謝素原：“富勒烯”研究路上追夢人

◎ 文/段雨默

謝素原：“富勒烯”研究路上追夢人

◎ 文/段雨默

富勒烯是一種碳的同素異形體。

有趣的是，“富勒”原本是一位建筑師的姓氏。

1967年建筑師巴克敏斯特·富勒用六邊形和少量五邊形創(chuàng)造出“彎曲”的表面，為蒙特利爾世界博覽會設計了一個球形建筑物。

正是這個建筑物，為碳族的結構提供了一個重要啟示。

1985年，三位科學家假定含有60個碳原子的簇“C60”包含有12個五邊形和20個六邊形，每個角上有一個碳原子，在萊斯大學制備出了第一種富勒烯，即C60。因為這個分子與建筑學家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，為了表達敬意，三位科學家遂將其命名為巴克明斯特·富勒烯。

后來，任何由碳一種元素組成，以球狀、橢圓狀或管狀結構存在的物質，都可以叫富勒烯。

而這三位科學家，即英國化學家哈羅德·沃特爾·克羅托和美國科學家理查德·斯莫利及其同事羅伯特·柯爾，則因C60的發(fā)現共同獲得了1996年的諾貝爾化學獎。

圍繞這些“球”，一門新型的碳化學隨即發(fā)展起來。

廈門大學教授謝素原

直面科學難題

富勒烯等碳簇的研究之路，并非一帆風順。挺進富勒烯“神秘之海”，許多科學家無功而返，漸漸地科學界對它的研究變得有些沉寂。

面對困難，謝素原卻選擇了堅持，選擇了迎難而上。

謝素原現為廈門大學教授，廈門大學的碳簇研究在國際相關學術領域擁有較高地位。

1999年在鄭蘭蓀院士的課題組獲得博士學位后，謝素原教授向富勒烯等碳簇研究領域的重要科學難題發(fā)起了挑戰(zhàn)，以新型富勒烯的合成為目標，進行了長期的刻苦攻關。

而在當時，富勒烯的研究熱潮正因一些重要科學難題的出現而漸漸退去。

1985年C60等碳簇以及后來納米碳管的發(fā)現，曾掀起了碳簇研究的多輪熱潮。

1985年富勒烯被發(fā)現后，科學界對其形成機理給予了極大關注，先后提出了“五元環(huán)道路”、“富勒烯道路”和“環(huán)重構道路”等機理，但是它們的實驗依據主要是質譜，因為缺乏對反應中間體的結構表征而未能被廣泛接受，這使新型富勒烯的形成問題成為富勒烯科學研究中尚待解決的最基本的科學問題之一。

為解決制約富勒烯科學發(fā)展的瓶頸問題，從根本上促進各種新型富勒烯的合成，謝素原開始了長期艱辛的研究歷程。

功夫不負有心人。他的努力最終贏得了回報，基于精確的結構表征數據，謝素原總結并提出了使數以萬計的新型富勒烯得以穩(wěn)定的“張力釋放”和“局域芳香性”兩個基本原理，并得到了同行的引用和應用。

例如，西班牙皇家化學會主席Martín教授在其評述中寫到：“用張力釋放和局域芳香性兩個原理來預測富勒烯衍生物的穩(wěn)定性是相當有用的”；Jansen教授則應用這兩個原理通過氯化的途徑，合成了C72Cl4、C56Cl12和C68Cl8等新型的富勒烯氯化物，其發(fā)表在J Am Chem Soc、Chem Eur J、Chem Asian J上的三篇論文分別引用了謝素原系列論文中的有關觀點與結論。

謝素原xiesuyu還將其總結的新原理用于籠外衍生穩(wěn)定最具代表性的含相鄰五元環(huán)的新型富勒烯，合成得到了小富勒烯C50、低對稱性的C60、含七元環(huán)的C68、含三順聯五元環(huán)的C66等等，開拓了團簇研究的新領域，并使其和他在廈門大學的研究團隊獲得了國際聲譽。

成果影響國際

逾十年來，謝素原針對團簇化學領域中新型碳簇的合成，進行了執(zhí)著的持續(xù)研究，成功揭示了數量巨大的新型富勒烯合成的可能性，催生了通過籠外衍生穩(wěn)定新型富勒烯的研究新方向，并使該方向成為目前國際富勒烯研究的重要生長點。

