謝素原：“富勒烯”研究路上追夢(mèng)人

◎ 文/段雨默

謝素原：“富勒烯”研究路上追夢(mèng)人

◎ 文/段雨默

富勒烯是一種碳的同素異形體。

有趣的是，“富勒”原本是一位建筑師的姓氏。

1967年建筑師巴克敏斯特·富勒用六邊形和少量五邊形創(chuàng)造出“彎曲”的表面，為蒙特利爾世界博覽會(huì)設(shè)計(jì)了一個(gè)球形建筑物。

正是這個(gè)建筑物，為碳族的結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)重要啟示。

1985年，三位科學(xué)家假定含有60個(gè)碳原子的簇“C60”包含有12個(gè)五邊形和20個(gè)六邊形，每個(gè)角上有一個(gè)碳原子，在萊斯大學(xué)制備出了第一種富勒烯，即C60。因?yàn)檫@個(gè)分子與建筑學(xué)家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，為了表達(dá)敬意，三位科學(xué)家遂將其命名為巴克明斯特·富勒烯。

后來(lái)，任何由碳一種元素組成，以球狀、橢圓狀或管狀結(jié)構(gòu)存在的物質(zhì)，都可以叫富勒烯。

而這三位科學(xué)家，即英國(guó)化學(xué)家哈羅德·沃特爾·克羅托和美國(guó)科學(xué)家理查德·斯莫利及其同事羅伯特·柯?tīng)枺瑒t因C60的發(fā)現(xiàn)共同獲得了1996年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

圍繞這些“球”，一門(mén)新型的碳化學(xué)隨即發(fā)展起來(lái)。

廈門(mén)大學(xué)教授謝素原

直面科學(xué)難題

富勒烯等碳簇的研究之路，并非一帆風(fēng)順。挺進(jìn)富勒烯“神秘之海”，許多科學(xué)家無(wú)功而返，漸漸地科學(xué)界對(duì)它的研究變得有些沉寂。

面對(duì)困難，謝素原卻選擇了堅(jiān)持，選擇了迎難而上。

謝素原現(xiàn)為廈門(mén)大學(xué)教授，廈門(mén)大學(xué)的碳簇研究在國(guó)際相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)域擁有較高地位。

1999年在鄭蘭蓀院士的課題組獲得博士學(xué)位后，謝素原教授向富勒烯等碳簇研究領(lǐng)域的重要科學(xué)難題發(fā)起了挑戰(zhàn)，以新型富勒烯的合成為目標(biāo)，進(jìn)行了長(zhǎng)期的刻苦攻關(guān)。

而在當(dāng)時(shí)，富勒烯的研究熱潮正因一些重要科學(xué)難題的出現(xiàn)而漸漸退去。

1985年C60等碳簇以及后來(lái)納米碳管的發(fā)現(xiàn)，曾掀起了碳簇研究的多輪熱潮。

1985年富勒烯被發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)界對(duì)其形成機(jī)理給予了極大關(guān)注，先后提出了“五元環(huán)道路”、“富勒烯道路”和“環(huán)重構(gòu)道路”等機(jī)理，但是它們的實(shí)驗(yàn)依據(jù)主要是質(zhì)譜，因?yàn)槿狈?duì)反應(yīng)中間體的結(jié)構(gòu)表征而未能被廣泛接受，這使新型富勒烯的形成問(wèn)題成為富勒烯科學(xué)研究中尚待解決的最基本的科學(xué)問(wèn)題之一。

為解決制約富勒烯科學(xué)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，從根本上促進(jìn)各種新型富勒烯的合成，謝素原開(kāi)始了長(zhǎng)期艱辛的研究歷程。

功夫不負(fù)有心人。他的努力最終贏得了回報(bào)，基于精確的結(jié)構(gòu)表征數(shù)據(jù)，謝素原總結(jié)并提出了使數(shù)以萬(wàn)計(jì)的新型富勒烯得以穩(wěn)定的“張力釋放”和“局域芳香性”兩個(gè)基本原理，并得到了同行的引用和應(yīng)用。

