科苑人物

海外归来,他在国科大开辟金属与有机“新乐园”!

  •   编者按:三年前,从海外学成归来的楚甲祥回到了中国科学院,这个他与金属有机配合物相识的地方,以中国科学院大学(以下简称“国科大”)化学科学学院副教授的身份,开启了他研究金属有机配合物的新阶段。两年间,从刚组建实验室“空无一物”,到在顶级期刊上发表第一篇论文,楚甲祥的课题组在不断壮大。未来,他们还将在雁栖湖畔,继续探索金属与有机的秘密。

    楚甲祥

      深秋的早晨,楚甲祥骑着小电车穿过大门,穿过金黄、墨绿、深棕斑驳夹杂的树林,在雁栖湖校区东区学园三门口停下,准备开始一天的工作。

      半年之前,这片林子还是绿油油的,青翠欲滴,但小电车上的楚甲祥却有些忐忑不安。原来,他带的第一个学生——化学科学学院2020级硕转博研究生王宝禄,正因一个实验无法复现而头疼。

      楚甲祥得知后,与王宝禄一起对实验设备、实验原始数据进行了详细分析,并针对实验无法成功的原因提出猜想。听完楚甲祥的分析,王宝禄眼前一亮,立即着手验证。很快,实验结果出来了,与预期一致。王宝禄正准备“冲”去办公室告诉楚甲祥这个好消息,却发现楚甲祥就在实验室里,研究他之前实验失败的数据。

    王宝禄

      “原来老师一直在这里默默陪着我。”说到这儿,王宝禄的眼睛微微湿润,“那时,他一定比我更着急。”

    “我也是从学生开始的”

      “我并不想给他太多压力。越盯着他做实验,越有可能出现差错,所以我只能等。”楚甲祥坦然一笑,“毕竟,我也是从学生开始的。”
      楚甲祥学生时代的最后一站,是在国科大培养单位——中科院上海有机化学研究所度过的。对于刚开始研究生阶段学习的他来说,对无机的兴趣全然来自它的简洁优雅——没有复杂的机理和“箭头”,没有庞杂的官能团,有的只是各种美丽绚烂的反应。
      带着憧憬,他跟随原中科院上海有机化学研究所研究员陈耀峰,开启科研之旅。
      金属有机化学是无机化学和有机化学交叠的一门分支学科,其中侧重无机部分的研究领域一般又被称为金属有机配合物化学。资料显示,诺贝尔化学奖已多次授予金属有机化学领域。
      金属、有机的特殊组合让彼时的楚甲祥大开眼界,导师的培养和课题组的熏陶更坚定了他对这个领域的兴趣。博士毕业后,在导师的鼓励和支持下,楚甲祥选择出国深造,开始他的博士后生涯,去了解更广阔的金属有机配合物的世界。
      从稀土到卡宾,从钒磷氧催化到固氮酶模拟,六年间,楚甲祥在全球各顶级金属有机实验室之间“辗转”学习。在此期间,楚甲祥也从未停止与他博士期间导师的联系,他们与国外实验室合作,发表的文章见诸各大期刊。
      尽管研究方向不断变换,求学路途也颇有波折,但楚甲祥却从不后悔。“在这个领域,要想作出成果,还得先厚积,再薄发。”这就是他选择长时间做博士后的原因之一。
      2020年,楚甲祥回到了他与金属有机配合物结缘的起点——中科院和国科大。这次,他以副教授、博士生导师的身份,在中国科学院与“两弹一星”纪念馆附近、国科大化学科学学院的舞台上,开辟出有关金属与有机的“新乐园”。
      现在的楚甲祥,除了需要进行日常科研探索,还要处理如项目申请、邮件回复、周会组织等事项。然而,无论身份、作息如何改变,楚甲祥对待科研的严谨与认真从未改变。他仍时常与学生们在实验室一起分析数据、在食堂一起唠嗑家常;在操场上,一起挥洒汗水;在楼宇间,一起畅想未来。一时间,竟让人忘记他已是一位获得国科大“领雁金奖”的副教授。

