探索功能的分子建筑師
——記中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員劉彩明

□ 范佳樂

劉彩明在磁性測(cè)量實(shí)驗(yàn)室

材料是人類生產(chǎn)和生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，它和能源、信息并列為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到生產(chǎn)生活的方方面面。而功能分子材料是材料科學(xué)中具有跨時(shí)代意義的一支，其涉及面很廣，包括光、電功能，磁功能，分離功能，催化功能，形狀記憶功能等。它們不但能夠替代一些生產(chǎn)生活中的傳統(tǒng)材料，還有望提供和創(chuàng)造更多豐富而實(shí)用的新性能，其優(yōu)越性在眾多材料中越來越顯著。

我們?cè)谏钪薪?jīng)?？吹胶芏嗥恋慕ㄖ图揖?，特別是中國(guó)古建筑和古家具常常巧妙應(yīng)用各種榫卯連接，組裝成不同的形狀和結(jié)構(gòu)。在微觀世界里也同樣可以進(jìn)行分子的組裝和構(gòu)筑，通過不同的構(gòu)筑模塊組裝成更高級(jí)的分子聚集體或超分子，并賦予其特定的功能。劉彩明的科研著重點(diǎn)就在這里，他笑稱自己為一名普通的功能分子建筑師。“我們會(huì)選擇不同的分子構(gòu)筑模塊（如有機(jī)配體），通過配位鍵等作用力將它們和金屬離子結(jié)點(diǎn)連接，組裝成具有特定高級(jí)結(jié)構(gòu)（包括零維、一維、二維和三維）的功能分子材料?！痹诳蒲惺澜缋锖V行多年，他扎根于自己的研究領(lǐng)域，以磁性為研究重心，以晶態(tài)分子材料為主要研究對(duì)象，從事磁、電、光等功能分子材料或多功能分子材料等領(lǐng)域的研究，取得了一批創(chuàng)新性成果。時(shí)間更迭十幾載，劉彩明從未改變自己內(nèi)心的執(zhí)著。

探索如棋局一般的化學(xué)世界

圍棋的世界變化莫測(cè)，不同的下法，可能會(huì)將棋局引向不同的境地。在劉彩明看來，化學(xué)與圍棋有異曲同工之妙，它們均是十分復(fù)雜且創(chuàng)造性非常強(qiáng)的領(lǐng)域，化學(xué)的元素周期表就如棋盤一樣神奇，各種元素的變化組合，會(huì)產(chǎn)生不同的化學(xué)物質(zhì)，不同的結(jié)構(gòu)決定了其不同的性質(zhì)或功能。在化學(xué)的世界里，劉彩明一直腳踏實(shí)地深入在科研棋局之中。

最初，劉彩明主要從事有機(jī)合成方向的研究；在南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院配位化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室攻讀博士學(xué)位期間，劉彩明師從游效曾院士開展研究工作，接觸到了光電磁功能配合物領(lǐng)域，并對(duì)此產(chǎn)生了濃厚的興趣。1998年9月—1999年12月，劉彩明前往瑞典隆德大學(xué)無機(jī)化學(xué)系從事博士后研究，針對(duì)金屬蛋白酶在人體中的催化作用，開展模擬金屬酶結(jié)構(gòu)的配合物研究，取得了一系列成果。2000年他到北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院稀土化學(xué)材料及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高松院士課題組，做了一年的高級(jí)訪問學(xué)者，開始把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向磁性配合物。隨后劉彩明到中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作，在實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)朱道本院士和張德清研究員等人的支持下，繼續(xù)從事功能分子材料或多功能分子材料等領(lǐng)域的研究。

到目前為止，工業(yè)上所用的磁性存儲(chǔ)材料基本上都是純無機(jī)材料，而內(nèi)存趨大、存儲(chǔ)單元趨小是信息存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨?！叭绻脗鹘y(tǒng)的物理加工的方法，其存儲(chǔ)單元的尺寸大小會(huì)受到限制。但在化學(xué)領(lǐng)域，分子可以設(shè)計(jì)成最小的尺度，一個(gè)存儲(chǔ)單元就是一個(gè)分子；而調(diào)控又是化學(xué)的強(qiáng)項(xiàng)，科學(xué)家可以調(diào)控分子材料的微結(jié)構(gòu)和功能，做成同時(shí)具有鐵磁性和鐵電性或光學(xué)特性的多功能材料，這種多功能分子材料可以對(duì)磁場(chǎng)和電場(chǎng)或光響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)邏輯態(tài)的倍增，從而提高信息存儲(chǔ)的密度?！眲⒉拭髡f。他始終認(rèn)為，這一領(lǐng)域有極大的研究潛力亟待挖掘。

致力于分子磁體的化學(xué)調(diào)控和多功能化研究

當(dāng)今人類已經(jīng)處于信息社會(huì)，很快就會(huì)進(jìn)入人工智能時(shí)代，磁性材料作為信息存儲(chǔ)的物質(zhì)基礎(chǔ)，一直都是科學(xué)研究的焦點(diǎn)。根據(jù)摩爾經(jīng)驗(yàn)定律，信息存儲(chǔ)能力的提高對(duì)電腦的更新?lián)Q代起著至關(guān)重要的作用。由于對(duì)傳統(tǒng)磁性存儲(chǔ)材料所做器件“自上而下”機(jī)械加工的難度限制，科學(xué)家們希望通過化學(xué)的方法“自下而上”設(shè)計(jì)組裝分子基磁體來解決這一問題，所以分子磁體，特別是分子納米磁體的研究引起了化學(xué)家、材料學(xué)家等科學(xué)家的廣泛興趣。單分子磁體作為一類在低溫下呈現(xiàn)出超順磁性和磁馳豫行為的納米尺度分子磁體，有望應(yīng)用于高密度信息存儲(chǔ)、量子計(jì)算和分子電子學(xué)等領(lǐng)域。

