內有乾坤 為材料而戰——記哈爾濱工業大學（深圳）材料科學與工程學院教授張嘉恒

劉玉杰

作為一種新型材料，離子液體與石墨烯、氣凝膠等一同入選了“21世紀全球十大創新性材料”之列，它不但于近年來被廣泛應用于軍工、航空航天等重要領域，還在藥品、食品、日化美妝和醫療保健等領域里發揮重要作用。

就在2019年年初，我國研發的離子液體微電推進器，成功完成了多次在軌點火試驗、微電推搭載試驗，使我國成為繼美國之后，世界上第二個在立方體衛星平臺開展離子液體微電推進空間驗證試驗的國家。

“離子液體雖不如石墨烯那樣家喻戶曉，但它是一個有巨大研究價值與研究前景的領域。”作為長期研究離子液體這種新材料的科研學者，哈爾濱工業大學（深圳）材料科學與工程學院教授張嘉恒對離子液體抱有別樣的情感。在他看來，離子液體渾身都是寶，利用這種新型材料，可以在綠色化學、航天航空推進劑系統、新離子液體合成及應用、新型離子液體微萃取方法設計等研究領域里發揮重要作用。多年來，張嘉恒在該領域里相繼取得了多項高水平的創新性成果，也讓離子液體走進更多人的視線中。

探秘離子液體之美

在張嘉恒多年的科研歷程中，都有離子液體的陪伴，這是一類在21世紀初才在化學化工領域里興起的新型綠色介質和環境友好的軟性功能材料，通常被認為是熔點低于100℃、由有機陰陽離子構成的鹽類材料。“通俗來講，就像我們天天都會用到的食用鹽，這就是一種離子化合物。”張嘉恒解釋道。

在離子液體的發展初期，其作用還比較單一，主要被用作反應介質、電解質或催化劑，其在催化、有機合成、分離分析、電化學等領域取得了巨大的成功。但隨著研究的逐漸深入，研究人員漸漸發現離子液體潛藏的秘密，它不僅僅可以被看作是一種反應介質或電解質，很多離子液體本身還具備功能材料的性質和用途。新的驚喜出現后，研究人員便在這樣的背景下，開始研究離子液體功能材料。到目前為止，離子液體作為功能材料，已被快速應用到光電材料、潤滑材料、能源材料（太陽能儲存）、核廢料回收、生命科學、磁流體材料等多種領域，為這些領域的發展做出重大貢獻。

張嘉恒

張嘉恒在中國農業大學本碩博連讀期間，在植物學、醫學和離子液體等方面均打下了扎實的科研基礎。博士期間，他的研究方向為植物活性物的高效提取及應用，他基于離子液體，開發出多種液分散微萃取技術，并將這些技術應用于食品、環境樣品中農獸藥的檢測中，取得良好效果。其間他還參與了原農業部、國家重點基礎研究發展計劃（原“973”）和國家自然科學基金的多個項目。除了與上海市農業科學院展開合作，他還積極“走出去”，與德國萊布尼茨分析科學研究所和美國艾默斯實驗室就多項分析化學領域的課題開展了合作研究。

為了加深研究程度，博士畢業后張嘉恒決定“走更遠的路，看更大的世界”。于是，自2012年起他開始留學美國，師從Jean’ne M. Shreeve教授，分別作為項目研究員助理和博士后研究員在美國海軍研究署聯合實驗室（Office of Naval Research(ONR)-University of Idaho）從事研究。后來張嘉恒又于2015年入選日本學術振興會（JSPS）研究員，隨后他在世界知名離子液體和電化學專家Masayoshi Watanabe教授的指導下，于日本橫濱國立大學從事研究，并做出多項重要科研突破。

“國外學習的這段經歷令我印象深刻，在研究思路、學術態度上都讓我有了新的認識。”張嘉恒感慨道。

勇做科研時代標兵

留學美國期間，張嘉恒參與了多個有關離子液體的重要項目的研究。其中，他參與了美國海軍研究署和美國國防部的軍工項目“高性能離子液體火箭推進劑”的研發，并做出突出成果。

