經(jīng)典文獻(xiàn)尋內(nèi)核，實(shí)踐本源求真諦
—指導(dǎo)不相干材料相融的雜化策略是怎樣形成的

江世亮

2018年，有一項(xiàng)獲得上海市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)殊榮的工作，即用“有機(jī)-無機(jī)雜化策略構(gòu)建多功能生物醫(yī)用材料”，由東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的朱美芳院士和陳志鋼教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)獲得。在篩選上海市科委資助的“上海重大科研成果科普化探索”項(xiàng)目時(shí)，標(biāo)題中的“雜化”一詞一下子抓住了我的眼球。因?yàn)樵谶^往幾年里曾不止一次在東華大學(xué)的一些場合聽到朱美芳院士提到“雜化”，所以這次看到“雜化”就很想約她談?wù)勥@個(gè)項(xiàng)目，談?wù)勈裁词请s化。朱老師知道我的想法后讓我先提供一份采訪提綱，我在提綱的第一條里就提出想了解這一技術(shù)涉及的“雜化”的概念和人們通常認(rèn)識(shí)的“雜交”有何區(qū)別？材料科學(xué)家利用“雜化”可以做哪些事？或許是撞上了朱老師的學(xué)術(shù)興奮點(diǎn)，她很快就讓陳志鋼老師安排了此次采訪。

在差不多兩個(gè)小時(shí)的采訪時(shí)間里，“雜化”始終是主題，是主角。整個(gè)過程中，朱老師耐心地給我解釋“雜化”一詞及其概念，并不時(shí)手繪圖表，對名詞術(shù)語做通俗化解釋。也差不多是在采訪過半后我才豁然理解朱老師為什么愿意花這么長時(shí)間和我推究一個(gè)術(shù)語名詞的來龍去脈，其深意或是想由此探討當(dāng)一個(gè)學(xué)科亟待尋求突破或者試圖探求新的發(fā)展動(dòng)力時(shí)，從領(lǐng)域內(nèi)的世界級專家或者科學(xué)史上的經(jīng)典文獻(xiàn)那里尋求智慧指引是多么重要。而我的收獲是比較完整地理解了一個(gè)科學(xué)（術(shù)語）概念的提出及指導(dǎo)科研的過程往往就是某種科學(xué)思想、方法形成和運(yùn)用的過程。運(yùn)用“雜化”這一思想理念可以指導(dǎo)包括新型材料、新型催化劑等在內(nèi)的各種新材料的構(gòu)建，也包括朱美芳他們這次獲獎(jiǎng)?lì)}目中提到的多功能生物醫(yī)用材料的構(gòu)建。顯然“思想”更為重要。下面就讓我們走近這個(gè)一等獎(jiǎng)項(xiàng)目，了解直接推動(dòng)這一獲獎(jiǎng)工作的“雜化”思想、策略形成過程及其價(jià)值。

雜化概念及思想源于鮑林

“雜化”概念是由美國理論化學(xué)家萊納斯·鮑林（Linus Carl Pauling，1901—1994）在其20世紀(jì)30年代初出版的《化學(xué)鍵的本質(zhì)》一書中提出的。鮑林在書中對“雜化”的概念做了這樣的解釋：原子在成鍵過程中，幾個(gè)能量相近的原子軌道根據(jù)成鍵的需要也可以相互疊加混合成幾個(gè)新的原子軌道，這種原子軌道成為“雜化軌道”，而軌道的混合過程稱為“雜化”。鮑林強(qiáng)調(diào)“成鍵”是原子軌道雜化的原因和動(dòng)力，并且只有在成鍵過程中才會(huì)發(fā)生軌道雜化。雖然鮑林的成鍵理論、雜化軌道較為圓滿地解釋了理論化學(xué)界的一些疑惑，但或許理論太超前，在《化學(xué)鍵的本質(zhì)》出版后的一段時(shí)間里這本書并未獲得足夠的重視。差不多50年后的1981年，日本科學(xué)家提出“雜化材料”的概念，出了書、發(fā)了論文，但與纖維材料相關(guān)的雜化材料還沒有出現(xiàn)。

