一十六載鑄重器 交叉學(xué)科譜華章
——記中國科學(xué)院上海高等研究院上海光源研究員、博士生導(dǎo)師姜政

徐芳芳

姜政在科學(xué)論壇上作報(bào)告

在上海浦東張江高科技園區(qū)里，有一座宏偉壯觀的銀灰色建筑，占地達(dá)2萬多平方米，像一只巨大的鸚鵡螺，它就是“上海光源”。上海光源也稱上海同步輻射光源，是我國目前最大的大科學(xué)裝置，經(jīng)過漫長的10年立項(xiàng)和16年的設(shè)計(jì)、建設(shè)、應(yīng)用，它已成為國家級綜合科學(xué)研究平臺，是各前沿學(xué)科和高新技術(shù)研究和應(yīng)用不可或缺的重要工具，在諸多重要科研成果中發(fā)揮了巨大作用。

上海光源的建設(shè)成功，離不開國家的大力支持，也離不開成百上千名科研人員、建設(shè)者們十幾年如一日的協(xié)同攻關(guān)。中國科學(xué)院上海高等研究院上海光源姜政研究員就是他們中的一員。自2005年作為首批科研人員參與上海光源設(shè)計(jì)建設(shè)工作算起，16年間，姜政帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)擔(dān)綱設(shè)計(jì)與建設(shè)了同步輻射X射線譜學(xué)線站，發(fā)展了先進(jìn)的同步輻射X射線譜學(xué)方法，建立了對能源材料從單原子到團(tuán)簇的系統(tǒng)研究體系，使上海光源形成了能源催化材料的綜合性研究平臺，填補(bǔ)了國內(nèi)多項(xiàng)空白，并與眾多同行一道，為鑄就上海光源這一國家重器作出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí)，他還埋首科研，在化學(xué)物理這一交叉學(xué)科，做了大量卓有成效的基礎(chǔ)性研究工作，為整個(gè)能源材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究水平提升作出了重要貢獻(xiàn)。

有幸成為那顆最初的螺絲釘

1993年12月，丁大釗、方守賢、冼鼎昌3位院士提出“在我國建設(shè)一臺第三代同步輻射光源”的建議，在科學(xué)界引發(fā)了一場關(guān)于建設(shè)第三代同步輻射光源的討論。

彼時(shí)，姜政年僅16歲，還只是一名高中生。那時(shí)的他，還是個(gè)懵懂少年，愛瞎鼓搗，對任何事都充滿著好奇。雖然數(shù)理化成績優(yōu)異，但對于什么是“同步輻射光源”仍一無所知，更不會想到自己的人生將會與這個(gè)孕育中的大科學(xué)裝置產(chǎn)生深度聯(lián)系。

高考前，一位中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱“中科大”）的老師到姜政所在的學(xué)校做招生宣傳，他向同學(xué)們介紹了交叉學(xué)科和化學(xué)物理系，說“中科大化學(xué)物理系是全國唯一的，別的學(xué)校沒有，而且還擁有兩位中國科學(xué)院院士。當(dāng)時(shí)我就覺得這個(gè)專業(yè)挺不錯(cuò)，也挺有意思?！苯貞?。就這樣，他放棄了原本屬意的電子工程專業(yè)，邁入了化學(xué)物理的世界，開啟交叉學(xué)科的大門。

少年的姜政不知道的是，中科大化學(xué)物理系有著悠久的辦學(xué)歷史，是由錢學(xué)森、郭永懷、柳大綱等老一輩科學(xué)家在1958年親自創(chuàng)辦的，旨在培養(yǎng)兼有化學(xué)和物理兩方面知識的復(fù)合型人才。這一專業(yè)，不僅在國內(nèi)首屈一指，在國際上，也是名列前茅。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，其已經(jīng)成為國內(nèi)著名、國際知名的物理化學(xué)（含化學(xué)物理）科研基地和高級人才培養(yǎng)基地。

交叉學(xué)科的專業(yè)性質(zhì)，對學(xué)生培養(yǎng)也提出了更高的要求，既要懂化學(xué)，又要懂物理，還要能夠分別從宏觀、微觀兩個(gè)角度看待問題，在研究方法上也注重基礎(chǔ)研究與實(shí)際應(yīng)用的相互結(jié)合。經(jīng)過5年的專業(yè)訓(xùn)練和系統(tǒng)學(xué)習(xí)，姜政以優(yōu)異的成績，被保送到中科大國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室碩博連讀，師從張新夷和韋世強(qiáng)兩位教授。

