǎn)極大，不是開(kāi)天辟地就是誤入歧途，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(yè)?“黃老師常說(shuō)，做學(xué)問(wèn)就是要探索本質(zhì)，要尋根究底”。聽(tīng)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(jì)90年代初期，黃維從新加坡回到國(guó)內(nèi)工作，創(chuàng)立了IAM團(tuán)隊(duì)(即先進(jìn)材料研究院，英文簡(jiǎn)稱 IAM)。他介紹，該團(tuán)隊(duì)逐漸形成了獨(dú)特的“SCIENCE”團(tuán)隊(duì)文化：S代表科學(xué)質(zhì)疑(Skepticism)、C代表好奇驅(qū)動(dòng)(Curiosity)、I代表天道酬勤(Industriousness)、E代表奉獻(xiàn)熱忱(Enthusiasm)、N代表追求創(chuàng)新(Novelty)、C代表創(chuàng)新自信(Confidence)、E代表守望良知(Ethics)。

“基礎(chǔ)研究周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大，需要堅(jiān)持不懈、厚積薄發(fā)。長(zhǎng)期以來(lái)，我一直鼓勵(lì)學(xué)生和團(tuán)隊(duì)成員堅(jiān)持原始創(chuàng)新;注意觀察細(xì)節(jié)，不放過(guò)一點(diǎn)一滴的‘不正常’現(xiàn)象;一旦認(rèn)準(zhǔn)方向，就堅(jiān)定不移地走下去。我們不追捧熱點(diǎn)，堅(jiān)守初心，以甘坐冷板凳的定力和精神從事科學(xué)研究工作。”黃維說(shuō)，這是團(tuán)隊(duì)多年來(lái)保持長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的核心與動(dòng)力。

在這條冷板凳上，他們孤獨(dú)地坐了5年。

2010年磷光一閃之后，時(shí)任南京郵電大學(xué)信息材料與納米研究院院長(zhǎng)的黃維與其學(xué)術(shù)助手陳潤(rùn)鋒教授共同指導(dǎo)安眾福等人，經(jīng)過(guò)理論探索、實(shí)驗(yàn)研究、國(guó)際合作等階段，提出有機(jī)超長(zhǎng)余輝材料的設(shè)計(jì)原則，并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思想的普適性。2015年，他們將有機(jī)夜明珠的創(chuàng)新理論和實(shí)踐成果發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)科學(xué)雜志《自然·材料》上，黃維團(tuán)隊(duì)也成為了“在全世界第一個(gè)報(bào)道有機(jī)超長(zhǎng)余輝材料的成果”的中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)。

從“偶然發(fā)現(xiàn)”到“必然實(shí)現(xiàn)”

通俗地說(shuō)，發(fā)光材料可以應(yīng)用于社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域。安眾福舉例，比如在緊急事件中，當(dāng)重要的公共場(chǎng)所供電中斷，人工合成的無(wú)機(jī)長(zhǎng)余輝材料安全指示牌仍能幫助人們疏散和撤離，但這種無(wú)機(jī)材料制備條件和選料都十分苛刻，難以大規(guī)模應(yīng)用，而有機(jī)超長(zhǎng)余輝材料的制備則簡(jiǎn)單低廉并且可實(shí)現(xiàn)柔性化;又如，有機(jī)超長(zhǎng)余輝材料也可以用作鈔票、食品等的防偽標(biāo)識(shí)，甚至用于加密信息傳遞。

當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用的前提是科學(xué)家能夠摸清有機(jī)超長(zhǎng)余輝材料的“脾氣”。在開(kāi)辟了這一研究領(lǐng)域之后，黃維團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步挖掘這種材料的豐富特性，在理性設(shè)計(jì)、性能調(diào)控以及應(yīng)用探索等方面開(kāi)展研究。

2015年，安眾福轉(zhuǎn)變了身份，走上導(dǎo)師的崗位，就職于南京工業(yè)大學(xué)，谷龍是他的第一個(gè)博士生。與當(dāng)年安眾福的心情不同，谷龍自踏進(jìn)這一領(lǐng)域之初，就知道有機(jī)夜明珠將來(lái)會(huì)閃耀奪目。“那時(shí)，國(guó)際上已經(jīng)相繼有一些團(tuán)隊(duì)投入了這一領(lǐng)域的研究。”谷龍說(shuō)。而與安眾福的經(jīng)歷相似的是，谷龍也秉承了IAM團(tuán)隊(duì)文化，致力于把“偶然發(fā)現(xiàn)”變?yōu)?ldquo;必然實(shí)現(xiàn)”。

“有一天，安老師說(shuō)讓我觀測(cè)一下材料，他說(shuō)這個(gè)材料是藍(lán)色的，但我看到的是綠色的。” 谷龍回憶，2015年的這一偶然發(fā)現(xiàn)，引出了多彩有機(jī)超長(zhǎng)余輝材料的調(diào)控機(jī)制，到2019年，該團(tuán)隊(duì)在單一晶體中實(shí)現(xiàn)了從藍(lán)光到綠光連續(xù)調(diào)控的多彩超長(zhǎng)余輝發(fā)光。也就是說(shuō)，他們可以通過(guò)采取特定的、不同的激發(fā)方式，讓晶體材質(zhì)的有機(jī)夜明珠呈現(xiàn)出不同的余輝顏色。