朱美芳說她是在2002年第一次提雜化，雖然她早在1997—1999年間在德國合作做博士學(xué)位論文——關(guān)于有機(jī)納米材料合成及其在聚合物纖維中的應(yīng)用時(shí)，就已經(jīng)多少涉及雜化。朱美芳想到雜化是因?yàn)樗屯挟?dāng)時(shí)在科研上遇到了難以逾越的瓶頸，即如何能把兩個(gè)原來不相干的、不相融的材料結(jié)合起來，產(chǎn)生新的相干的正效應(yīng)。這種不相干材料包括無機(jī)材料與有機(jī)材料，如有機(jī)材料中的高分子與無機(jī)材料中的金屬氧化物、碳材料等的混合。

核心是原子軌道的雜化

如何把原本不相干的東西相干起來，使其發(fā)揮出正效應(yīng)、產(chǎn)生正相干是當(dāng)今新材料研發(fā)的核心與命門所在。但有一段時(shí)間，材料學(xué)界試圖將兩種不相干的材料合二為一的努力均不成功。同樣經(jīng)歷了許多不成功也在努力探求突破點(diǎn)的朱美芳從與國際高分子界大家、美國工程院院士程正迪先生的交流中得到了啟發(fā)，程先生建議不妨重讀鮑林的《化學(xué)鍵的本質(zhì)》。也是在研讀科學(xué)大師的經(jīng)典著作中，朱美芳對雜化的本質(zhì)有了深層的理解：真正的雜化是原子軌道的雜化，是可控的相干；讓能量相近的不同軌道交融起來才是雜化的要義，也即是鮑林提到的雜化軌道的原初概念。

在反復(fù)研讀經(jīng)典的基礎(chǔ)上，朱美芳得出了：從A（合金等）、 B（共混方法）、C（復(fù)合物）到H（雜化）的模式，進(jìn)一步理解了雜化是不同尺度的可控性；兩種及以上的組分間的作用可以是強(qiáng)相互作用或弱相互作用，但必須是可控的、精準(zhǔn)的。

重新定義高分子的討論影響深遠(yuǎn)

程正迪先生本人也是雜化概念的踐行者、推動(dòng)者。早在2005年，時(shí)任美國阿克倫大學(xué)高分子科學(xué)系主任的程先生提出要重新定義高分子，并發(fā)起了持續(xù)一段時(shí)間的學(xué)界討論。這一討論的效應(yīng)及其影響已經(jīng)超越了高分子化學(xué)本身。要知道發(fā)端于20世紀(jì)20年代的高分子學(xué)科形成不久就帶動(dòng)了高分子產(chǎn)業(yè)的勃興，開始了用化學(xué)方法制備合成高分子的時(shí)代。歷經(jīng)80余年的學(xué)科演進(jìn)，高分子及其相干的科學(xué)技術(shù)門類已臻成熟。而對學(xué)科穩(wěn)態(tài)一直持有強(qiáng)烈警惕的程正迪院士那段時(shí)間和一批同行都在思考高分子的未來之路，這正是2005年程先生等發(fā)起國際高分子界重新定義高分子討論的背景。朱美芳說盡管高分子重新定義的討論與雜化并不直接相關(guān)，但這種要打破現(xiàn)狀，探求新路的舉動(dòng)深深觸動(dòng)了她。特別是程先生提出的“學(xué)科就如同一個(gè)人一樣，也是有生命周期的，有它的幼年期、成長期、相對成熟期到衰老期”的認(rèn)識(shí)深深影響了朱美芳：只有勇于打破穩(wěn)態(tài)，才有望找到學(xué)科得以繼續(xù)蓬勃發(fā)展的新生點(diǎn)。朱美芳由此想到無機(jī)材料、有機(jī)材料歷經(jīng)這么多年，其實(shí)也都到了其生命周期的穩(wěn)態(tài)期，如何打破這樣一種學(xué)科穩(wěn)態(tài)是很值得思考的。正如程先生所說：人（物種）的最穩(wěn)定態(tài)就是死亡了。