張新夷、韋世強(qiáng)兩位教授是我國較早從事同步輻射及其應(yīng)用研究的專家，彼時(shí)，他們正著手用同步輻射的手段進(jìn)行催化化學(xué)的研究。“同步輻射就是一個(gè)工具，然后可以用這個(gè)工具再去研究一些科學(xué)問題。當(dāng)時(shí)就覺得挺有趣的?！苯嬖V記者。于是，在兩位導(dǎo)師的指引下，在興趣的驅(qū)動下，他開始接觸同步輻射及其應(yīng)用的相關(guān)研究，運(yùn)用XAFS、XRD、XPS等手段研究Ni-B（P）納米非晶態(tài)合金催化劑的結(jié)構(gòu)和性能。這一鉆研就是5年。

2005年，姜政出色地完成了博士論文，獲得博士學(xué)位，他準(zhǔn)備在同步輻射研究領(lǐng)域大展拳腳。此時(shí)，正值上海光源開建，亟需大量專業(yè)人才。在學(xué)校和導(dǎo)師的推薦下，他抱著試試看的態(tài)度，來到上海面試?！罢妹嬖嚬僖彩强拼蟮囊晃粠熜?，他就講‘你在外面再怎么搞研究，也很少有機(jī)會給你那么多經(jīng)費(fèi)，讓你從頭建一個(gè)’，我覺得確實(shí)是這樣，就加入了?！苯貞洝Ｗ源?，開啟了他與上海光源共同成長的序章。至今，故事仍在繼續(xù)。

上海光源是個(gè)極其復(fù)雜的大科學(xué)工程，包含有眾多光學(xué)、電子學(xué)系統(tǒng)和先進(jìn)技術(shù)，部件研制及系統(tǒng)集成難度極高，特別是需要在保證各系統(tǒng)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)提供十幾到幾十小時(shí)的穩(wěn)定束流、年運(yùn)行5000小時(shí)以上的供光時(shí)間，設(shè)計(jì)、建設(shè)難度不可謂不大。

初到上海光源，姜政就受上海光源工程經(jīng)理部總經(jīng)理徐洪杰研究員委派，負(fù)責(zé)高性能扭擺器XAFS線站的設(shè)計(jì)和建設(shè)任務(wù)?！澳惴攀指?！”這是徐洪杰研究員經(jīng)常對姜政說的話，既是信任，也是鼓勵(lì)。于是，姜政一邊審慎思考設(shè)計(jì)方案，一邊與用戶、團(tuán)隊(duì)探討解決相關(guān)技術(shù)問題。前后用了兩年左右時(shí)間，經(jīng)過反復(fù)推敲、論證、研討，終于設(shè)計(jì)出了符合研究需要的、高標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案。姜政卻絲毫不敢停歇，立刻著手購買專業(yè)設(shè)備，以期盡快完成建設(shè)。

這時(shí)，一個(gè)科學(xué)難題擋在姜政面前：XAFS線站建設(shè)過程中，因?yàn)楫a(chǎn)生的熱量極高，對儀器設(shè)備的要求也非常高，如果不能解決好，很容易使儀器發(fā)生形變，進(jìn)而嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)精度和后期用戶研究。就在他一籌莫展之際，恰好得知同期建造的位于澳大利亞的同步輻射加速器正在開展同類設(shè)備的安裝調(diào)試工作?！霸谌澜?，如果要找一個(gè)地方也在進(jìn)行類似的嘗試，那就只有這個(gè)地方有這方面的經(jīng)驗(yàn)?！苯?qiáng)調(diào)，為此，他主動請纓到那里參與設(shè)備儀器的裝調(diào)，獲得了寶貴的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。

系統(tǒng)的Web應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，充分考慮了與Oracle數(shù)據(jù)庫、Web應(yīng)用服務(wù)器和 ArcGIS空間應(yīng)用服務(wù)器之間數(shù)據(jù)交換傳輸?shù)男?，能夠滿足在較低網(wǎng)絡(luò)帶寬（1Mbps左右）條件下的查詢應(yīng)用服務(wù)。因此，系統(tǒng)能夠通過水利廣域網(wǎng)，為各流域機(jī)構(gòu)和各省防汛抗旱水利部門提供遠(yuǎn)程應(yīng)用服務(wù)。

回國后，姜政博采眾長、兼收并蓄，以力爭一流、追求卓越的干勁頑強(qiáng)攻關(guān)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)做了大量系統(tǒng)深入的工作。終于，功夫不負(fù)有心人，他們自主設(shè)計(jì)研制了光束線碳吸收器組裝置、加長單色器第一晶體。這套裝置采用了非傳統(tǒng)轉(zhuǎn)軸位置及使用雙孔薄鈹窗，在兼顧光路穩(wěn)定性的情況下，成功解決了由于扭擺器導(dǎo)致的光束線關(guān)鍵元件的高熱負(fù)載問題。