在功能分子材料領(lǐng)域中前行多年，劉彩明積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。憑借著自身的研究?jī)?yōu)勢(shì)，劉彩明由衷希望自己能做出一些得到同行認(rèn)可的、有突破的研究成果。因?yàn)閱蝹€(gè)分子的排列取向在晶胞中難以調(diào)控，目前對(duì)單分子磁體的大多數(shù)研究只考慮到分子內(nèi)的磁矩排列取向問題；劉彩明巧妙地開發(fā)了一個(gè)體系，將單分子磁體單元之間通過化學(xué)鍵固定成兩種不同的三維排列，發(fā)現(xiàn)單分子磁體單元的同向排列比兩個(gè)方向排列具有很明顯的磁性優(yōu)勢(shì)，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)將來單分子磁體的實(shí)用化有指導(dǎo)意義。劉彩明等人還發(fā)現(xiàn)在一類Zn-Dy異金屬一維鏈?zhǔn)脚浜衔镏?，其Schiff堿配體二亞胺上烷基鏈長(zhǎng)度的微小差異（相差一個(gè)碳原子）可以引起產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的顯著變化，導(dǎo)致單分子磁體的能壘值相差很大,從而可以在分子水平上顯著調(diào)控單分子磁體的結(jié)構(gòu)和性能。以上相關(guān)成果均發(fā)表在今年的美國(guó)權(quán)威化學(xué)期刊Inorg.Chem.上。在研究中，他們重視采用溶劑熱法開展相關(guān)探索。“用這種方法往往會(huì)得到一些不同于熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài)的亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)一些研究中的新奇想法?！眲⒉拭魃钣畜w會(huì)地說。

另外，在實(shí)現(xiàn)分子材料多功能化的道路上，“手性”往往可以給材料帶來很多有趣的性質(zhì)，比如鐵電性和二階非線性光學(xué)性質(zhì)；劉彩明一直重視通過對(duì)純手性分子的設(shè)計(jì)合成，來實(shí)現(xiàn)分子材料的多功能化。通過不斷探索，劉彩明及其合作者開發(fā)了多個(gè)體系的既有鐵電性又有磁性質(zhì)的多功能分子材料，發(fā)表在J.Am.Chem.Soc.,Chem.-Euro.J.等著名化學(xué)期刊上。在磁、光多功能分子材料方面，他們最近成功地用無手性的起始原料通過陰離子模板作用構(gòu)建了純手性左手螺旋鏈Zn-Dy異金屬配合物，它既有二階非線性光學(xué)性質(zhì)又有單分子磁體性質(zhì)，相關(guān)研究成果發(fā)表在今年的英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)旗艦雜志Chem.Commun.上。此外，他們還合成了一些新型的能發(fā)熒光的單分子磁體。

迄今為止，劉彩明已在J. Am.Chem.Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.， Chem.Commun.,Chem.-Euro. J., Inorg.Chem.等國(guó)際頂級(jí)或著名化學(xué)雜志上發(fā)表SCI研究論文187篇，其中第一作者SCI論文68篇，這些論文已經(jīng)被他人引用4200多次。通過實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了所在研究領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新。

研無止境，博采眾長(zhǎng)

2018年，劉彩明申請(qǐng)到了新的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于異金屬結(jié)構(gòu)單元的新型分子（納米）磁體和多功能分子材料”。在之前的研究基礎(chǔ)上，他們又將在這一領(lǐng)域開展進(jìn)一步的探索。由于目前單分子磁體的工作溫度還很低，要達(dá)到實(shí)用化還有很長(zhǎng)的路要走，這對(duì)研究者來說既是挑戰(zhàn)更是機(jī)遇?！霸谛畔r(shí)代，要充分利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行創(chuàng)新。”劉彩明強(qiáng)調(diào)說，“我常用到的大數(shù)據(jù)是英國(guó)劍橋晶體數(shù)據(jù)庫(kù)CCDC；無論是開題調(diào)研還是寫論文，我都要經(jīng)常檢索查閱CCDC，因?yàn)樗扛魩讉€(gè)月就會(huì)更新，這樣便可以在研究中做到心中有數(shù)?！?/p>

“各種學(xué)科彼此之間是有內(nèi)在聯(lián)系的，為了解決某一科學(xué)領(lǐng)域里的復(fù)雜問題，應(yīng)該借助一些其他相關(guān)的科學(xué)知識(shí)?！眲⒉拭魇冀K這樣認(rèn)為?！八街梢怨ビ瘛?，在進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)，他十分注重與物理學(xué)科的交叉。除此之外，他還重視與有不同研究背景的科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行交流和合作，近年來，他和葡萄牙里斯本大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、清華大學(xué)、東南大學(xué)等單位的相關(guān)研究小組開展了頗有成效的合作，并發(fā)表了一些合作研究成果。

《一萬小時(shí)天才理論》這本書對(duì)劉彩明影響頗深，在他看來，不管做什么事情，只要堅(jiān)持一萬小時(shí)，基本上都可以成為該領(lǐng)域的專家。盡管在功能分子材料領(lǐng)域的研究時(shí)數(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一萬小時(shí)，但他依然沒有減緩自己前行的步伐?！胺肿硬牧系蔫F磁性和鐵電性，特別是二者結(jié)合的多鐵性，已經(jīng)逐漸成為國(guó)際研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。追隨著自己多年的研究興趣和夢(mèng)想，我希望能在科研中不時(shí)打破自己的慣性思維，腳踏實(shí)地做出更多創(chuàng)新性的研究成果來?！眲⒉拭鲌?jiān)定地說。