例如，西班牙皇家化學(xué)會(huì)主席Martín教授在其評(píng)述中寫(xiě)到：“用張力釋放和局域芳香性兩個(gè)原理來(lái)預(yù)測(cè)富勒烯衍生物的穩(wěn)定性是相當(dāng)有用的”；Jansen教授則應(yīng)用這兩個(gè)原理通過(guò)氯化的途徑，合成了C72Cl4、C56Cl12和C68Cl8等新型的富勒烯氯化物，其發(fā)表在J Am Chem Soc、Chem Eur J、Chem Asian J上的三篇論文分別引用了謝素原系列論文中的有關(guān)觀點(diǎn)與結(jié)論。

謝素原xiesuyu還將其總結(jié)的新原理用于籠外衍生穩(wěn)定最具代表性的含相鄰五元環(huán)的新型富勒烯，合成得到了小富勒烯C50、低對(duì)稱(chēng)性的C60、含七元環(huán)的C68、含三順聯(lián)五元環(huán)的C66等等，開(kāi)拓了團(tuán)簇研究的新領(lǐng)域，并使其和他在廈門(mén)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)獲得了國(guó)際聲譽(yù)。

成果影響國(guó)際

逾十年來(lái)，謝素原針對(duì)團(tuán)簇化學(xué)領(lǐng)域中新型碳簇的合成，進(jìn)行了執(zhí)著的持續(xù)研究，成功揭示了數(shù)量巨大的新型富勒烯合成的可能性，催生了通過(guò)籠外衍生穩(wěn)定新型富勒烯的研究新方向，并使該方向成為目前國(guó)際富勒烯研究的重要生長(zhǎng)點(diǎn)。

由其合成的代表性富勒烯（氯化物）的學(xué)術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下：

1.小富勒烯C50

小于C60的富勒烯因其結(jié)構(gòu)不可避免地存在相鄰五元環(huán)，致使其化學(xué)性質(zhì)活潑而難以合成。

早在20世紀(jì)80年代中期，C50就因符合團(tuán)簇幻數(shù)規(guī)律而被認(rèn)為是最有希望合成的小碳簇，然而，科學(xué)界合成C50的努力在20多年間卻始終未獲成功，以至于國(guó)際上許多研究組因合成與分離的障礙難以逾越，紛紛退出了這一艱辛的研究。

面對(duì)困難，謝素原沒(méi)有退縮，執(zhí)著地探索，終于迎來(lái)成功。后來(lái)，他將自己和團(tuán)隊(duì)關(guān)于C50Cl10合成的研究成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊Science（2004, 304，699）上，被認(rèn)為具有“里程碑”的意義Angew Chem In Ed（43，4690）以兩頁(yè)版面Highlight專(zhuān)題評(píng)述了這一工作。關(guān)于C50的系列論文迄今被他引200多次，多篇施引文獻(xiàn)以第一或第二篇參考文獻(xiàn)來(lái)引用該項(xiàng)工作。

C50的捕獲直接激發(fā)了相關(guān)的理論或?qū)嶒?yàn)研究。

理查德·斯莫利和哈羅德·沃特爾·克羅托兩位1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主在得知這一成果后，通過(guò)Email向研究團(tuán)隊(duì)表示祝賀，并分別評(píng)價(jià)該成果為：一項(xiàng)重大突破、一項(xiàng)具有重要影響的好結(jié)果。

2.低對(duì)稱(chēng)性的C60異構(gòu)體

碳簇中有關(guān)C60的研究最為廣泛，但實(shí)驗(yàn)只能?chē)@足球狀的結(jié)構(gòu)（Ih對(duì)稱(chēng)性的C60）而展開(kāi)。

謝素原于2008年以（唯一）通訊作者身份發(fā)表在Nature Mater（7，790）的文章，揭示了另外兩種C60異構(gòu)體（C2v和Cs對(duì)稱(chēng)性）的存在，此后他又成功通過(guò)燃燒技術(shù)以氫化的方式合成了C60H8（J Am Chem Soc 132，15093）。

對(duì)此，Nature Chem副主編撰寫(xiě)Highlight專(zhuān)文，預(yù)測(cè)了這些特殊結(jié)構(gòu)的C60異構(gòu)體作為功能材料的應(yīng)用潛力，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者克羅托教授近期在其關(guān)于富勒烯形成機(jī)理的研究論文（Nature Commun 3：855）引用時(shí)指出，C60異構(gòu)化的現(xiàn)象深化了人們對(duì)富勒烯的形成機(jī)理的理解。