含能離子液體是一類新型的離子液體材料，由于安全綠色含能材料需求量明顯加大，也得以推動其快速發展，并迅速成為近年來研究的前沿與熱點。與傳統的含能材料相比，離子液體具備的一系列低溫離子型化合物特點，如不易揮發、液態區間寬、無毒、低毒等都使其占據很大優勢。據悉，近幾年已經陸續在高氯酸鹽、二硝胺鹽、疊氮鹽及硝酰鋁酸鹽等中發現了早前被隱藏已久的含能鹽熔點較低、具有離子液體等多種特點。但它們對空氣或水不穩定、熱穩定性差、機械感度高，再加上其還存在合成復雜、有腐蝕性和毒性等不足之處，都在極大程度上制約了這些離子鹽的應用。

因此，要想獲得高性能的含能離子液體材料，需要針對低熔點、高能量、低感度、低成本等特征進行功能化設計，這樣一來，就有希望得到優化的功能化離子液體結構，可有效提升含能離子液體的性能，實現新型高能液體燃料的設計目標。

指導團隊成員進行實驗

為此，張嘉恒將很大精力放在“高性能離子液體火箭推進劑”項目的研發中，經過艱難攻關，他成功開發出綠色環境友好型的硼烷類含能離子液體推進劑。經驗證，其性能全面超越了傳統劇毒的肼類衍生物，獲得眾多國內外專家學者的關注，被視為該領域的突破性工作。

作為研究骨干，張嘉恒還參與了美國國防威脅降低局的軍工項目“新型含能材料設計”的研發，他開發的固態高能材料具有環境友好、爆速爆壓高、密度高、感度適中等特點，性能甚至可以超越目前美國軍方大規模使用的高能含能材料RDX（黑索金）和HMX（奧克托今）。

此外，在與美國海軍研究署合作的軍工項目“高性能氧化劑設計”中，張嘉恒還開發出一系列固態氧化劑，這些氧化劑具有高氧平衡、高密度、點火延遲低等優點，可以用于替換推進劑中大規模使用的高氯酸銨。

在美國學習期間，研究進展得很順利，張嘉恒利用離子液體在航天航空技術等領域里取得的成績也讓他小有名聲，但他并沒有止步于此，而是開始想要進一步拓展研究范疇，開闊學術眼界。碰巧，當時鋰電池一度成為科研學者競相研究的“搶手貨”，這讓張嘉恒也頗為“心動”，抱著試試看的心態，他開始在電檢驗及鋰電池研究上下功夫。正是這次偶然的研究想法，讓張嘉恒在研究過程中發現，他所研究的離子液體同樣可以應用于該研究方向，欣喜中他也對其產生了濃厚的研究興趣。

為了延續對鋰電池的研究熱情，張嘉恒狠下心，舍棄了美國優厚的研究條件，也暫且終止了在含能材料領域里探索的腳步。他遵從內心想法，轉戰日本，開辟了一條在生命科學方面進行產業化應用的新的研究道路。

在日本橫濱國立大學日本學術振興會工作期間，張嘉恒開始涉獵電化學清潔能源，他對包括鋰離子電池、鈉離子電池、鋰空電池及鋰硫電池在內的多種清潔能源電池中電解質的開發進行了深入的研究。他在系統研究溶劑化離子液體概念的基礎上，創新性地設計出多種新型的多氰基電解質。與此同時，他還設計合成了多種共軛羰基有機物電極材料，并將這些電極材料成功地應用于鋰離子電池和鈉離子電池體系中，具有高理論比容量、低成本、綠色環保、操作安全等優點。

