劉宇：我們是化工之濱的“捕撈人”

本刊記者 李玉芹

2013年劉宇在美國留學(xué)

專家簡介：

劉宇，華東理工大學(xué)副教授，從事納米多孔吸附材料、電極材料的設(shè)計(jì)、化工熱力學(xué)與計(jì)算機(jī)模擬、分子熱力學(xué)軟件開發(fā)等相關(guān)研究多年，參與國家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃重點(diǎn)支持項(xiàng)目以及主持負(fù)責(zé)青年科學(xué)基金和面上等多項(xiàng)重點(diǎn)研究項(xiàng)目，在Journal of Physical Chemistry Letter 、Langmuir、Journal of Chemical Physics、Physical Review E等國際著名刊物，以第一作者身份發(fā)表了SCI論文數(shù)篇。其博士論文榮獲“2014年上海市優(yōu)秀博士論文”，同時(shí)他還是“2014年華東理工大學(xué)青年英才計(jì)劃”入選者，曾獲得“2015年華東理工大學(xué)化工學(xué)院‘化工之星’”榮譽(yù)。

1994年11月中旬，美國召開了國際上第一次納米材料商業(yè)性會(huì)議，納米材料的發(fā)展和如何縮短其商業(yè)化進(jìn)程成為此次會(huì)議的討論重點(diǎn)；而后，德國在制定21世紀(jì)新材料的發(fā)展戰(zhàn)略時(shí)，將氣凝膠和高效納米陶瓷作為了重大發(fā)展方向；英國、日本緊隨其后，先后制定出納米復(fù)合材料研究計(jì)劃……這一切似乎都在宣示著：納米材料的研究熱潮席卷而來。

那么，納米材料研究究竟有著怎樣一張“面孔”呢？長期從事納米多孔吸附材料研究工作的華東理工大學(xué)副教授劉宇對記者講了這樣的一番話：“不管是納米材料、電極材料，又或者其他，探究它們的本質(zhì)其實(shí)都是為了能夠開發(fā)出新型復(fù)合材料?！彼硎?，自然界中，純天然形成的材料種類數(shù)以億計(jì)，若將每一種都進(jìn)行合成研究顯然是不現(xiàn)實(shí)的。明確材料屬性，從大規(guī)模中“捕撈”出小范圍，這便是研究人員長期以來的使命。

“我們目前的工作是基于理論基礎(chǔ)，通過篩選找出與應(yīng)用效應(yīng)匹配的材料，并利用實(shí)驗(yàn)合成確定它的有效性，從而服務(wù)于化工生產(chǎn)?！痹趧⒂畹慕榻B中，電池材料、電極材料以及為響應(yīng)國家減排號召的汽油脫硫材料都被囊括在內(nèi)，從研究材料本身的屬性到探究材料合成過程發(fā)生的化學(xué)變化，從反復(fù)篩選到反復(fù)試驗(yàn)，每一步都容不得丁點(diǎn)兒懈怠。

時(shí)代召喚 責(zé)無旁貸

被稱為21世紀(jì)最有前途的納米材料，兼具了輻射、吸收、殺菌、吸附等多種功能特性。行業(yè)專家預(yù)測，其勢必會(huì)在醫(yī)療診斷、電子器件、涂層等諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，能源危機(jī)與環(huán)境污染日益泛濫，高效的材料開發(fā)、利用已成為世界性共識。為推動(dòng)我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》明確指出，納米技術(shù)作為可再生能源的重點(diǎn)前沿技術(shù)，承擔(dān)著新材料發(fā)展不可推卸的責(zé)任。其中，納米材料的可控制備、自組裝和功能化，納米材料的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異特性及其調(diào)控機(jī)制，以及納米材料和納米技術(shù)在多領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用等，將成為未來發(fā)展中重點(diǎn)且長期性的研究任務(wù)。

立足研究領(lǐng)域的可視范疇，響應(yīng)國家長遠(yuǎn)規(guī)劃，劉宇與華東理工大學(xué)材料學(xué)院李春忠教授展開合作，將“功能納米材料介尺度結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制與性能調(diào)控規(guī)律”作為大力推進(jìn)項(xiàng)目?！艾F(xiàn)在來講，我們的合作研發(fā)、項(xiàng)目搭建主要在各個(gè)學(xué)院之間展開，依托華東理工大學(xué)的學(xué)科優(yōu)勢，做一些材料結(jié)構(gòu)和性能方面的研究。”

早在2006年，劉宇作為華東理工大學(xué)的碩博聯(lián)讀研究生，跟隨導(dǎo)師胡英院士、劉洪來教授進(jìn)行了分子熱力學(xué)等方向的研究。在劉洪來、胡英導(dǎo)師帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)的探索下，在分子熱力學(xué)和分子傳遞現(xiàn)象、復(fù)雜材料的微相平衡和結(jié)構(gòu)演化等多方向工作展現(xiàn)出不俗成果。化工新材料的納微結(jié)構(gòu)和形成過程及其調(diào)控方法的建立，材料界（面）結(jié)構(gòu)與應(yīng)用性能關(guān)系發(fā)展，以及材料制備和應(yīng)用過程中發(fā)生在納微空間的相變、傳遞和反應(yīng)過程等一系列突出發(fā)現(xiàn)，都為如今重大研究計(jì)劃項(xiàng)目的實(shí)施奠定下深厚的基礎(chǔ)。