2009年，XAFS線站通過了國家工藝驗(yàn)收，線站全部測試結(jié)果達(dá)到并優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。同行評價(jià)這條線站能夠開展多種譜學(xué)方法，與原位手段相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)采集，已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。在后續(xù)的運(yùn)行中，它同樣表現(xiàn)出色：近5年來，用戶依托該線站共發(fā)表文章700余篇，多項(xiàng)成果入選各類科技重大進(jìn)展，此外還有多項(xiàng)工作榮獲各類省部級、國家級自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)，成果產(chǎn)出居國際同類線站首位，并且有部分成果已經(jīng)開展工業(yè)化應(yīng)用，為化學(xué)、催化領(lǐng)域整體水平提升作出突出貢獻(xiàn)。

作為大國重器，上海光源具有建設(shè)60條光束線、上百個(gè)實(shí)驗(yàn)站的能力，按照國際慣例，首批建設(shè)10%～15%的線站，國內(nèi)各學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家對上海光源首批7條線站寄予極大的期望。為真正用好上海光源，改變“大馬拉小車”的狀況，姜政和團(tuán)隊(duì)又馬不停蹄地投入后續(xù)線站工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)工作中。

幾年間，姜政和團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了國際領(lǐng)先，國內(nèi)首條軟、硬X射線結(jié)合的能源材料線站（E-line）。這條線站不僅可以實(shí)現(xiàn)逐原子層元素深度分辨及化學(xué)態(tài)，還能實(shí)現(xiàn)發(fā)射和吸收的同時(shí)測量，明確元素在費(fèi)米面附近的精細(xì)電子態(tài)分布探測，而且可以利用多段差分技術(shù)，跨越壓力鴻溝，實(shí)現(xiàn)原位及工況條件下的特定原子局域結(jié)構(gòu)探測。目前，線站已經(jīng)進(jìn)入全面安裝調(diào)試階段，預(yù)計(jì)今年就可實(shí)現(xiàn)對用戶試運(yùn)行開放。上海光源又多了一位“新成員”，科研人員也多了一個(gè)“新助手”。

作為硬X射線譜學(xué)工程分總體負(fù)責(zé)人，姜政還主持建設(shè)了動力學(xué)線站（D-line）、通用譜學(xué)線站及稀有元素線站3條譜學(xué)線站。其中，通用譜學(xué)線站今年已經(jīng)正式對用戶開放；動力學(xué)線站已于2020年年底通過工藝驗(yàn)收，并開始試運(yùn)行。這些線站構(gòu)成了研究能源材料的綜合性平臺，覆蓋了從ps到s的時(shí)間分辨能力、從m到mm的空間分辨能力、多種方法耦合以及放射性樣品的測量能力，同時(shí)填補(bǔ)了國內(nèi)放射線元素SRXS測量的空白，對整個(gè)能源材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究水平提升作出重要貢獻(xiàn)。

時(shí)間如白駒過隙，一晃，16年過去了。在姜政等科研人員、建設(shè)者的努力工作下，上海光源的建設(shè)任務(wù)得以全面、優(yōu)質(zhì)、按時(shí)完成，性能指標(biāo)達(dá)到世界一流，已經(jīng)成為多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域前沿研究和高技術(shù)發(fā)展不可或缺的綜合實(shí)驗(yàn)平臺。

這16年，是上海光源從無到有、快速發(fā)展的16年，也是姜政在做中學(xué)、精益求精的16年。歲月如歌，16年間，姜政已經(jīng)從初出茅廬的科研新人，成長為上海光源硬X射線譜學(xué)分總體負(fù)責(zé)人、材料與能源科學(xué)研究部主任，成為我國同步輻射研究及其應(yīng)用領(lǐng)域的專家，在國際上享有較高聲譽(yù)。

在交叉中前行

在從事繁忙緊張的上海光源建設(shè)工作的同時(shí)，姜政還堅(jiān)持開展科研工作，致力于應(yīng)用物理的手段，去解決化學(xué)研究中面臨的問題，在化學(xué)物理這一前沿交叉學(xué)科，著眼基礎(chǔ)，面向應(yīng)用，展開了一系列深入系統(tǒng)的研究，取得了多項(xiàng)開創(chuàng)性研究成果。

X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（XAFS），是用于描繪局部結(jié)構(gòu)最強(qiáng)有力的工具之一?！暗谝?，它波長短，可以測量比較精細(xì)的結(jié)構(gòu)，可以對原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)做比較清晰的表征。第二，對材料的形態(tài)沒有限制，各種各樣的東西都可以研究?！绷攘葦?shù)語，姜政就言簡意賅地介紹了XAFS方法的優(yōu)點(diǎn)。