3.相鄰五元環(huán)有利的富勒烯

決定富勒烯穩(wěn)定性的“獨(dú)立五元環(huán)規(guī)則”于1986年被提出后， 25年間，幾乎被所有試驗(yàn)無(wú)一例外的印證。

后來(lái)，謝素原的研究組和德國(guó)馬普固體研究所Jansen教授的研究組，分別獨(dú)立在J Am Chem Soc同一期（132, 17099和17102）上發(fā)表了一例罕見(jiàn)的、相鄰五元環(huán)有利的富勒烯氯化物（C72Cl4），揭示了一例比獨(dú)立五元環(huán)的異構(gòu)體更穩(wěn)定的含相鄰五元環(huán)的富勒烯的存在，因而，立即引發(fā)了學(xué)術(shù)界的關(guān)注。

該論文發(fā)表后不久，馬德里康普斯頓大學(xué)的Martín教授即特地在Angew Chem Int Ed（50, 5431）撰寫(xiě)了三個(gè)版面的Highlight專(zhuān)文給予介紹與評(píng)述，認(rèn)為這是富勒烯科學(xué)研究的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。

此外，謝素原還通過(guò)籠外衍生方法合成了含七元環(huán)、三個(gè)五元環(huán)順聯(lián)的富勒烯氯化物，研究了這些普遍存在但又鮮被探索的碳簇的形成機(jī)理。這些針對(duì)新型碳簇形成的研究工作得到了C&E News（化學(xué)工程新聞）、Nature 系列刊物、Angew Chem Int Ed的10余次專(zhuān)文評(píng)述與推介。

其中，謝素原關(guān)于三順聯(lián)五元環(huán)富勒烯的研究工作在Nature Chem上以封面文章的形式發(fā)表后，RSC Chemistry World撰寫(xiě)專(zhuān)文給予評(píng)述，其中引用了來(lái)自謝菲爾德大學(xué)的理論化學(xué)家Fowler教授的評(píng)述：可以合成到足夠量用于表征這些分子是令人鼓舞的，諾丁漢大學(xué)的Khlobystov教授評(píng)價(jià)這項(xiàng)工作時(shí)，稱(chēng)贊其為“一項(xiàng)非常漂亮的研究”。

由于這些富有特色的研究，謝素原團(tuán)隊(duì)獲邀在Nature Chem撰寫(xiě)綜述論文。

據(jù)了解，富勒烯在有機(jī)太陽(yáng)能電池、生物醫(yī)藥、超強(qiáng)復(fù)合材料等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。目前，謝素原及其團(tuán)隊(duì)正將富勒烯作為有機(jī)太陽(yáng)能電池的電子受體材料進(jìn)行研究。

而作為一類(lèi)含幾十到幾百甚至上千個(gè)碳原子的純碳分子，富勒烯的數(shù)量幾乎可以用天文數(shù)字來(lái)形容，但因大部分富勒烯存在不穩(wěn)定的相鄰五元環(huán)結(jié)構(gòu)單元，在富勒烯的龐大“家族”中，迄今得以合成的不足萬(wàn)分之一。

謝素原及其團(tuán)隊(duì)的研究，解決了新型富勒烯合成的諸多難題，相關(guān)的研究工作被認(rèn)為“開(kāi)啟了研究最不尋常富勒烯的化學(xué)反應(yīng)、光學(xué)與電子性質(zhì)及其實(shí)際應(yīng)用的大門(mén)”[引自Angew Chem Int Ed（50, 5431）]。

研究組師生與來(lái)訪的Echegoyen教授合影

潛心為國(guó)育才

在科學(xué)研究路上取得的一項(xiàng)項(xiàng)創(chuàng)新成果，構(gòu)成了謝素原前行的路途中一個(gè)個(gè)的優(yōu)美景點(diǎn)。

鑒于其對(duì)我國(guó)科學(xué)研究所作出的貢獻(xiàn)，謝素原先后被授予青年化學(xué)獎(jiǎng)（中國(guó)化學(xué)會(huì)）、國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（國(guó)家獎(jiǎng)勵(lì)辦）、阿克蘇諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（中國(guó)化學(xué)會(huì)）、高等學(xué)校科學(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)（自然科學(xué)一等獎(jiǎng)）（教育部）等。

