矢志化学晶体研究 勇攀科研创新高峰

——记我校化学与分子工程学院麦松威院士课题组





  化学实验楼669房间里,弥漫着叔丁硫醇“榴莲”一样刺鼻的气味。1200mm的通风橱内无法容纳连接着旋蒸仪和冷凝水泵的抽滤泵,麦松威院士课题组不得不在通风橱外进行液体的抽滤。回忆起最初做实验的场景,课题组的成员只记得有机分子蔓延全身后的“臭味”,而距离他们在实验室第一次闻到这气味的时刻已经过去了三年。
  2017年2月13日,我校化学与分子工程学院麦松威院士课题组以“银硫簇基金属有机框架材料用作超灵敏双功能开关”为题在《NatureChemistry》在线发表研究成果。这项研究首次实现了纳米银硫簇和金属有机框架两种晶体的有机结合。该论文以郑州大学为第一作者单位,化学与分子工程学院博士生黄仁武和魏永生为共同第一作者,臧双全教授为通讯作者。在此之前,麦松威院士课题组还连续两次在学术期刊《德国应用化学》上发表研究成果。
  由于银簇合物在空气和光照下不稳定,它们的物理性质一直没有得到广泛应用,所以,稳定簇合物并提高它们的生产率,一直是化学研究领域普遍面临的问题。与当时国内外其他的课题组一样,麦松威院士课题组开始也把目光集中在单独的簇合物或金属有机框架材料上。在做了上百个这样的单独晶体后,他们有了不一样的想法。“当时就像是一种国际潮流,在这个领域内,很多人要么研究团簇,要么研究金属有机框架材料的应用前景,而我们想做一些创新。”提起做实验的初衷,黄仁武说道。于是,他们就想能不能把不稳定的银硫簇和相对稳定的多孔金属有机框架材料结合在一起。“如果我们把一个簇合物比作一个球,那么金属有机框架材料就是一根两端带有孔的木棒。就像搭积木一样,我们通过桥联配体,让球进入有孔的木棒中,通过化学反应就会搭建起一个新的物体。”说起两种晶体的结合过程,黄仁武这样比喻道。
  近3年的实验中,课题组成员有毕业离开的,也有新加入的,很多人和事在黄仁武和魏永生的脑海中都拼不成一个完整的记忆,可让他们都印象深刻的,是论文第一次被打回时。2016年4月,课题组第一次向 《NatureChemistry》提交论文,11月,他们接到要求重新测量氧气数据的消息,限时为3个月,当时整个课题组都陷入了沉默。受实验条件的限制,课题组此前是在100k的温度环境下测氧气,所得数据不足以证明氧气的定位。为了收集新的、可靠的氧气数据,麦松威院士选派了黄仁武等几名博士生前往南校区实验室做实验。在测氧气数据的这两个月内,他们吃住都在实验室里。这个实验要求在液氮的环境下连续测试氧气,并且每隔两三个小时需要迅速收集一次数据,之后再进行数据分析,根本没有休息的时间。再加上实验室老师要求晚上不能做实验,所以他们的很多实验都要在黑灯瞎火下进行。“只有实验空隙的那一小会儿,师兄们才有空休息。实验室没有床,他们几个人就睡在泡沫板或硬木板上。”他们的师妹王梦琪边说边指着实验器材柜上方堆叠的硬纸板比划道。
  但是,在南校区的这两个月并不是3年实验研究中最艰苦的时候,在课题组成员看来,重复不断地做同样的事,上百遍实验后仍得不出结果,才是最让人感到无望的。氧气实验需要在0.1毫米的管子里打进不同压力的氧气,再用液氮冷冻。可无论是文献还是先前同行的研究,都没有明确指出要打进多少气压的氧气,所以整个课题组只能依靠自己。“如果打进太大压力的氧气,管子会因承受不了而炸裂,但如果压力小了,又得不到好的数据。”黄仁武说。所以每次要打进去多少气压的氧气,以及最后能不能测出氧气含量更高的数据,黄仁武和魏永生都不知道。“做了100多次实验仍没有结果,我自己也很气馁,多次想到放弃,但每次都觉得已经到这个地步了,说什么也要坚持下去。我们是一个团队,如果我放弃了,其他人怎么办?”当时已经连续工作60余天的黄仁武这样告诉自己。
  经过两个月的实验,课题组终于在打入更多氧气后,得到了足以证明氧气定位且符合《NatureChemistry》标准的数据。黄仁武也称,这是目前课题组所能测得的质量最高的数据。相比于之前孤立的十二核银硫簇,银硫簇基金属有机框架材料的稳定性和荧光强度都大大提高,他们的这次研发既丰富了金属有机框架的种类,也为银硫簇基化合物的精准组装和应用方向上的发展奠定了基础。
  从最初打算做这个方向的实验,到论文发表;从最初课题组的两三个人,到现在的30余人,3年的猜想、实验、推翻、重来,让人在承受高强度工作压力的同时,也承受着巨大的心理压力。论文的第三作者———40多岁的董喜燕老师,从刚进课题组时的一头黑发到后来几乎变成了满头银丝。装置怎么搭建,怎么测试,怎么和荧光配在一起,这些她都亲自实验和指导。几乎没有节假日的课题组成员把实验室当成了自己的家,连逛街都变成了一种奢侈。“我们几乎是放弃了生活。”谈及工作与生活的关系,黄仁武说。平时爱打篮球、玩游戏的他,更多时间是和化学仪器待在一起。也许在很多人看来,辛苦的化学研究并不是一份理想的工作,但课题组成员始终认为,做研究的时候,人内心的求知欲是其他任何事情都无可比拟的,脑子里有疑问,就会想尽办法来解决,通过实验来证实猜测,而在经历了艰辛的付出之后,其过程和结果都会令人非常享受。
  麦松威院士课题组的成员把他们的化学研究过程比喻为爬山,“现在的我们就像刚刚翻越过一座很高的山,精疲力竭。接下来我们要做的就是调整心态,继续出发。”不久前,麦松威院士课题组又在晶体分子质子导体材料研究领域取得突破,相关研究论文以 《基于金属有机框架材料的质子传导及其独特的质子动态行为的研究》为题在学术期刊《J.Am.Chem.Soc》上正式发表。
  如他们所说,将新材料研究成功并运用到实际中是一个漫长的过程,其应用前景是乐观的,而且有一定的实用价值。但在这个过程中,新材料还需要克服自身的缺点。下一步,课题组还会尝试研究不同簇和不同的有机配体之间的反应。