在此次項(xiàng)目研究中，針對功能納米材料制備過程中的介尺度問題，團(tuán)隊(duì)圍繞具有三維多級結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體氧化物，及其碳基復(fù)合功能納米材料制備的多相反應(yīng)過程，采用多尺度的平衡態(tài)密度泛函理論、非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論，以及量子化學(xué)計(jì)算和分子模擬結(jié)合的模擬方法，揭示其中原理，闡明發(fā)生過程中的規(guī)律，為材料的理性設(shè)計(jì)、大規(guī)模合成和制備提出新的科學(xué)依據(jù)。

2012年與導(dǎo)師劉洪來教授（右）合照

一筆一劃是自我的書寫

如果說人生是一本自我篆刻的書，劉宇的履歷顯然已經(jīng)足以寫滿厚重的幾頁紙了。

2002年高中畢業(yè)，一方面出于興趣愛好，一方面基于良好的物理基礎(chǔ)，劉宇選擇了湘潭大學(xué)，物理學(xué)成為他日后的發(fā)展方向。但對于這個(gè)選擇，他坦言，自己當(dāng)時(shí)的想法并不明晰。“高中階段，其實(shí)對于專業(yè)的了解程度很有限，考慮到物理相對比較有把握，而自己也恰好喜歡就去學(xué)了，沒有想過要走多遠(yuǎn)?！倍?，多年研究中，他不斷地挑戰(zhàn)自我，開拓發(fā)展。他明確地告訴記者，路確實(shí)選對了，而征程也才剛剛開始。

結(jié)束4年的基礎(chǔ)鋪墊學(xué)習(xí)，劉宇進(jìn)入華東理工大學(xué)進(jìn)行物理化學(xué)方向的碩博連讀。在此期間，他憑借自身成績的優(yōu)異和態(tài)度的勤懇，被學(xué)校選派至新加坡國立大學(xué)進(jìn)行為期兩年的聯(lián)合培養(yǎng)。談及這段經(jīng)歷，劉宇印象很深。“國外學(xué)習(xí)最大的收獲還是對于眼界的擴(kuò)寬?！睅煶薪ㄎ慕淌冢^續(xù)著吸收材料的相關(guān)研究工作。他從自身經(jīng)歷出發(fā)，綜合對比國內(nèi)外人才培養(yǎng)過程，直言：相比國內(nèi)，國外的人才培養(yǎng)模式更為嚴(yán)苛?！叭藗兛偸钦J(rèn)為國外的學(xué)術(shù)氛圍會(huì)輕松一些，至少在我看來并不是。自由更多源于研究方向和溝通交流層面，而并非學(xué)術(shù)工作。在國外期間，我的導(dǎo)師除了專注學(xué)術(shù)之外，對每個(gè)學(xué)生的研究進(jìn)度都盯得很緊，但同樣對于學(xué)生的要求，也會(huì)給予最大的幫助。我和姜教授的接觸時(shí)間很充足，每天下午的四五點(diǎn)鐘總能在實(shí)驗(yàn)室看到他的身影。一旦研究過程有什么問題或者想法都能第一時(shí)間和他討論，聽取他的分析意見，這對我當(dāng)時(shí)的幫助很大?！?/p>

在肯定海外培養(yǎng)經(jīng)歷的同時(shí)，劉宇還不忘表達(dá)對如今團(tuán)隊(duì)中的胡英院士和劉洪來教授的感謝和栽培?！皬拇T博階段開始，兩位恩師對我的影響一直是潛移默化的?！眲⒂钫f道。無論是研究工作，還是項(xiàng)目推動(dòng)，他表示自己都受到了恩師的不少提攜。如今，已經(jīng)身為副教授，投入多個(gè)項(xiàng)目研究之中，他也證明著自己有了獨(dú)當(dāng)一面的能力。

2015年，在環(huán)境污染和能源危機(jī)的大背景下，劉宇將廢氣、廢水的有害物質(zhì)分離，以及開發(fā)清潔高效的新能源過程中所面臨的氣體吸附、分離作為攻克難點(diǎn)，為尋找優(yōu)良的吸附分離材料展開重點(diǎn)研究。在他獲批的國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目中，他把具備高性能吸附能力的新型材料——金屬有機(jī)框架作為研究對象。著眼其材料種類繁多，構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，他遵從“先篩選后合成”的理念，以定向合成代替大規(guī)模合成，最大程度地杜絕時(shí)間、資源的浪費(fèi)，并且極大地提升了新材料的開發(fā)效率。

