研制科學(xué)工具 度量復(fù)雜世界

劉新華

化學(xué)測量學(xué)，是國家自然科學(xué)基金委對化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重要布局，旨在通過建立測量方法獲取化學(xué)信息，從而解釋復(fù)雜的化學(xué)世界。化學(xué)測量學(xué)研究范疇很廣，既包括基本的原理，也包括儀器裝置的研制。以細(xì)胞體系的熱動力學(xué)測量為例，首先要有測量的理論依據(jù)，然后要有合適的儀器裝置?！白灾餮兄茖?shí)驗(yàn)儀器和裝置，是我們研究工作的常態(tài)?！蹦暇┐髮W(xué)化學(xué)化工學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師康斌說。

通過化學(xué)測量獲取新的化學(xué)信息，一方面有望拓展人們對化學(xué)世界的基本認(rèn)知，另一方面也可促進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用?！坝械难芯慷唐诳梢钥吹匠晒?，有的研究卻需要較長時(shí)間來體現(xiàn)價(jià)值?！痹谶@個(gè)極度考驗(yàn)?zāi)托暮投Φ念I(lǐng)域，康斌深耕了近十年。

深于一行，仍應(yīng)廣通

康斌出生于山西偏遠(yuǎn)山區(qū)，自幼家境貧寒。高中時(shí)期，康斌在全國化學(xué)競賽中獲獎，恰逢南京航空航天大學(xué)對競賽得獎學(xué)生有特殊的招生政策，于是他去了南航讀書。提起求學(xué)經(jīng)歷，康斌對國家的培養(yǎng)心懷感恩、刻骨銘心。他激動地說：“我的大學(xué)有點(diǎn)不太一樣。從一入學(xué)就獲得了本碩博的特殊培養(yǎng)機(jī)制。每年還有1萬塊錢的特別獎學(xué)金，基本可以自給自足。”

懷著這份感恩之心，康斌開啟了從本科到博士的求學(xué)之路。在碩士階段，康斌被我國著名核技術(shù)專家陳達(dá)院士選中，從應(yīng)用化學(xué)轉(zhuǎn)到了核物理。主修核物理期間，他廣泛汲取了多種學(xué)科的知識，不僅有物理和化學(xué)，還有工程數(shù)學(xué)、信號處理等。這種交叉學(xué)科背景，為他后來的科研工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?？当笳f：“當(dāng)年這種理工結(jié)合的多學(xué)科訓(xùn)練，迄今讓我受益良多?！笔聦?shí)上，讓康斌受益良多的還有一個(gè)在他學(xué)術(shù)方面，甚至人生方面都扮演重要角色的導(dǎo)師——陳達(dá)院士?？当蠡貞浾f，陳達(dá)院士將自己的一生都奉獻(xiàn)給了祖國的核事業(yè)。這種“干驚天動地事，做隱姓埋名人”的奉獻(xiàn)精神和家國情懷，對他影響至深。

為了未來能在重要崗位發(fā)揮作用，在國家留學(xué)基金支持下，康斌赴美國佐治亞理工學(xué)院進(jìn)行博士聯(lián)合培養(yǎng)。在美國科學(xué)院院士Mostafa El-Sayed教授的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)飛秒激光測量技術(shù)?？当蠼榻B說：“飛秒激光是一項(xiàng)非常有用的技術(shù)，不僅在化學(xué)、物理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，甚至也用于核工業(yè)領(lǐng)域。比如美國的國家點(diǎn)火裝置，就是用激光約束來控制核聚變?！?/p>

這段留學(xué)經(jīng)歷促進(jìn)了康斌科研風(fēng)格的轉(zhuǎn)變?？当蠼忉屨f：“出國以前，我還習(xí)慣于追隨國際最先進(jìn)、最熱門的方向做研究。但El-Sayed教授似乎不太關(guān)心什么熱門，他只關(guān)注未來科學(xué)發(fā)展過程中可能需要解決的問題。這種超越現(xiàn)在、著眼未來的科學(xué)視野，對我的科學(xué)品位影響深遠(yuǎn)?！痹谧糁蝸喞砉ね瓿刹┦亢笱芯亢?，康斌回國在南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院任職，正式開啟化學(xué)測量學(xué)研究之路。