由其合成的代表性富勒烯（氯化物）的學術創(chuàng)新點如下：

1.小富勒烯C50

小于C60的富勒烯因其結構不可避免地存在相鄰五元環(huán)，致使其化學性質活潑而難以合成。

早在20世紀80年代中期，C50就因符合團簇幻數規(guī)律而被認為是最有希望合成的小碳簇，然而，科學界合成C50的努力在20多年間卻始終未獲成功，以至于國際上許多研究組因合成與分離的障礙難以逾越，紛紛退出了這一艱辛的研究。

面對困難，謝素原沒有退縮，執(zhí)著地探索，終于迎來成功。后來，他將自己和團隊關于C50Cl10合成的研究成果發(fā)表在國際權威期刊Science（2004, 304，699）上，被認為具有“里程碑”的意義Angew Chem In Ed（43，4690）以兩頁版面Highlight專題評述了這一工作。關于C50的系列論文迄今被他引200多次，多篇施引文獻以第一或第二篇參考文獻來引用該項工作。

C50的捕獲直接激發(fā)了相關的理論或實驗研究。

理查德·斯莫利和哈羅德·沃特爾·克羅托兩位1996年諾貝爾化學獎得主在得知這一成果后，通過Email向研究團隊表示祝賀，并分別評價該成果為：一項重大突破、一項具有重要影響的好結果。

2.低對稱性的C60異構體

碳簇中有關C60的研究最為廣泛，但實驗只能圍繞足球狀的結構（Ih對稱性的C60）而展開。

謝素原于2008年以（唯一）通訊作者身份發(fā)表在Nature Mater（7，790）的文章，揭示了另外兩種C60異構體（C2v和Cs對稱性）的存在，此后他又成功通過燃燒技術以氫化的方式合成了C60H8（J Am Chem Soc 132，15093）。

對此，Nature Chem副主編撰寫Highlight專文，預測了這些特殊結構的C60異構體作為功能材料的應用潛力，諾貝爾化學獎獲得者克羅托教授近期在其關于富勒烯形成機理的研究論文（Nature Commun 3：855）引用時指出，C60異構化的現象深化了人們對富勒烯的形成機理的理解。

3.相鄰五元環(huán)有利的富勒烯

決定富勒烯穩(wěn)定性的“獨立五元環(huán)規(guī)則”于1986年被提出后， 25年間，幾乎被所有試驗無一例外的印證。

后來，謝素原的研究組和德國馬普固體研究所Jansen教授的研究組，分別獨立在J Am Chem Soc同一期（132, 17099和17102）上發(fā)表了一例罕見的、相鄰五元環(huán)有利的富勒烯氯化物（C72Cl4），揭示了一例比獨立五元環(huán)的異構體更穩(wěn)定的含相鄰五元環(huán)的富勒烯的存在，因而，立即引發(fā)了學術界的關注。

該論文發(fā)表后不久，馬德里康普斯頓大學的Martín教授即特地在Angew Chem Int Ed（50, 5431）撰寫了三個版面的Highlight專文給予介紹與評述，認為這是富勒烯科學研究的一個重大發(fā)現。

此外，謝素原還通過籠外衍生方法合成了含七元環(huán)、三個五元環(huán)順聯的富勒烯氯化物，研究了這些普遍存在但又鮮被探索的碳簇的形成機理。這些針對新型碳簇形成的研究工作得到了C&E News（化學工程新聞）、Nature 系列刊物、Angew Chem Int Ed的10余次專文評述與推介。

其中，謝素原關于三順聯五元環(huán)富勒烯的研究工作在Nature Chem上以封面文章的形式發(fā)表后，RSC Chemistry World撰寫專文給予評述，其中引用了來自謝菲爾德大學的理論化學家Fowler教授的評述：可以合成到足夠量用于表征這些分子是令人鼓舞的，諾丁漢大學的Khlobystov教授評價這項工作時，稱贊其為“一項非常漂亮的研究”。

