十年磨一劍 把冷板凳坐熱

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(fā)現(xiàn)并設(shè)計的有機超長余輝材料制成。本版圖片：安眾福/供圖

對于絕大多數(shù)人，夜明珠是古裝影視劇中才存在的神秘珍寶，它出場時圍觀者定要發(fā)出驚嘆。但科學(xué)不止步于圍觀，而是致力于揭開神秘的面紗。這個能在黑暗中散發(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“長余輝材料”。

科學(xué)家還給這種材料細致地分了類：古裝影視劇中出現(xiàn)的夜明珠屬于天然無機長余輝材料，也叫無機夜明珠;1866年，人類發(fā)明了可以合成這種材料的技術(shù)，便有了合成無機長余輝材料;2010年，一個中國科研團隊發(fā)現(xiàn)并設(shè)計了有機超長余輝材料，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余輝材料，是個冷門，不知道是做還是不做。”當時正在南京郵電大學(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，他們開辟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(fā)表了第五篇與有機夜明珠相關(guān)的國際一流論文。

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多個團隊加入了這一研究領(lǐng)域。同時，近10年來，中國學(xué)者在有機長余輝材料方面的研發(fā)實力一直居于世界“領(lǐng)頭羊”地位。

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

過去，我們更多強調(diào)彎道超車、換道超車。隨著國家對“從0到1”的原始創(chuàng)新的鼓勵和支持，我們必須要為自己開創(chuàng)一條全新的道路，而這個全新的道路是什么?就是開道超車——原始創(chuàng)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(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》雜志報道了一篇與有機夜明珠相關(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(nèi)其他同學(xué)已經(jīng)陸續(xù)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(guān)紫外燈的一瞬間，這個東西怎么還亮著?!”安眾福發(fā)現(xiàn)自己新合成的化合物發(fā)出“一閃而過”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，撤去光源后“它亮了10多秒”。“黃老師也特別興奮，這現(xiàn)象我們之前沒發(fā)現(xiàn)過!”安眾?；貞浀?。

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(fā)光，對于有機材料而言叫做“熒光”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(xiàn)。而且，在有機材料科學(xué)實驗中，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“長時間”發(fā)光，可稱為有機長余輝材料，而他們此次觀測到的磷光卻達10余秒之久，因此他們把這種材料定義為“有機超長余輝材料”——一種“顛覆教科書級別”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)險極大，不是開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，做學(xué)問就是要探索本質(zhì)，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(nèi)工作，創(chuàng)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(xué)質(zhì)疑(Skepticism)、C代表好奇驅(qū)動(Curiosity)、I代表天道酬勤(Industriousness)、E代表奉獻熱忱(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、風(fēng)險大，需要堅持不懈、厚積薄發(fā)。長期以來，我一直鼓勵學(xué)生和團隊成員堅持原始創(chuàng)新;注意觀察細節(jié)，不放過一點一滴的‘不正常’現(xiàn)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(xué)研究工作。”黃維說，這是團隊多年來保持長遠發(fā)展的核心與動力。

在這條冷板凳上，他們孤獨地坐了5年。

2010年磷光一閃之后，時任南京郵電大學(xué)信息材料與納米研究院院長的黃維與其學(xué)術(shù)助手陳潤鋒教授共同指導(dǎo)安眾福等人，經(jīng)過理論探索、實驗研究、國際合作等階段，提出有機超長余輝材料的設(shè)計原則，并驗證了設(shè)計思想的普適性。2015年，他們將有機夜明珠的創(chuàng)新理論和實踐成果發(fā)表于國際頂級科學(xué)雜志《自然·材料》上，黃維團隊也成為了“在全世界第一個報道有機超長余輝材料的成果”的中國科研團隊。

從“偶然發(fā)現(xiàn)”到“必然實現(xiàn)”

通俗地說，發(fā)光材料可以應(yīng)用于社會發(fā)展的各個領(lǐng)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，人工合成的無機長余輝材料安全指示牌仍能幫助人們疏散和撤離，但這種無機材料制備條件和選料都十分苛刻，難以大規(guī)模應(yīng)用，而有機超長余輝材料的制備則簡單低廉并且可實現(xiàn)柔性化;又如，有機超長余輝材料也可以用作鈔票、食品等的防偽標識，甚至用于加密信息傳遞。

