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他让“纳米王子”走向大众——访中国科学院院士谢素原
发布时间:2021年12月29日 来源:

早起前往卢嘉锡楼,处理邮件、查阅文献、撰写论文、指导学生、召开组会、操作实验……化学化工学院教授谢素原的一天依旧行程满满。不久前,谢素原当选为2021年中国科学院院士,这份荣誉丝毫没让他放慢科研的脚步。

1996年,谢素原考入厦门大学,师从郑兰荪教授。1999年,谢素原毕业留校任教。如今,在团簇化学领域,谢素原已经“跋涉”二十多年了。从发现“张力释放”和“局域芳香化”原理来稳定新型富勒烯到发明多段燃烧合成法大规模制备多种富勒烯及其衍生物,谢素原一直在突破富勒烯研究的“舒适圈”,向着团簇科学与技术的远方“无人区”迈进。


他征服了活泼的富勒烯


氯化稳定的新型富勒烯

富勒烯是谢素原的重要研究对象,它是继石墨和金刚石之后的第三种碳同素异形体,因为具有笼状的纳米结构和完美的对称特性,其中的典型代表C60被誉为材料界的“纳米王子”。 不过,它的一些兄弟十分任性,“活泼乱跳”一刻不停,谢素原团队的贡献之一就在于利用氯原子把它们稳定下来。

1985年,C60等碳簇的发现,曾掀起多轮碳簇研究的热潮。但富勒烯等碳簇的研究之路,并非一帆风顺。随着研究的开展,C70、C84等比C60更大的富勒烯分子被相继合成并成功分离,而比C60更小的富勒烯合成,却迟迟没有进展。挺进富勒烯“神秘之海”,许多科学家无功而返,渐渐地科学界对它的研究变得有些沉寂。

富勒烯研究热潮的转冷,并没有影响谢素原的研究热情。在他看来,“做科研不能浮躁,不去追热点,不去羡慕别人,认定了就要做到十年、二十年,甚至一辈子的专注。”

2000年初,谢素原应用其在郑兰荪院士指导下博士期间建立的微波等离子体方法,从氯仿合成出1g左右的黑色粉末状混合物,微微散发臭味。混合物内含100多种物质,分离后通过质谱检测,发现一种奇异的原子团簇,比较稳定。质谱确定这种分子包含了50个碳原子和10个氯原子。

为了精确表征出C50Cl10,以证明其拥有独立的笼状结构,谢素原带着团队分离纯化出来的几毫克样品,前往(原)中科院武汉物理与数学研究所测定C50Cl10的13C-NMR谱。一路上,他心里时刻想着珍贵的样品,连放行李都小心翼翼,生怕出现半点儿闪失。时值7月,“火炉”武汉闷热异常。为了防止用以测谱的二硫化碳挥发,谢素原将它带回住所,放置在窗户边,开着空调让其保持低温状态。谢素原几经周折、反复摸索,历经15天27000多次的数据累加,终于测定了C50Cl10的13C-NMR谱确定了结构。

2004年,谢素原及其团队和中科院化学研究所、(原)中科院武汉物理与数学研究所的合作者们在《Science》上发表论文《Capturing the Labile Fullerene[50] as C50Cl10》(活泼富勒烯C50的捕捉),揭示了小富勒烯可以通过氯化的途径得以稳定。之于厦大,这是建国以来发表在《Science》的首篇学术论文,实现了零的突破。这项研究被认为是富勒烯相关学科发展的里程碑。因发现富勒烯而获得诺贝尔化学奖的斯莫利和科罗特教授先后发来电邮祝贺道“这是一项重大的突破”“这将是一项具有深刻影响的成果”。

从最初在质谱图上发现C50Cl10的存在证据,到成功合成、分离并表征出C50,谢素原和团队用了整整四年的时间。要知道,和许多新入职的教师一样,谢素原刚进入化学化工学院,同样面临着“留下来”的压力。在开始工作的四年内都没有重大成果,这无疑是件“危险”的事情。但是,强烈的科学敏锐性给了他巨大的信心,“看到这张质谱图时,我们就应该欢呼雀跃。这就是小富勒烯存在的证据,哪怕要花再大的力气都是值得的。”  

“突破科研瓶颈,首先是要有科学敏感,以此判断是否有坚持的必要;而更重要的是坚持”。谢素原说,“行走在科研的道路上,方向与坚持缺一不可。”


他“兼职”成了工厂的“监工”

成功捕捉到C50之后,谢素原的脚步更快了。

谢素原和团队提出“张力释放”和“局域芳香性”两个原理,以此突破“独立五元环规则”的制约,通过笼外衍生法稳定了占全世界合成总数三分之一以上的含相邻五元环的富勒烯。一系列新型富勒烯由此诞生。

在绿色能源、生物医药、催化剂等领域,富勒烯都具有重要的应用潜力。它不仅是太阳能电池的关键材料,也可作为碳笼外壳对催化剂起到保护和促进作用,还会被添加进化妆品中充当抗氧化因子,更能抑制肿瘤细胞的生长和转移。早在2003年,日本三菱公司对外宣称,将计划实现年产1500吨富勒烯。这个消息曾使谢素原倍感鼓舞。然而,由于合成富勒烯的工艺繁琐,量产难度大,成本高利润少,企业终究只是“雷声大雨点小”,富勒烯的大规模合成与应用没了下文。面对这一严峻的现实,正在美国访学的谢素原决定提前回国,肩负起富勒烯研究和产业化的使命。

“这件事如果连我们这些探索富勒烯的人都不做了,那还有谁会去做呢?”