由于這些富有特色的研究，謝素原團隊獲邀在Nature Chem撰寫綜述論文。

據了解，富勒烯在有機太陽能電池、生物醫(yī)藥、超強復合材料等領域具有重要的應用潛力。目前，謝素原及其團隊正將富勒烯作為有機太陽能電池的電子受體材料進行研究。

而作為一類含幾十到幾百甚至上千個碳原子的純碳分子，富勒烯的數量幾乎可以用天文數字來形容，但因大部分富勒烯存在不穩(wěn)定的相鄰五元環(huán)結構單元，在富勒烯的龐大“家族”中，迄今得以合成的不足萬分之一。

謝素原及其團隊的研究，解決了新型富勒烯合成的諸多難題，相關的研究工作被認為“開啟了研究最不尋常富勒烯的化學反應、光學與電子性質及其實際應用的大門”[引自Angew Chem Int Ed（50, 5431）]。

研究組師生與來訪的Echegoyen教授合影

潛心為國育才

在科學研究路上取得的一項項創(chuàng)新成果，構成了謝素原前行的路途中一個個的優(yōu)美景點。

鑒于其對我國科學研究所作出的貢獻，謝素原先后被授予青年化學獎（中國化學會）、國家自然科學獎二等獎（國家獎勵辦）、阿克蘇諾貝爾化學獎（中國化學會）、高等學?？茖W研究優(yōu)秀成果獎（自然科學一等獎）（教育部）等。

同時，他還獲得了“國家杰出青年基金”資助，入選“百千萬人才工程國家級人選”和教育部“長江學者”特聘教授，獲寶鋼優(yōu)秀教師獎（教育部），還作為首席科學家主持國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目——973項目“團簇多級結構的構筑與功能調控”，并被福建省委省政府評為“杰出科技人才”。

除了致力于科學研究，作為廈門大學的青年骨干教師，謝素原秉承了廈門大學老一輩科學家的優(yōu)良傳統，在教學和科研工作中踏實嚴謹、勤奮刻苦、敢于創(chuàng)新、不急功近利、注重對學生全面素質的培養(yǎng)。

1999年畢業(yè)后，謝素原即留校從事化學系本科課程《無機化學》的教學輔導工作，擔當這門課程的助教，開始了自己的教學生涯。2001年，他開始主講《無機化學》課程。

為了成為一名優(yōu)秀的人民教師，謝素原積極探索和改進教學方式，努力營造素質教育氛圍，使學生們改變被動學習為主動學習。他注重傳授給學生最新、最前沿的科技知識，提高學生們對科技發(fā)展趨勢的認識，培養(yǎng)他們對科學研究的興趣。

針對《無機化學》課程的特點和研究性學習的實踐，謝素原先后撰寫了教學論文《無機化學教學與創(chuàng)新素質培養(yǎng)》和《開展研究性學習 提高學生綜合素質》，積極探索教學規(guī)律。另外，他還參與了教學小組的教學研討，推進教學改革，總結教學改革經驗。在集體的共同努力下，《無機化學》課程最終成為了“國家精品課程”。

謝素原也是國內較早參與網絡課程編寫的人，曾參加并完成了廈門大學《無機化學》網絡課程的有關編寫工作。該網絡課程是廈門大學教學改革和教學科研的重要舉措。

2003年到2005年期間，謝素原作為訪問學者到美國Clemson大學進行訪問研究。雖然主要任務是科學研究，但他始終心系教學工作，調研了發(fā)達國家無機化學等有關專業(yè)的教材教法和教學思想，并從中深受啟發(fā)，進而為日后自己提高和完善教學效果打下了基礎。

回國后，他承擔了醫(yī)學院臨床醫(yī)學和預防醫(yī)學專業(yè)基礎課程《無機及分析化學》的教學（主講）任務。此外，還連續(xù)多年承擔了化學人才培養(yǎng)基地“育苗基金”的人才培養(yǎng)工作。

在教學工作中，謝素原始終將激發(fā)學生的科研興趣和提升其實踐能力作為重點，課堂氣氛活躍、互動性強，學生學習興趣濃厚、積極主動，因而教學效果明顯。

路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。成績代表的是過去，展望未來的發(fā)展，還有更多的靚麗風景等著謝素原去一一建造。

我們祝愿謝素原“富勒烯”研究的追夢之旅，越走越精彩。