    长单晶与测单晶的故事

      金属有机配合物领域或许在众多化学家的探索下终成一方天地,但楚甲祥在这个时候建立课题组,却算不上是一个好时机。
      该领域的研究门槛较高,需要的实验器材十分昂贵。楚甲祥介绍,为了进行金属有机配合物的制备、检验,核磁共振仪与X-射线单晶衍射仪必不可少,而这两台仪器的价格都是百万起步。
      同时,国内研究该方向的团队较少。“尽管我国材料与化学研究的总体学术水平,已经处于世界领先地位。但是在这个领域,不论是规模还是已经取得的成果,都跟国外有着较大差距。”提到领域现状,楚甲祥有些“尴尬”。这也恰恰是国内许多金属有机配合物方向课题组的写照。

    楚甲祥(右)指导学生做实验

      研究领域国内基础薄弱,课题组建设所需资源庞大,再加上疫情期间物流滞涩,楚甲祥的新课题组曾一度发展十分困难。“那时,手套箱是借的,通风橱是借的,可能就只剩做实验的人算我们自己的。”楚甲祥自嘲道。

      就是在这样的环境中,楚甲祥课题组发表了他们的第一篇论文。

      楚甲祥介绍,课题组所做的日常工作,“简单说来,就是长单晶。”长单晶听着容易,实际上却是一个不折不扣的手艺活儿。“快的话一两天,慢的话要等一年。”猜想、等待、测试是长单晶的必备流程。

      “并不是任何化合物都可以进行单晶测试,它得从泥土般的粉末长成像食盐那样有完美几何外形、晶莹透亮、有规则折射的晶体。”楚甲祥介绍,这是为了利用X-射线单晶衍射确定分子的三维结构,“从领域内看,这是表征一个固体结构最靠谱的方法。”

      论文之外,也基本都是关于长单晶、测单晶的故事。

      2020年冬,雪下得似乎比往年更早。外面的冷风并没有吹凉王宝禄的欣喜——他在实验室里“长”出了课题组的第一颗单晶。这意味着,他之前的工作有了成功的可能。

      可是很快,王宝禄和楚甲祥就在实验室手套箱前犯了愁。化学科学学院还没有可用的单晶仪。而这是检验单晶性质必备的仪器。几番周折,楚甲祥联系到了雁栖湖校区西区材料科学与光电技术学院的实验室,决定当晚立即对这颗单晶来场揭秘。

    楚甲祥展示单晶样品

      夜晚,寒风呼啸。王宝禄两只手小心翼翼地端着放置晶体的玻璃片,坐上了楚甲祥的小电车。东西校区之间并不远,但王宝禄却觉得十分漫长。冷风似刀片一般从楚甲祥的脸前刮过,拍在王宝禄的手上,让他紧紧攥着玻璃片的手微微颤抖,玻璃片上覆盖着晶体的油膜也不断闪动。他低着头,生怕“宝贝”从他手中溜走,又时而瞟一眼前方,好默默估计他们与目的地的距离。
      “兴奋、忐忑。”王宝禄记忆犹新。在知道那个单晶就是他们想要的结构时,楚甲祥和王宝禄都舒了一口气。

    显微镜下的单晶样品

      除了在雁栖湖校区内测单晶,有时还需要“进城”测单晶。不同于校内测试,“进城”往往意味着较远的路程、较长的时间以及更大的颠簸。

      令王宝禄印象最深刻的一次是去中科院高能物理研究所测单晶。那天,王宝禄早早起床,去实验室背上装有样品和干冰的背包,赶上学校附近最早的一趟列车。到达市区之后,几经转车,王宝禄终于将样品交到了所里老师的手上。

      晶体测上了,王宝禄微悬着的心也终于放下。他再次背上装有干冰的背包,正准备回校,一阵刺骨的寒冷从背后袭来。

      “可能是所里暖气比较足。”王宝禄挠了挠头,“但那时我才意识到,原来我是背着零下78℃的干冰来的。”

    科研中的“福尔摩斯”

      “我们做化学的,或许都比较‘愣’。”楚甲祥回忆起王宝禄送单晶的事儿,自嘲道。

      无论春夏秋冬,楚甲祥都会按时来到实验室,从一篇论文、一封邮件开始他一日的工作。做完这些,他又会将思绪放在组里的课题上。解决学生实验遇到的困难,分析看似不可思议的实验数据,修改始有雏形的论文,这些是楚甲祥案上的工作日常。到了饭点,他会等待学生做完实验,一起享用美食、一起讨论实验。一天又一天,单调却又不乏新意。