前瞻性、包容性和應(yīng)用性引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展

朱美芳說，在高分子重新定義討論中，程先生提出過高分子科學(xué)未來的發(fā)展應(yīng)著眼三個(gè)性：前瞻性、包容性和應(yīng)用性。如何理解這三性？她在和程先生討論中議論了蜘蛛并得到了啟示。蜘蛛這一生物早在距今4億多年前的泥盆紀(jì)時(shí)代就存在了，可謂這個(gè)星球最長壽的生物之一了。蜘蛛為什么能這么長壽？有人說這很可能與其品類極為豐富有關(guān)。已知蜘蛛品種有4萬多種（中國就有4 000多種），正是物種如此的多樣，與環(huán)境及其他物種的包容，它才能應(yīng)對無數(shù)的自然災(zāi)變而幸存至今。學(xué)科的發(fā)展其實(shí)也和物種的存續(xù)有共通之處——只有不斷保持多樣性、包容性才能使學(xué)科之樹常青。

而對前瞻性，朱美芳認(rèn)為關(guān)于高分子定義的討論及其引出的一些結(jié)論都是具有前瞻性的。朱美芳進(jìn)一步談到2021年年初她和程院士交流時(shí)程院士對前瞻性的洞見：不能只是考慮現(xiàn)在的卡脖子問題，要有前瞻性，要有自己的想法，不能只是從paper到paper，要從現(xiàn)實(shí)中找問題。與此直接相關(guān)的是，程正迪和朱美芳兩位院士都認(rèn)為本本主義是現(xiàn)今阻礙創(chuàng)新的一大痼疾。說到這里，朱美芳再次回溯經(jīng)典。有效對抗本本主義的一個(gè)范例是17世紀(jì)英國最杰出的科學(xué)家之一的羅伯特·胡克（Robert Hooke，1635—1703）。他在力學(xué)、光學(xué)、天文學(xué)等多領(lǐng)域都有重大成就。胡克定律的提出不是從文獻(xiàn)到文獻(xiàn)的產(chǎn)物，他的許多發(fā)明都是從顯微鏡中觀測得來的，而且他會(huì)把顯微鏡中看到的東西都手繪出來。

回到本源，回到雜化的機(jī)理上

回到這次獲獎(jiǎng)工作的核心雜化策略本身，朱美芳?xì)w納為：求諸“雜化”，蓋因兩種不相干材料混合后性能上不去。各種嘗試后（如高分子加氧化亞銅、二氧化鈦、二氧化硅等）毫無起色，后來做到納米級時(shí)有些苗頭了，但又發(fā)現(xiàn)只能做一個(gè)體系，換一下就不行了。多方碰壁后最終還是回到本源，回到對化學(xué)鍵、對雜化機(jī)理的重新認(rèn)識(shí)上，也就是上文講到的朱美芳及其團(tuán)隊(duì)成員重讀鮑林《化學(xué)鍵的本質(zhì)》一書的來龍去脈。而“有機(jī)-無機(jī)雜化策略構(gòu)建多功能生物醫(yī)用材料”獲得2018年上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)至少表明他們運(yùn)用雜化策略，把不相干的兩種材料合二為一這條路走通了，這也成為雜化思想提出近百年后的一次具有標(biāo)志性意義的案例?；蛟S這是認(rèn)識(shí)和理解這一科研成果價(jià)值和意義的要旨所在。