當然，實現(xiàn)這些應(yīng)用的前提是科學(xué)家能夠摸清有機超長余輝材料的“脾氣”。在開辟了這一研究領(lǐng)域之后，黃維團隊進一步挖掘這種材料的豐富特性，在理性設(shè)計、性能調(diào)控以及應(yīng)用探索等方面開展研究。

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)，谷龍是他的第一個博士生。與當年安眾福的心情不同，谷龍自踏進這一領(lǐng)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(jīng)相繼有一些團隊投入了這一領(lǐng)域的研究。”谷龍說。而與安眾福的經(jīng)歷相似的是，谷龍也秉承了IAM團隊文化，致力于把“偶然發(fā)現(xiàn)”變?yōu)?ldquo;必然實現(xiàn)”。

“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。” 谷龍回憶，2015年的這一偶然發(fā)現(xiàn)，引出了多彩有機超長余輝材料的調(diào)控機制，到2019年，該團隊在單一晶體中實現(xiàn)了從藍光到綠光連續(xù)調(diào)控的多彩超長余輝發(fā)光。也就是說，他們可以通過采取特定的、不同的激發(fā)方式，讓晶體材質(zhì)的有機夜明珠呈現(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抗。“我們覺得自己做得已經(jīng)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(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，安老師還是覺得不清晰，非得讓我們重新拍。”谷龍和同學(xué)又來到實驗室，由于調(diào)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(xù)了比往常更久的時間。這時谷龍又發(fā)現(xiàn)一個奇怪的現(xiàn)象：“本來不應(yīng)該再發(fā)光的夜明珠，怎么又發(fā)光了?”

這個“偶然”事件被他們牢牢抓住，最終探索出通過調(diào)控刺激光源的照射時長，來控制有機夜明珠發(fā)光狀態(tài)的機制，設(shè)計出了動態(tài)的有機超長余輝材料。

基于動態(tài)有機超長余輝材料的成果，安眾福和谷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余輝材料在黑色背景板上寫字，制成防偽圖案。實驗顯示，當刺激光源對其照射1分鐘后關(guān)閉，背景板上顯示出近似阿拉伯數(shù)字“11”的標識;當刺激光源對其照射5分鐘再關(guān)閉，便顯示出近似字母“H”的標識;當刺激光源照射10分鐘再關(guān)閉，則顯示出了近似阿拉伯數(shù)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(fā)光顯色的狀態(tài)呈現(xiàn)了6種不同的變化。

安眾福認為，基于以上研究成果，有機超長余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(yīng)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余輝材料領(lǐng)域的研究都在變“熱”。谷龍說，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。2019年，該研究方向入選了中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院和科睿唯安公司評選的“化學(xué)與材料學(xué)領(lǐng)域Top10熱點前沿”。

“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，目前國際上約有超過150個科研團隊在該領(lǐng)域開展相關(guān)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(lǐng)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(guān)科研領(lǐng)域占據(jù)“領(lǐng)頭羊”地位。其中，引領(lǐng)該領(lǐng)域的國內(nèi)團隊還有香港科技大學(xué)、華東理工大學(xué)、中山大學(xué)、中國科技大學(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)等機構(gòu)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(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”的歷程，黃維總結(jié)說：“我們所做的，正是堅定不移走中國特色自主創(chuàng)新的道路。一要超前謀劃，獨辟蹊徑，開辟一個領(lǐng)域;二要牽住‘牛鼻子’，對偶然現(xiàn)象多加思考，攻克薄弱環(huán)節(jié);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(yīng)該“加速具有中國標簽成果的創(chuàng)新研究與成果轉(zhuǎn)化”，使“中國制造”邁向“中國創(chuàng)造”，提高我國相關(guān)學(xué)科原始創(chuàng)新和自主創(chuàng)新能力。(張茜)

關(guān)鍵詞： 中國有機夜明珠