除此之外，針對金屬有機(jī)框架動(dòng)力學(xué)性質(zhì)研究明顯落后于平衡性質(zhì)的現(xiàn)狀，劉宇提出運(yùn)用模擬和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆椒?，以及發(fā)展動(dòng)態(tài)經(jīng)典密度泛函理論進(jìn)行非平衡態(tài)研究。他解釋說，“傳統(tǒng)意義上，金屬有機(jī)框架的研究多有涉及它的平衡態(tài)。若以水為類比，平衡態(tài)相當(dāng)于一杯靜止的水，而非平衡態(tài)則是讓水流動(dòng)變化，我們當(dāng)前的研究便是面向非平衡態(tài)特有的動(dòng)態(tài)過程。這在國內(nèi)外的研究當(dāng)中尚屬少數(shù)，研究所具有的挑戰(zhàn)性也十分可觀。”

被問及困難和壓力的應(yīng)對之策，劉宇如今很是看得開。“說到底，在研究過程中，你不能否認(rèn)靈感這種東西很重要，有時(shí)候在實(shí)驗(yàn)室思考確實(shí)是想不出東西的，反倒出去散散步，換一個(gè)環(huán)境，說不定需要的東西就突然出現(xiàn)了。”為什么如此說呢？這恰恰是劉宇深切的經(jīng)驗(yàn)之談?！安┦縿偖厴I(yè)，我到美國從事博士后研究。剛到美國，環(huán)境還不太適應(yīng)，加上課題難度又大，半年時(shí)間過去工作幾乎毫無起色?！奔幢悻F(xiàn)在想來，他對于當(dāng)時(shí)一度崩潰的心情還深有感觸。“那時(shí)，每天徘徊在家與實(shí)驗(yàn)室之間，腦袋里卻理不出絲毫頭緒。長時(shí)間下來，也就有了種不服輸?shù)母杏X，想著一定要做出點(diǎn)東西。于是后來干脆離開實(shí)驗(yàn)室，每天到各個(gè)地方散步，邊走邊思考，突然有一天就豁然開朗了?！闭f起這話，劉宇的言語中不免還有些過往的激動(dòng)。

繼往開來 砥礪前行

2014年回國前在美國加州

2014年，劉宇回歸祖國，任職于華東理工大學(xué)。得益于在美國與吳建中教授的交流合作，此時(shí)的他對于基礎(chǔ)性的理論知識胸有成竹?！安┦慨厴I(yè)時(shí)，我感覺自身的理論基礎(chǔ)還有些不牢靠，在美國的這段時(shí)間，那種不踏實(shí)的感覺慢慢消失了?！眲⒂钫f，吳建中教授的研究偏重于理論，這讓他在理論基礎(chǔ)的提升上分外受益，甚至于眼下所做研究工作，其基礎(chǔ)也正是源于那段時(shí)間的積累。

回國之后，劉宇承擔(dān)起多個(gè)地方級專項(xiàng)項(xiàng)目研究，后又以第二負(fù)責(zé)人身份參與了重大研究計(jì)劃重點(diǎn)支持項(xiàng)目，同時(shí)他還主持了國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目和面上項(xiàng)目。據(jù)他講述，“反應(yīng)-傳遞密度泛函理論的構(gòu)建與應(yīng)用”的面上研究是對前兩者的進(jìn)一步推進(jìn)，“前邊的項(xiàng)目研究均是針對非平衡態(tài)發(fā)展，但其中并不包括化學(xué)反應(yīng)，而這次的研究我希望將‘三傳一反’體系能夠結(jié)合起來”。廣泛存在于化工過程中的反應(yīng)—傳遞耦合現(xiàn)象，其解釋和預(yù)測是化工過程和化工裝置設(shè)計(jì)中的重要課題。對此，劉宇帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和經(jīng)典動(dòng)態(tài)密度泛函理論，構(gòu)建反應(yīng)-傳遞密度泛函理論，并旨在將其應(yīng)用于實(shí)際化工過程。

“有關(guān)材料的理論性研究是無法看到最直接的應(yīng)用效益的?！眲⒂钪卑椎馗嬖V記者，并繼續(xù)補(bǔ)充道，“材料理論研究是為了更加接近它的形成機(jī)理，通俗來講就是為了了解它為什么長成現(xiàn)有的樣子，進(jìn)而通過對其機(jī)理的深入探究，為后續(xù)的應(yīng)用發(fā)展給出指導(dǎo)性意見?！弊鳛椤跋蠕h隊(duì)”，理論性研究可謂深藏功與名。

科研之外，長久的深造培養(yǎng)經(jīng)歷讓劉宇對于教學(xué)也有了一番自己的見解。在他看來，學(xué)習(xí)的過程需要源源不斷的動(dòng)力，這對于長期的研究發(fā)展是必不可少的。“身為老師，我們有責(zé)任去通過教學(xué)有意識地培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)性，在教給他們知識的同時(shí)，更應(yīng)該教會(huì)他們?nèi)绾稳W(xué)，怎樣能學(xué)好?！笔谥贼~，更要授之以漁。