雜化策略指導(dǎo)下的創(chuàng)新實(shí)踐

順著這個(gè)要旨，接受采訪的陳志鋼老師給我介紹了他們運(yùn)用雜化策略在構(gòu)建多功能生物醫(yī)用材料方面的實(shí)踐及進(jìn)展。首先該項(xiàng)目希望研制出針對癌癥、細(xì)菌感染等疾病急需的新型生物醫(yī)用材料。針對傳統(tǒng)高分子生物醫(yī)用材料功能單一而無機(jī)功能材料生物相容較差、功能與缺陷難以調(diào)控，限制了其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等瓶頸性難題， 項(xiàng)目組提出用有機(jī)-無機(jī)雜化方法來制備兼具高分子與無機(jī)材料本征特性的新一代多功能生物醫(yī)用材料。具體創(chuàng)新點(diǎn)是：提出了用納米材料構(gòu)筑高性能高分子水凝膠——以無機(jī)納米材料構(gòu)筑高分子網(wǎng)絡(luò)，制備具有高力學(xué)性能的水凝膠材料，這種材料已證明在人工韌帶、人工肌肉等仿生領(lǐng)域有很強(qiáng)的應(yīng)用前景；發(fā)展了電場誘導(dǎo)構(gòu)筑無機(jī)-高分子雙載體雜化功能纖維的新途徑——利用靜電紡絲技術(shù)實(shí)現(xiàn)了藥物和無機(jī)載體的簡單快速封裝制備，得到了雙載體雜化功能納米纖維，這種材料可廣泛應(yīng)用于組織工程和藥學(xué)領(lǐng)域；建立了高分子限域內(nèi)原位生長無機(jī)納米診療平臺(tái)的新方法，研發(fā)了一系列可用于腫瘤模型診斷治療的新型納米診療試劑。

孫桐：雜化思想乃康莊大道

朱美芳院士對我說，以上工作都還是前幾年的，隨著對雜化本質(zhì)的進(jìn)一步理解，這兩年他們對雜化的認(rèn)識(shí)又進(jìn)入一個(gè)新的層面：從以組分為主的雜化到不同形狀、尺度、維度、組分的雜化；從有機(jī)-有機(jī)雜化到無機(jī)-有機(jī)、有機(jī)-無機(jī)的雜化。實(shí)際上就是物種多樣化的反映。

朱美芳回憶起2005年向她的本碩導(dǎo)師孫桐教授匯報(bào)雜化工作及其前景時(shí)，孫老師的一番話她時(shí)在心頭。孫老師說，雜化材料可以做50年，甚至還可以拿諾貝爾獎(jiǎng)，因?yàn)殡s化材料是有包容性的，雜化思想是康莊大道。雜化及雜化材料相當(dāng)于道和器的關(guān)系，可以不斷延伸出去。朱美芳說，導(dǎo)師的這番話一直激勵(lì)她和團(tuán)隊(duì)不停歇地把“雜化”這座富礦深耕下去。