作為上海光源XAFS線站的負(fù)責(zé)人，姜政很早就認(rèn)識到它的優(yōu)點(diǎn)，并將XAFS方法引入化學(xué)問題的研究中。比如在室溫離子液體理化學(xué)性質(zhì)的研究工作中，他就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地引入了XAFS手段，并結(jié)合XRD、電鏡、差熱、紅外以及紫外等方法，分別研究了[Bmim][AuCl4]和[Bmim][PtCl6]類型離子液體在常態(tài)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。經(jīng)過3年多的努力，他們對離子液體結(jié)構(gòu)、相變規(guī)律有了系統(tǒng)性的認(rèn)識，拓展了離子液體結(jié)構(gòu)研究的新手段及XAFS方法的應(yīng)用范圍，為離子液體結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為了讓XAFS方法得到更好的推廣和應(yīng)用，姜政還發(fā)展了小波變換、原位和高分辨譜學(xué)方法，多次舉辦XAFS技術(shù)培訓(xùn)講習(xí)班和研討會，培養(yǎng)了一大批覆蓋多學(xué)科領(lǐng)域的高水平用戶。同時(shí)，他還多次受邀在國內(nèi)外重要會議上作相關(guān)報(bào)告，向科研人員推介XAFS方法及其應(yīng)用?，F(xiàn)在，XAFS方法在國內(nèi)得到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，為多學(xué)科的科學(xué)研究提供了新的路徑，有力地推動了國內(nèi)大科學(xué)裝置和催化領(lǐng)域的交叉融合。

姜政課題組

同步輻射快速XAFS（QXAFS）實(shí)驗(yàn)方法能夠使采譜時(shí)間從小時(shí)縮短到秒量級，適合開展快速的時(shí)間分辨譜學(xué)研究，已經(jīng)成為科學(xué)研究的大勢所趨，各國都在加緊研發(fā)和應(yīng)用。為了迎頭趕上科技潮流，姜政和團(tuán)隊(duì)基于上海光源的XAFS線站，成功建立了秒級時(shí)間分辨XAFS方法平臺，為國內(nèi)催化研究提供先進(jìn)手段。他們還將這一先進(jìn)的研究方法應(yīng)用于Cu基催化劑在CO2合成甲醇過程中的活性中心及其原子、電子結(jié)構(gòu)的研究中，明確了反應(yīng)機(jī)理，對今后的工業(yè)應(yīng)用給出了理論指導(dǎo)依據(jù)?！叭绻夷軐Υ呋瘎┑男阅茏鲆稽c(diǎn)點(diǎn)的提高，它可能在經(jīng)濟(jì)效益上就會是幾億元的巨大回報(bào)。”姜政表示。

依托上海光源XAFS線站建立，他還完善了基于SRXS的先進(jìn)原位動態(tài)表征技術(shù)，并發(fā)展了相關(guān)的譜學(xué)解析方法，突破了催化劑的小尺寸、復(fù)雜組分等因素限制，在原位工況條件下直接監(jiān)測化學(xué)反應(yīng)變化過程中的結(jié)構(gòu)變化，為能源催化材料構(gòu)效關(guān)系的理解和建立提供了直接證據(jù)。

在面對復(fù)雜催化體系中，多物相、鍵長相似、臨近原子序數(shù)配體原子難以區(qū)分等問題時(shí)，姜政和團(tuán)隊(duì)引入了WT方法，輔助SRXS解析，成功解決了這些難題?！靶〔ㄗ儞Q方法（WT）是一種能同時(shí)展示出不同散射路徑在k空間和R空間的貢獻(xiàn)的研究手段，適用于對多散射路徑體系的分析，且具有方便、快捷、直觀等優(yōu)點(diǎn)，此外還能解決由于原子序數(shù)相近的散射原子，如C、N、O等不容易區(qū)分等問題?！苯M(jìn)一步解釋。此后，他還進(jìn)一步優(yōu)化了WT處理方法，并編寫了相關(guān)軟件，供國內(nèi)外科研人員免費(fèi)使用，累計(jì)下載量達(dá)上百次?？上驳氖牵诮?018年發(fā)展了WT方法之后，利用WT輔助SRXS解析的學(xué)術(shù)論文大幅增加，到2020年，相關(guān)論文已達(dá)130多篇，極大推動了整個(gè)催化研究的發(fā)展。