嚼得菜根，做得大事

在多年的專業(yè)研究中，陳達(dá)院士和El-Sayed教授的一言一行，潛移默化中影響著康斌。憑借多年的學(xué)習(xí)、研究經(jīng)驗(yàn)，康斌在領(lǐng)域內(nèi)不斷闖關(guān)。他舉例說：“在美學(xué)習(xí)時(shí)，我和El-Sayed教授一致認(rèn)為，生命系統(tǒng)中的能量漲落和熱動力學(xué)一定是未來非常重要的研究領(lǐng)域。然而從普利高津的耗散結(jié)構(gòu)理論之后，生命熱力學(xué)一直沒有重大突破。所以對諸如，‘簡單有機(jī)物是怎么形成細(xì)胞的？熱力學(xué)規(guī)律在其中起什么作用？等非?；镜目茖W(xué)問題，依然知之甚少。在微觀尺度上，傳統(tǒng)維象的熱動力學(xué)理論可能不再適用，還需要考慮量子現(xiàn)象?！?/p>

除了理論的不完善，要回答以上問題，更重要的是要基于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?？当蠼榻B說，如果能在維持生命結(jié)構(gòu)功能的基本單元，即單個(gè)細(xì)胞里面，把一些熱動力學(xué)參量和過程準(zhǔn)確測量出來，將有助于問題的理解?！暗?dāng)時(shí)在美國我們做不到。一是受限于當(dāng)時(shí)的儀器測量水平;二是沒有足夠的科研經(jīng)費(fèi)支持去研發(fā)一套專用儀器設(shè)備。”

這個(gè)在美國沒能實(shí)現(xiàn)的夢想后來在中國實(shí)現(xiàn)了。康斌回國的時(shí)候，南京大學(xué)陳洪淵院士正在為其主持的國家重大科學(xué)儀器專項(xiàng)“單細(xì)胞時(shí)空分辨分子動態(tài)分析系統(tǒng)”招賢納士?？当髱е恋矶嗄甑乃伎己图夹g(shù)特長加入研制團(tuán)隊(duì)，全身心投入到儀器的研制中。自主科學(xué)儀器研制周期長，涉及學(xué)科知識復(fù)雜，康斌和項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)夜以繼日、攻堅(jiān)克難、大膽嘗試，解決了一個(gè)又一個(gè)的技術(shù)難題。歷經(jīng)5年的不懈努力，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)完成了從0到1的突破?！拔覀兊膬x器在復(fù)雜體系測量中具有非常高的時(shí)間和空間分辨能力，非常適合研究微觀尺度如細(xì)胞里面的物質(zhì)運(yùn)動和能量漲落，有望在單細(xì)胞熱動力學(xué)測量上有一些新的突破?！笨当笮老驳卣f，“而且這還只是一個(gè)開端，未來還有更多可以突破的方向?！?/p>

談起和陳洪淵院士的奇妙機(jī)緣，以及在陳先生麾下耳提面命的幾年，康斌有頗多感慨。他說，回國之初，在科研方向選擇上心存顧慮，是做“短平快”還是做“原創(chuàng)”？“原創(chuàng)研究需要時(shí)間和過程，不可能一蹴而就;青年教師考核壓力大，三五年過去一無所獲怎么辦？”了解到康斌的兩難境地，陳洪淵院士多次在午飯時(shí)間鼓勵他?？当蠡貞浾f：“陳老師跟我講他個(gè)人學(xué)術(shù)生涯的故事，講南大分析學(xué)科發(fā)展過程經(jīng)歷過的困難時(shí)期，回顧科學(xué)史上重大突破經(jīng)歷的‘黎明前的黑暗，從辯證法、方法論上幫我理清頭緒。同時(shí)，在科研經(jīng)費(fèi)、儀器設(shè)備、研究生配備上給予我大力支持。”慢慢地，康斌吃下“定心丸”，決定“啃”這塊“硬骨頭”。

回頭來看，當(dāng)時(shí)的選擇無疑是正確的，在當(dāng)前復(fù)雜的國際形勢下，我們國家更加需要原創(chuàng)研究。幾年過去，康斌和研究團(tuán)隊(duì)完成了儀器的研制，開始了細(xì)胞內(nèi)能量漲落的探索研究，并有了原創(chuàng)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)?？当笳f：“記得一句話：‘成功并不在于你所處的位置，而在于你所前進(jìn)的方向。對于年輕科研人員而言，前進(jìn)的方向遠(yuǎn)比所處的位置要重要得多?！?/p>