雜化思想及策略指導(dǎo)下的實(shí)例

催化過程大大加快知道我想要雜化思想引導(dǎo)下構(gòu)建新材料的案例，朱老師把材料學(xué)院項(xiàng)目組的兩位年輕人叫來一起討論。一位是主攻催化劑材料研發(fā)的左偉偉研究員，一位是更年輕一點(diǎn)的從事雜化材料研發(fā)的王瑞莉講師。左偉偉告訴我，他們希望研制的新型催化劑會(huì)在制藥原料合成、石油天然氣轉(zhuǎn)化、材料可循環(huán)利用等方面有更優(yōu)異的表現(xiàn)。傳統(tǒng)催化劑的核心材料鉑、銠等貴金屬催化效率高，但費(fèi)用高、毒性強(qiáng)，而鉀鈣鐵等便宜的金屬毒性低、電子軌道低、性能相對差。左偉偉他們利用無機(jī)-有機(jī)雜化的思想，根據(jù)催化性能來設(shè)計(jì)新的催化劑。由于單一無機(jī)成分性能很差，課題組就用有機(jī)來補(bǔ)充。后續(xù)實(shí)驗(yàn)效果顯示，利用無機(jī)-有機(jī)協(xié)同成分雜化的催化劑顯示出1+1遠(yuǎn)大于2的效果。例如：在纖維材料的循環(huán)利用中，如用便宜的毒性低的金屬加上有機(jī)的成分形成無機(jī)-有機(jī)雜化催化劑，可大大加快纖維材料的降解速率，顯示出可與貴金屬催化劑媲美（甚至更好）的活性。這也是迄今任何單一有機(jī)或無機(jī)材料都達(dá)不到的催化效果。左偉偉告知，之所以有這樣的效果就是因?yàn)闊o機(jī)有機(jī)的這兩種物質(zhì)在分子軌道層面上實(shí)現(xiàn)了雜化，也就是這兩種材料在兩種軌道間能根據(jù)反應(yīng)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)移。正是基于這樣的科學(xué)原理，使得從大分子降成小分子，或小分子聚合成大分子的催化過程大大加快。

開發(fā)出可替代進(jìn)口的齒科材料王瑞莉提供的案例來自口腔材料，具體來說，即傳統(tǒng)補(bǔ)牙的樹脂材料如何借助雜化手段制備出更具耐磨性、力學(xué)性能更好的齒科填充材料。王瑞莉介紹，這個(gè)口腔材料研發(fā)需求來自上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院口腔修復(fù)醫(yī)生。當(dāng)時(shí)（2010年）齒科樹脂材料基本上是國外進(jìn)口材料一統(tǒng)天下，收費(fèi)很貴，使用中還時(shí)有問題，醫(yī)生希望有國產(chǎn)的材料替代進(jìn)口。經(jīng)近10年的研發(fā)，并先后得到863項(xiàng)目、國家重大研發(fā)項(xiàng)目支持，目前王瑞莉他們研制的齒科雜化材料已進(jìn)入臨床前審批。王瑞莉告訴我，通常使用的無機(jī)相是大顆粒加小顆粒，他們借助雜化策略，用多種小顆粒有效聚合成外觀尺寸和傳統(tǒng)大顆粒接近的材料，但其核心由多組分、多功能的小粒子聚合，如此可以避免大顆粒易整體脫落的問題。這種齒科填充料以往都是某國外著名公司一統(tǒng)天下，東華-正海-九院等合作研制的雜化齒科填充材料綜合性能與國外進(jìn)口復(fù)合樹脂性能持平，但在力學(xué)性能、美觀性、耐磨性等指標(biāo)上都勝過對方，而價(jià)格只是進(jìn)口材料的1/3。

后記

此次有機(jī)會(huì)了解2018年上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)的工作——“有機(jī)-無機(jī)雜化策略構(gòu)建多功能生物醫(yī)用材料”，特別是對主要完成人的采訪讓我非常興奮，因?yàn)檫@是一次不同以往這類訪問的訪談，受訪人朱美芳院士沒有多述及這項(xiàng)工作的技術(shù)細(xì)節(jié)及其效應(yīng)，而更多探討了指導(dǎo)他們這項(xiàng)工作的科學(xué)思想、理論的源頭所在：正是科學(xué)大師及經(jīng)典文獻(xiàn)給予了他們理解問題真諦的理論滋養(yǎng)，進(jìn)而在不斷實(shí)踐探索中尋求到破除瓶頸之道。相信這樣一種創(chuàng)新感悟及治學(xué)之道不僅是當(dāng)今在創(chuàng)新之路上努力探求的人們所需要的，也會(huì)給各行各業(yè)的工作者帶來些許啟示。感謝程正迪院士、朱美芳院士不同凡響的學(xué)術(shù)高度讓我有機(jī)會(huì)通過采訪接近了真理。這是一位科學(xué)記錄者的榮幸。