      每周五,楚甲祥会组织全课题组开展一次大组会,互通有无,拓宽视野。周一,他又会找来各个小组召开小组会,讨论他们在各自的实验中遇到的问题与对新的一周实验的规划。

      “实验上的小问题基本当天就能解决。”这样的节奏让王宝禄自觉受益匪浅,“每周的讨论又会让我们对下一步实验规划更为清晰。”

      除此之外,楚甲祥还是学生们做科研的“福尔摩斯”。做实验前,楚甲祥往往会先把重要的操作和可能的“坑”与学生们讲清楚,而在实验出现意料之外的现象时,他又会及时出现,迅速分析数据,指出实验的漏洞。

      “有的实验明明是新的,老师却像做了许多遍一样,对实验细节了如指掌。”王宝禄感慨。在准备论文期间,王宝禄就曾多次感受到“福尔摩斯”的魅力:“很多我们以为是‘玄学’的问题,老师都能找到背后那个正确但又不可思议的原因。”

    楚甲祥(右)书写反应式

      在化学科学学院的大力支持与帮助下,课题组逐渐壮大。随着课题组成员越来越多,在指导学生实验方面,楚甲祥忙得团团转。尽管如此,每到有学生生日的时候,楚甲祥仍不忘给学生送上生日蛋糕,陪他们一起过生日。“有一次,我拿出了两顶生日帽,组里学生才知道,原来他们有两人生日是在同一天。”楚甲祥笑着说。

    做工业原料的桥梁

      “我们这个研究方向最希望做的事情之一就是利用我们这些配合物,来实现常温常压下氮气和一氧化碳的转化。”楚甲祥说。

      氮气是空气中最主要的成分,约占大气体积五分之四。如何利用廉价的氮气合成含氮化合物,是化学中一个长期而重要的课题。

      楚甲祥介绍,氮气转化的关键步骤就是氮的固定。目前主要存在生物固氮和人工固氮两种方式。生物固氮在常温常压下进行,工业固氮则需要高温高压的条件。“一些配合物是高活性的,我们希望利用它们,将人工固氮过程的反应条件‘降’到常温常压。”楚甲祥说。

      另外,课题组还研究着催化过程中的机理,即分离催化中间体。他们通过配合物活化一氧化碳、氢气等小分子,而这些活化产物又可以作为反应中间体,进一步转化为烯烃等工业原料。这方面的研究,可以在一定程度上减少当今化工过程对石油等化石能源的依赖,对于我国的能源安全具有重要意义。

    楚甲祥课题组部分成员

      2020年3月,刚刚回国、还是“光杆司令”的楚甲祥就注册了课题组微信公众号。“最初,这个公众号是写给申请我们组的科研助理和研究生看的,希望帮助他们了解领域的最新进展。”楚甲祥在一篇推文中写道。
      同年6月,领域一项最新成果发表,楚甲祥赶紧在公众号里跟进。内容发布后第二天,他“意外”发现这篇推送被同行分享到一个微信群,群里满是相关领域的专家学者。“这可能是公众号开通3个月以来,读者水平最高的一次。群里大部分老师对金属有机化学的理解远在我之上。”楚甲祥坦言,“不经意之间被推向了‘考场’,面对这么多高水平‘考官’,有些诚惶诚恐。”
      面向同行、面向学生,楚甲祥一直坚持着公众号的运营,这已经成为他日常工作的一部分。

      “好多学生关注我们,希望获得关于这个领域更全的信息。”楚甲祥说,“我们想做他们与最新资讯之间的桥梁。”

      一位无机化学期刊的主编曾说,配位化学家拥有研究整个元素周期表所有元素的“通行证”。

      “前过渡元素、后过渡元素,以及主族元素,我都做过。”楚甲祥说,“我们现在研究的元素也很多样,可以根据学生的兴趣、不同课题的需要进行选择,让学生能选到自己想研究的东西。”

      课题组网站对研究方向的介绍中,也有一句话:金属有机配合物化学的研究对象是整个元素周期表。当前,这个年轻的课题组还在探索自己的“基本盘”。楚甲祥对未来充满希望,他期待着作出更多对领域有意义的成果;期待着多年后,自己的学生将会成为一个又一个课题组的“leader”,让这片金属有机配合物的乐园扩散到各个角落。

    责编 :贺静蕾