這可以看作是一場頗有隱喻性的成功。在無數(shù)位“坐得冷板凳、啃得硬骨頭”“嚼得菜根，做得大事”的科研人員的默默努力下，整個(gè)中國化學(xué)測量領(lǐng)域已悄然發(fā)生了巨變?？当蟾锌溃骸白罱迥?，我們國家正處于飛速發(fā)展時(shí)期。如果說我們之前主要還是跟隨國際前沿;那么近幾年，我們已經(jīng)慢慢達(dá)到了并行;甚至在某些領(lǐng)域做到了超越引領(lǐng)?！?/p>

當(dāng)然也有不足。比如，科學(xué)儀器的自主研制還有待更多突破?？当笳f：“我們國家在基礎(chǔ)科學(xué)研究投入的經(jīng)費(fèi)，一大部分購買了進(jìn)口的科研設(shè)備。有一些前沿領(lǐng)域?qū)Ω叨诉M(jìn)口設(shè)備的依賴程度非常高。面臨特殊的國際環(huán)境，就容易發(fā)生被‘卡脖子的問題?？茖W(xué)儀器作為科學(xué)研究的工具，自主研制能力非常重要。這樣在引領(lǐng)研究前沿的時(shí)候，自己的脖子才能自己做主?！?/p>

目前，在國家的布局和引導(dǎo)下，高校和企業(yè)都在設(shè)法突破這種封鎖，共同推出可取代國外高端科學(xué)儀器的產(chǎn)品?？当笤谛Ｆ蠛献鞣矫媸冀K保持著開闊的視野。他說：“只要能夠促進(jìn)國內(nèi)科學(xué)儀器的自主研發(fā)水平，有些具體的問題，可以暫時(shí)放在第二位考慮，首先要看其中的主要矛盾?！敝档靡惶岬氖牵当蠛妥苛h光在瞬態(tài)熒光測試領(lǐng)域的合作已有多款產(chǎn)品推向市場，瞄準(zhǔn)與國際品牌競爭。

重視傳承，教書育人

“我的本職工作是一名人民教師，”康斌說，“我非常熱愛教學(xué)工作，教研結(jié)合、教學(xué)相長，促進(jìn)了我對很多科學(xué)問題的重新思考?！彼J(rèn)為，高校教師的本職工作就是為國家培養(yǎng)后備人才，教師不僅要做好知識的傳授，還要重視文化的傳承。為此，他在南京大學(xué)開設(shè)了面向本科生和研究生的“化學(xué)測量前沿”課程，不僅用化學(xué)測量學(xué)前沿領(lǐng)域螺旋式上升的跌宕起伏來啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，還用老一輩科學(xué)家的奮斗歷史來培育學(xué)生的科學(xué)精神、文化自信和家國情懷。

小學(xué)生的大夢想

“在科學(xué)與真理的漫漫征途中，我只是個(gè)小學(xué)生。我這個(gè)小學(xué)生，也有一個(gè)大夢想。我相信這也是每一位科研人員共同的夢想。”康斌說，“這個(gè)夢想就是，把中國科學(xué)家的名字寫進(jìn)世界科學(xué)發(fā)展的歷史中。”

專家簡介

康斌，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師。

2005年本科畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)應(yīng)用化學(xué)。2011年獲南京航空航天大學(xué)—佐治亞理工學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士學(xué)位，導(dǎo)師為陳達(dá)院士和Mostafa El-Sayed院士。其后在佐治亞理工學(xué)院激光動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究。2015年起在南京大學(xué)工作。

近年來，他的研究興趣為發(fā)展高時(shí)空分辨的成像測量方法、技術(shù)及儀器裝置，詮析微納化學(xué)系統(tǒng)及生物系統(tǒng)中的基本傳質(zhì)、傳電及傳能過程及其動力學(xué)。包括ps-ms時(shí)間尺度的瞬態(tài)顯微成像、單細(xì)胞體系熱動力學(xué)測量、“納米激光”生物探針（SPASER）、諧振腔內(nèi)的化學(xué)測量與調(diào)控（cavity-chemistry）、微納光電化學(xué)界面上的電子傳遞及離子遷移等。

教學(xué)上，他開設(shè)了“化學(xué)測量前沿”本碩貫通特色課程。通過化學(xué)測量前沿的典型案例，串聯(lián)基本原理、關(guān)鍵技術(shù)、儀器裝置和重要應(yīng)用，形成完整的縱向故事線;從典型案例經(jīng)歷萌芽到發(fā)展成熟的歷程中，啟發(fā)科研思維，形成創(chuàng)新意識;并通過開放問題的探討和辯論，培育學(xué)生思辨的科學(xué)精神。