搭平臺、建方法、搞研究，通過研究，再發(fā)展方法，進(jìn)而完善平臺，再反饋到研究中去。從點(diǎn)到面，從個(gè)人到整體。十幾年來，這已經(jīng)成為姜政科研的一個(gè)回旋上升的研究鏈條，一環(huán)扣一環(huán)，助推著整個(gè)學(xué)科不斷向上發(fā)展。迄今為止，姜政已在Nature、Science、Nat Commun、JACS、Angew等國際高水平期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文達(dá)300余篇，SCI他引達(dá)4745次。2020年，姜政入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家（交叉學(xué)科），科研水平受到了國際同行的高度認(rèn)可。

很多做交叉學(xué)科的科研人員，都會糾結(jié)“我到底屬于哪個(gè)學(xué)科”的問題。這個(gè)問題也曾經(jīng)困擾過姜政。但很快他就悟出了一個(gè)道理：“不管屬于什么學(xué)科，只要能夠真真正正地做出一些有推動作用的事兒，就都值得了。”現(xiàn)在，姜政正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)就如何清晰地從原子及分子水平上分析碳化鈷在費(fèi)托合成活性變化過程中對應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化，并在此研究基礎(chǔ)上構(gòu)筑新型鈷基催化劑展開攻關(guān)，希望能夠明確鈷基催化劑在費(fèi)托反應(yīng)過程中的活性中心及反應(yīng)過程中形成的碳化鈷的原子、電子結(jié)構(gòu)變化對催化性能的影響，為設(shè)計(jì)和構(gòu)筑下一代新型催化劑提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。

追求卓越 再攀高峰

作為一名科研工作者，姜政早已習(xí)慣了直面挑戰(zhàn)、迎難而上。但同時(shí)，他又是上海光源整個(gè)大團(tuán)隊(duì)的一員?！斑@個(gè)團(tuán)隊(duì)特別強(qiáng)大，只要多溝通，多商量，最后困難都能解決?！苯貞?。做大項(xiàng)目，就要求科研人員既能單打獨(dú)斗，又能與團(tuán)隊(duì)密切配合?，F(xiàn)在，他正把這些優(yōu)良傳統(tǒng)傳遞給身邊的年輕人。在他的團(tuán)隊(duì)中，大家勁往一處使，互相配合、互相合作，有問題共同討論，沒有等級，更多的是平等的溝通和交流。在姜政身邊，早已匯聚起一群敢于追求卓越、勇攀科技高峰的年輕人。

嚴(yán)師，方能出高徒。姜政一方面為學(xué)生創(chuàng)造平等溝通的氛圍，另一方面也對他們有著嚴(yán)格的要求?！拔一旧厦恐芏紩宜麄冮_會，讓他們匯報(bào)工作進(jìn)展，并且制訂好下一步的工作計(jì)劃。這個(gè)計(jì)劃既然是學(xué)生認(rèn)可的，那么如果完不成，我就要批評的?！苯f。在他的團(tuán)隊(duì)里，甚至有女生被說哭過。正所謂，嚴(yán)是愛，松是害。學(xué)生也都能體會老師的良苦用心，一個(gè)個(gè)都扎扎實(shí)實(shí)地做研究工作。所以，姜政培養(yǎng)出的學(xué)生，在畢業(yè)時(shí)都很搶手。

近年來，硬X射線自由電子激光作為當(dāng)前最為先進(jìn)的X射線光源，具有比以往任何X射線光源都無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，將為多個(gè)前沿領(lǐng)域提供前所未有的研究手段。世界主要先進(jìn)國家都在爭相建設(shè)各自的硬X射線自由電子激光裝置，以掌握新歷史時(shí)期的科技發(fā)展主動權(quán)。

2018年，我國第四代X射線光源大科學(xué)裝置——硬X射線自由電子激光裝置建設(shè)工程正式開工。整個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃投入資金達(dá)百億元，工期超10年，是我國科技領(lǐng)域的又一“重器”。作為研究骨干，姜政出任光束線站的副總師，深度參與項(xiàng)目的技術(shù)討論，助推項(xiàng)目的有序開展。“這個(gè)項(xiàng)目很復(fù)雜，時(shí)間跨度也很長?！睂τ陧?xiàng)目的難度和要付出的精力，姜政有著清醒的認(rèn)知，但他義無反顧。

有人說，第三代同步輻射光能為科學(xué)家拍攝“分子照片”，X射線自由激光就能夠?qū)ι锘铙w細(xì)胞展開三維全息成像和顯微成像，能夠拍攝“分子電影”。未來已來，姜政正和團(tuán)隊(duì)以飽滿的熱情和充足的干勁，向著世界一流水平進(jìn)軍。