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0到1,中国有机夜明珠“开道超车”

[导读]:对于绝大多数人,夜明珠是古装影视剧中才存在的神秘珍宝,它出场时围观者定要发出惊叹。但科学不止步于围观,而是致力于揭开神秘的面纱。这个能在黑暗中散发光芒的浑圆球体,...

  对于绝大多数人,夜明珠是古装影视剧中才存在的神秘珍宝,它出场时围观者定要发出惊叹。但科学不止步于围观,而是致力于揭开神秘的面纱。这个能在黑暗中散发光芒的浑圆球体,被科学家描述为“一种在撤去激发光源后仍能持续发光的特种蓄光型材料”,学名“长余辉材料”。

  科学家还给这种材料细致地分了类:古装影视剧中出现的夜明珠属于天然无机长余辉材料,也叫无机夜明珠;1866年,人类发明了可以合成这种材料的技术,便有了合成无机长余辉材料;2010年,一个中国科研团队发现并设计了有机超长余辉材料,从此世界上便多了一种夜明珠——有机夜明珠。

  “2010年,全世界只有我们一个团队在研究有机长余辉材料,是个冷门,不知道是做还是不做。”当时正在南京邮电大学读博士的安众福很纠结,他的导师黄维则力主深入研究。到现在,他们开辟出的科研方向越走越宽,前不久,黄维团队在世界顶级期刊发表了第五篇与有机夜明珠相关的国际一流论文。

  但更令人兴奋的是昔日“冷门”变“热门”,据介绍,目前全球约有150多个团队加入了这一研究领域。同时,近10年来,中国学者在有机长余辉材料方面的研发实力一直居于世界“领头羊”地位。

  如今,黄维是中国科学院院士、西北工业大学常务副校长,他把中国科研在有机夜明珠领域的原创发展路径形容为:开道超车。

  过去,我们更多强调弯道超车、换道超车。随着国家对“从0到1”的原始创新的鼓励和支持,我们必须要为自己开创一条全新的道路,而这个全新的道路是什么?就是开道超车——原始创新。

  现在在新加坡南洋理工大学工作的谷龙,2月下旬在《自然·通讯》杂志报道了一篇与有机夜明珠相关的前沿成果,他在南京工业大学读博士期间的导师安众福是通讯作者。电话里,谷龙对记者激动地说:“我是站在安老师的肩膀上获得成绩的。”

  其实,安众福的肩膀也是一寸寸抬高的。时间拨回到10年前,安众福还是黄维的博士生。一天傍晚,组内其他同学已经陆续离开实验室去食堂,安众福被一个合成新化合物的实验拖住,天色暗下来才准备离开。“关紫外灯的一瞬间,这个东西怎么还亮着?!”安众福发现自己新合成的化合物发出“一闪而过”的亮光,心想这“不正常”,赶紧跑去告诉黄老师。

  黄维来到实验室,和安众福又改用另一种光源照射这种新材料,撤去光源后“它亮了10多秒”。“黄老师也特别兴奋,这现象我们之前没发现过!”安众福回忆道。

  之所以说这种情况“不正常”,是因为它和教科书写的不一样。普通人所说的发光,对于有机材料而言叫做“荧光”或“磷光”。安众福解释,教课书上说,有机材料通常很难观测到室温磷光,一般在低温下比较容易实现。而且,在有机材料科学实验中,撤去激发光源后还能发光数十微秒(1微秒=0.000001秒——记者注)即为“长时间”发光,可称为有机长余辉材料,而他们此次观测到的磷光却达10余秒之久,因此他们把这种材料定义为“有机超长余辉材料”——一种“颠覆教科书级别”的存在。

  在这次偶然发现之后,黄维决定深耕这一方向。但安众福心里有些打鼓,做原始创新风险极大,不是开天辟地就是误入歧途,要不要赌上年轻的科研生涯?或是寻找一条更容易的方向及早毕业?“黄老师常说,做学问就是要探索本质,要寻根究底”。听从老师的建议,再加上自己的探索欲,安众福便走上了“寻根究底”之路。

  20世纪90年代初期,黄维从新加坡回到国内工作,创立了IAM团队(即先进材料研究院,英文简称 IAM)。他介绍,该团队逐渐形成了独特的“SCIENCE”团队文化:S代表科学质疑(Skepticism)、C代表好奇驱动(Curiosity)、I代表天道酬勤(Industriousness)、E代表奉献热忱(Enthusiasm)、N代表追求创新(Novelty)、C代表创新自信(Confidence)、E代表守望良知(Ethics)。

  “基础研究周期长、风险大,需要坚持不懈、厚积薄发。长期以来,我一直鼓励学生和团队成员坚持原始创新;注意观察细节,不放过一点一滴的‘不正常’现象;一旦认准方向,就坚定不移地走下去。我们不追捧热点,坚守初心,以甘坐冷板凳的定力和精神从事科学研究工作。”黄维说,这是团队多年来保持长远发展的核心与动力。

  2010年磷光一闪之后,时任南京邮电大学信息材料与纳米研究院院长的黄维与其学术助手陈润锋教授共同指导安众福等人,经过理论探索、实验研究、国际合作等阶段,提出有机超长余辉材料的设计原则,并验证了设计思想的普适性。2015年,他们将有机夜明珠的创新理论和实践成果发表于国际顶级科学杂志《自然·材料》上,黄维团队也成为了“在全世界第一个报道有机超长余辉材料的成果”的中国科研团队。