同時(shí)，他還獲得了“國(guó)家杰出青年基金”資助，入選“百千萬(wàn)人才工程國(guó)家級(jí)人選”和教育部“長(zhǎng)江學(xué)者”特聘教授，獲寶鋼優(yōu)秀教師獎(jiǎng)（教育部），還作為首席科學(xué)家主持國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目——973項(xiàng)目“團(tuán)簇多級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑與功能調(diào)控”，并被福建省委省政府評(píng)為“杰出科技人才”。

除了致力于科學(xué)研究，作為廈門(mén)大學(xué)的青年骨干教師，謝素原秉承了廈門(mén)大學(xué)老一輩科學(xué)家的優(yōu)良傳統(tǒng)，在教學(xué)和科研工作中踏實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)、勤奮刻苦、敢于創(chuàng)新、不急功近利、注重對(duì)學(xué)生全面素質(zhì)的培養(yǎng)。

1999年畢業(yè)后，謝素原即留校從事化學(xué)系本科課程《無(wú)機(jī)化學(xué)》的教學(xué)輔導(dǎo)工作，擔(dān)當(dāng)這門(mén)課程的助教，開(kāi)始了自己的教學(xué)生涯。2001年，他開(kāi)始主講《無(wú)機(jī)化學(xué)》課程。

為了成為一名優(yōu)秀的人民教師，謝素原積極探索和改進(jìn)教學(xué)方式，努力營(yíng)造素質(zhì)教育氛圍，使學(xué)生們改變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。他注重傳授給學(xué)生最新、最前沿的科技知識(shí)，提高學(xué)生們對(duì)科技發(fā)展趨勢(shì)的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)他們對(duì)科學(xué)研究的興趣。

針對(duì)《無(wú)機(jī)化學(xué)》課程的特點(diǎn)和研究性學(xué)習(xí)的實(shí)踐，謝素原先后撰寫(xiě)了教學(xué)論文《無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)與創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)》和《開(kāi)展研究性學(xué)習(xí) 提高學(xué)生綜合素質(zhì)》，積極探索教學(xué)規(guī)律。另外，他還參與了教學(xué)小組的教學(xué)研討，推進(jìn)教學(xué)改革，總結(jié)教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)。在集體的共同努力下，《無(wú)機(jī)化學(xué)》課程最終成為了“國(guó)家精品課程”。

謝素原也是國(guó)內(nèi)較早參與網(wǎng)絡(luò)課程編寫(xiě)的人，曾參加并完成了廈門(mén)大學(xué)《無(wú)機(jī)化學(xué)》網(wǎng)絡(luò)課程的有關(guān)編寫(xiě)工作。該網(wǎng)絡(luò)課程是廈門(mén)大學(xué)教學(xué)改革和教學(xué)科研的重要舉措。

2003年到2005年期間，謝素原作為訪問(wèn)學(xué)者到美國(guó)Clemson大學(xué)進(jìn)行訪問(wèn)研究。雖然主要任務(wù)是科學(xué)研究，但他始終心系教學(xué)工作，調(diào)研了發(fā)達(dá)國(guó)家無(wú)機(jī)化學(xué)等有關(guān)專(zhuān)業(yè)的教材教法和教學(xué)思想，并從中深受啟發(fā)，進(jìn)而為日后自己提高和完善教學(xué)效果打下了基礎(chǔ)。

回國(guó)后，他承擔(dān)了醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)和預(yù)防醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程《無(wú)機(jī)及分析化學(xué)》的教學(xué)（主講）任務(wù)。此外，還連續(xù)多年承擔(dān)了化學(xué)人才培養(yǎng)基地“育苗基金”的人才培養(yǎng)工作。

在教學(xué)工作中，謝素原始終將激發(fā)學(xué)生的科研興趣和提升其實(shí)踐能力作為重點(diǎn)，課堂氣氛活躍、互動(dòng)性強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚、積極主動(dòng)，因而教學(xué)效果明顯。

路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。成績(jī)代表的是過(guò)去，展望未來(lái)的發(fā)展，還有更多的靚麗風(fēng)景等著謝素原去一一建造。

我們祝愿謝素原“富勒烯”研究的追夢(mèng)之旅，越走越精彩。