但是,富勒烯大规模制备所要求的苛刻条件也给他带来了不小的挑战。2009年,谢素原率领团队开始自主设计富勒烯的多段燃烧生产设备。从燃烧喷嘴的数量和排列,到冷凝管材料的选择,甚至小到一颗螺丝的固定位置,谢素原都要一一把关。面对实际生产,仍然有许多不确定的因素。当燃烧腔内真空度过高或者过低,进氧气量过多或过少等等情况,燃烧炉都可能熄火。而一旦熄火,不间断输送进来的燃料产生堆积,将给密闭的燃烧腔带来巨大的危险。谢素原多次往返于工厂与实验室,对设备进行不断地改造与优化。

2013年底,应用燃烧生产设备的公司传来消息,富勒烯的产率一直提不上去。谢素原忧心忡忡,甚至收拾起行李,直接住进了江西的工厂里。12月的江西,夜里气温接近零度。凌晨三点,公司经理出差返回,却发现燃烧设备旁还有一个人影在忙碌。他走近一看,原来是谢素原正裹着大衣在调试设备。在实地攻关的一周多时间里,谢素原满心都是富勒烯产率提升的事情。就算是睡前、凌晨或是半夜,他也依旧放心不下,多次起身只为了再看看设备运行是否正常,参数设置是否合理。

“年轻人不能总想着研究能够使自己获什么利,而是要从科学的角度去考虑问题、解决问题。”谢素原说:“能为科学事业做一点贡献,这才是最重要的。”

现在,谢素原团队已实现从实验室级别的小规模制备、产品中试的扩大生产、到富勒烯工业化的宏量合成的转变。一路走来,谢素原始终秉持着科学家的初心,不去追求热点领域的快速成果,一心只想为富勒烯的发展做出自己的贡献。


他是学生的严师慈父

在谢素原办公桌前贴着三大张备忘录,其中一张详细记录着课题团队每周组会的时间地点。时间从今年10月到明年1月,整整四个月的提前量。地点则含括了思明、漳州和翔安三个校区。

“随着团队的发展,如今课题组实验室分布在思明、漳州和翔安三个校区。为了减少学生的路途劳碌,谢老师都是自己奔波于各校区之间。”看着这张备忘录,谢素原助手张美林解释道。

多年来,不论工作科研任务多繁重,谢素原都会挤出时间参加组会。甚至出差在外,他也会以线上视讯的方式参与。“组会对于课题组来说很平常却又很重要,我可以通过组会了解学生的科研动态,同学们也可以在组会中相互学习交流,开拓思路,碰撞出创新火花。”例行的组会,在谢素原眼里是科研团队发展的重要环节。

其实,在学生眼里,谢素原是一位令人尊敬的师者。他既坚持真理,又低调温和。

走进实验室,谢素原是名副其实的“严师”。他要求团队每一位成员敬畏科学,以严谨的态度面对每一次实验,每一个数据。几年前,学生刚开始用自主研发的高温电弧放电制备碳纳米管时,每一次点火谢素原都亲自在场指导。“每次实验 、每篇论文都要精益求精,止于至善”,回忆起当年,谢素原的学生,现在同为化学化工学院的谭元植教授深有感触,“我的第一篇论文从完成初稿、投稿到见刊,前前后后修改了近百稿,花了近两年的时间。每一次修改稿件,谢老师总会把我叫到身旁,逐字逐句说明修改的理由。”

走出实验室,谢素原则是一位暖心的“慈父”。

“我的办公室永远欢迎你们。”这是这些年谢素原常对学生说的一句话。对于学生,谢素原从不吝啬他的时间。

他了解每位学生的科研进展,关心每位同学的生活。一有空,他就和学生“约饭”,在饭桌上像家人一样谈学习、聊家常。得知学生因家人生病面临经济困难时,他第一时间给予生活补助;毕业后的学生回学校第一件事就是来卢嘉锡楼找他,而他只要出差地有学生,他也每每约上见个面聊下近况。

这几年,谭元植科研团体不断发展,需要更多的实验空间,谢素原也二话不说让出几间实验室。“这其实是一种传承,当年,我的导师郑兰荪教授也是这样为了支持我的发展腾挪了实验室。”谢素原说道。

在富勒烯研究中取得的一项项创新成果,是谢素原科研路上翻过的一座座高山。“接下来,我们将继续推进富勒烯形成机制的研究和催化应用的发展。”在谢素原眼中,越过高山,终点仍在前方。

(宣传部  曹熠婕 毛敏倩 孙娜)


【责任编辑:曹熠婕】
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