  通俗地说,发光材料可以应用于社会发展的各个领域。安众福举例,比如在紧急事件中,当重要的公共场所供电中断,人工合成的无机长余辉材料安全指示牌仍能帮助人们疏散和撤离,但这种无机材料制备条件和选料都十分苛刻,难以大规模应用,而有机超长余辉材料的制备则简单低廉并且可实现柔性化;又如,有机超长余辉材料也可以用作钞票、食品等的防伪标识,甚至用于加密信息传递。

  当然,实现这些应用的前提是科学家能够摸清有机超长余辉材料的“脾气”。在开辟了这一研究领域之后,黄维团队进一步挖掘这种材料的丰富特性,在理性设计、性能调控以及应用探索等方面开展研究。

  2015年,安众福转变了身份,走上导师的岗位,就职于南京工业大学,谷龙是他的第一个博士生。与当年安众福的心情不同,谷龙自踏进这一领域之初,就知道有机夜明珠将来会闪耀夺目。“那时,国际上已经相继有一些团队投入了这一领域的研究。”谷龙说。而与安众福的经历相似的是,谷龙也秉承了IAM团队文化,致力于把“偶然发现”变为“必然实现”。

  “有一天,安老师说让我观测一下材料,他说这个材料是蓝色的,但我看到的是绿色的。” 谷龙回忆,2015年的这一偶然发现,引出了多彩有机超长余辉材料的调控机制,到2019年,该团队在单一晶体中实现了从蓝光到绿光连续调控的多彩超长余辉发光。也就是说,他们可以通过采取特定的、不同的激发方式,让晶体材质的有机夜明珠呈现出不同的余辉颜色。

  然而,每一次“偶然”到“必然”的路途都走得十分艰辛,以至于年轻气盛的谷龙经常在心里偷偷和安众福对抗。“我们觉得自己做得已经很好了,但老师还是不满意,总是逼我们再改。”那些在实验室里苦战的故事令谷龙记忆犹新。

  “有次我们给夜明珠拍照,已经拍了很多次,安老师还是觉得不清晰,非得让我们重新拍。”谷龙和同学又来到实验室,由于调试相机用了半个多小时,刺激光源对有机夜明珠的照射也持续了比往常更久的时间。这时谷龙又发现一个奇怪的现象:“本来不应该再发光的夜明珠,怎么又发光了?”

  这个“偶然”事件被他们牢牢抓住,最终探索出通过调控刺激光源的照射时长,来控制有机夜明珠发光状态的机制,设计出了动态的有机超长余辉材料。

  基于动态有机超长余辉材料的成果,安众福和谷龙做了一个防伪标识测试图。他们用具有水溶性的有机超长余辉材料在黑色背景板上写字,制成防伪图案。实验显示,当刺激光源对其照射1分钟后关闭,背景板上显示出近似阿拉伯数字“11”的标识;当刺激光源对其照射5分钟再关闭,便显示出近似字母“H”的标识;当刺激光源照射10分钟再关闭,则显示出了近似阿拉伯数字“8”的标识……在这一实验中随着照射时间的改变,夜明珠材料发光显色的状态呈现了6种不同的变化。

  安众福认为,基于以上研究成果,有机超长余辉材料不久就将具备投入市场的条件,防伪商标或许将成为最初的应用场景之一。

  在自身取得成绩的同时,安众福感到整个有机超长余辉材料领域的研究都在变“热”。谷龙说,2017年到2018年间,该领域的相关成果呈现出“井喷”的态势。2019年,该研究方向入选了中国科学院科技战略咨询研究院和科睿唯安公司评选的“化学与材料学领域Top10热点前沿”。

  黄维介绍,据不完全统计,目前国际上约有超过150个科研团队在该领域开展相关研究工作,其中我国的研究团队超过50%,从科研成果的水平来看,目前该领域世界一流的科研成果也主要来自我国的团队,说明我国在相关科研领域占据“领头羊”地位。其中,引领该领域的国内团队还有香港科技大学、华东理工大学、中山大学、中国科技大学、武汉大学、天津大学、清华大学、上海交通大学、北京师范大学等机构的研究团队。在国际上,日本、新加坡、英国等国的团队也有不俗的进展。

  与此同时,黄维团队仍在进一步拓展该领域其他的研究方向。2020年2月,谷龙作为第一作者在期刊发表的最新成果中,将该材料原有的晶体结构改变成了聚合物结构,这意味着“夜明珠”成为了一种柔性材料,按照通讯作者安众福的说法:未来它可以变成曲面的手机屏幕,变成衣服,甚至变成女孩子的指甲油……

  回顾“开道超车”的历程,黄维总结说:“我们所做的,正是坚定不移走中国特色自主创新的道路。一要超前谋划,独辟蹊径,开辟一个领域;二要牵住‘牛鼻子’,对偶然现象多加思考,攻克薄弱环节;三要‘非对称’赶超,在卡脖子的地方下大功夫。”

  同时,黄维提出,应该“加速具有中国标签成果的创新研究与成果转化”,使“中国制造”迈向“中国创造”,提高我国相关学科原始创新和自主创新能力。

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