然而，每一次“偶然”到“必然”的路途都走得十分艱辛，以至于年輕氣盛的谷龍經(jīng)常在心里偷偷和安眾福對(duì)抗。“我們覺(jué)得自己做得已經(jīng)很好了，但老師還是不滿意，總是逼我們?cè)俑摹?rdquo;那些在實(shí)驗(yàn)室里苦戰(zhàn)的故事令谷龍記憶猶新。

“有次我們給夜明珠拍照，已經(jīng)拍了很多次，安老師還是覺(jué)得不清晰，非得讓我們重新拍。”谷龍和同學(xué)又來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，由于調(diào)試相機(jī)用了半個(gè)多小時(shí)，刺激光源對(duì)有機(jī)夜明珠的照射也持續(xù)了比往常更久的時(shí)間。這時(shí)谷龍又發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：“本來(lái)不應(yīng)該再發(fā)光的夜明珠，怎么又發(fā)光了?”

這個(gè)“偶然”事件被他們牢牢抓住，最終探索出通過(guò)調(diào)控刺激光源的照射時(shí)長(zhǎng)，來(lái)控制有機(jī)夜明珠發(fā)光狀態(tài)的機(jī)制，設(shè)計(jì)出了動(dòng)態(tài)的有機(jī)超長(zhǎng)余輝材料。

基于動(dòng)態(tài)有機(jī)超長(zhǎng)余輝材料的成果，安眾福和谷龍做了一個(gè)防偽標(biāo)識(shí)測(cè)試圖。他們用具有水溶性的有機(jī)超長(zhǎng)余輝材料在黑色背景板上寫字，制成防偽圖案。實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)刺激光源對(duì)其照射1分鐘后關(guān)閉，背景板上顯示出近似阿拉伯?dāng)?shù)字“11”的標(biāo)識(shí);當(dāng)刺激光源對(duì)其照射5分鐘再關(guān)閉，便顯示出近似字母“H”的標(biāo)識(shí);當(dāng)刺激光源照射10分鐘再關(guān)閉，則顯示出了近似阿拉伯?dāng)?shù)字“8”的標(biāo)識(shí)……在這一實(shí)驗(yàn)中隨著照射時(shí)間的改變，夜明珠材料發(fā)光顯色的狀態(tài)呈現(xiàn)了6種不同的變化。

安眾福認(rèn)為，基于以上研究成果，有機(jī)超長(zhǎng)余輝材料不久就將具備投入市場(chǎng)的條件，防偽商標(biāo)或許將成為最初的應(yīng)用場(chǎng)景之一。

“開(kāi)道超車”把冷板凳坐熱

在自身取得成績(jī)的同時(shí)，安眾福感到整個(gè)有機(jī)超長(zhǎng)余輝材料領(lǐng)域的研究都在變“熱”。谷龍說(shuō)，2017年到2018年間，該領(lǐng)域的相關(guān)成果呈現(xiàn)出“井噴”的態(tài)勢(shì)。2019年，該研究方向入選了中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院和科睿唯安公司評(píng)選的“化學(xué)與材料學(xué)領(lǐng)域Top10熱點(diǎn)前沿”。

“十年磨一劍”，黃維、安眾福、谷龍等人終于把“冷板凳”坐“熱”。

黃維介紹，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)際上約有超過(guò)150個(gè)科研團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域開(kāi)展相關(guān)研究工作，其中我國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)超過(guò)50%，從科研成果的水平來(lái)看，目前該領(lǐng)域世界一流的科研成果也主要來(lái)自我國(guó)的團(tuán)隊(duì)，說(shuō)明我國(guó)在相關(guān)科研領(lǐng)域占據(jù)“領(lǐng)頭羊”地位。其中，引領(lǐng)該領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)還有香港科技大學(xué)、華東理工大學(xué)、中山大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、武漢大學(xué)、天津大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京師范大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)。在國(guó)際上，日本、新加坡、英國(guó)等國(guó)的團(tuán)隊(duì)也有不俗的進(jìn)展。

與此同時(shí)，黃維團(tuán)隊(duì)仍在進(jìn)一步拓展該領(lǐng)域其他的研究方向。2020年2月，谷龍作為第一作者在期刊發(fā)表的最新成果中，將該材料原有的晶體結(jié)構(gòu)改變成了聚合物結(jié)構(gòu)，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(shuō)法：未來(lái)它可以變成曲面的手機(jī)屏幕，變成衣服，甚至變成女孩子的指甲油……

回顧“開(kāi)道超車”的歷程，黃維總結(jié)說(shuō)：“我們所做的，正是堅(jiān)定不移走中國(guó)特色自主創(chuàng)新的道路。一要超前謀劃，獨(dú)辟蹊徑，開(kāi)辟一個(gè)領(lǐng)域;二要牽住‘牛鼻子’，對(duì)偶然現(xiàn)象多加思考，攻克薄弱環(huán)節(jié);三要‘非對(duì)稱’趕超，在卡脖子的地方下大功夫。”

同時(shí)，黃維提出，應(yīng)該“加速具有中國(guó)標(biāo)簽成果的創(chuàng)新研究與成果轉(zhuǎn)化”，使“中國(guó)制造”邁向“中國(guó)創(chuàng)造”，提高我國(guó)相關(guān)學(xué)科原始創(chuàng)新和自主創(chuàng)新能力。(張茜)

關(guān)鍵詞： 中國(guó)有機(jī)夜明珠