“還記得前幾年頻頻出現手機爆炸事件，那就是鋰電池出現問題所造成的。”提起鋰電池安全性問題，張嘉恒頗為擔憂。而離子液體讓他看到了希望，他表示，離子液體本身具備的蒸氣壓低、無可燃性、熱容量大等優點，極有可能徹底解決鋰離子電池的安全性問題。事實證明，張嘉恒的想法是正確的。他用離子液體添加劑替代傳統添加劑，順利解決了傳統添加劑熱穩定性效果差、耐高壓性能差和功能單一等缺點。使用離子液體共溶劑類電解液后，張嘉恒發現不僅電池安全性能得到了提高，還大幅度提高了電池的高溫及循環性能。此外，他還從鋰離子電池的“血液”——電解液入手，成功開發出新一代的離子液體電解液，可充分滿足電池在容量、壽命、安全等方面的要求。張嘉恒所做的努力使得超級電容器、大規模儲能系統的升級換代有了確切的新途徑，還為推動電動汽車和新能源千億級產業發展提供了有力支撐。

將技術成果轉化落地，張嘉恒明白這是一條漫長的研究之路，但他從不曾有過一日懈怠。2017年張嘉恒通過“國家高層次人才引進計劃”被引進回國并加入哈爾濱工業大學（深圳），將科研基礎研究與成果產業轉化兩手抓，先后主持參與了深圳市石墨烯制造業創新中心扶持計劃項目“用于柔性印刷電子的石墨烯基材料與含能儲能器件研發”、深圳市孔雀團隊項目“柔性可穿戴電子器件中關鍵材料研發”、深圳市科創委學科布局項目“新型硼烷類‘自點火’離子液體推進劑的合成及性能研究”等。并于近5年內發表SCI論文150多篇，論文總影響因子之和大于500，引用次數達4100余次，h指數為38，其中3篇J. Am. Chem. Soc.一作研究文章和1篇Dalton Trans.入選了ESI高引論文。

在嚴謹而精細的離子液體領域里縱橫多年，練就了張嘉恒如今的性格。他做事認真負責，幾乎每天都要承受高強度的工作壓力，但在旁人看來，他似乎從不知疲倦，任何時候只要一有研究想法，他就要努力去嘗試，去驗證。在他看來，這些都是他樂意去做的，也是每一位科研人成功的必經之路。

一場材料競賽

在忙著研究離子液體這一前沿課題的同時，張嘉恒還不忘帶領更多人向獨立創業的路上砥礪前行。

美國前總統林肯曾說過：“專利制度就是給天才之火添加利益之油。”仔細想想，其最終目的無非為了能讓創新成果可以盡快地實現轉移、轉化，使之最大限度地造福社會。這也許是每一位科研人員的“終極夢想”，張嘉恒也早早加入了讓離子液體技術“落地”的創業競賽中。

碩士時期，張嘉恒就開始在創業路上“小試牛刀”，他聚焦大健康產業，充分利用離子液體具備的生物相融性、溶解性等出色性能，將這種新技術重點應用在生命科學應用藥物、化妝品等產品的研發上，一點點通過自身與團隊的共同努力為離子液體“正名”，使更多人看到了它的巨大價值，并被逐漸重視起來。

隨后在經歷多年海外留學與工作后，張嘉恒拓寬了研究視野，也意識到離子液體介質與功能材料還有很多值得挖掘的潛在價值。為了驗證自己的想法，回國后，他把參與創建的廣東萱嘉醫品健康科技有限公司作為研發平臺，在將離子液體新技術轉化為產品的道路上不斷創新，攜轉化成果參與多個國家級、省級創賽并獲得優異成績，其研究成果“植物源超分子溶劑及其綠色提取技術”順利通過韶關市科學技術局科技成果登記的審核評定，完成了科技成果登記。

張嘉恒從不打無準備之仗，在產品研發前，他先是對離子液體的相互作用譜、離子鍵的設計方法及離子的化學、物理和生物性質等做到充分了解，進而在理論基礎上開始實踐，最終開發出“天然離子液體（鹽）”“天然深度共融溶劑”“超臨界流體萃取”等多項新技術，打破了國外多年的技術封鎖，并將這些新技術用于動植物藥用活性成分提取及應用、多種軟性材料的生產及應用整合技術上，成功打造了離子液體技術支持的日化及美妝產品。

在張嘉恒的帶領下，研發團隊在植物原料的選取上格外費心，嚴格把好“質量關”，選擇的原料均具有很高的離子液體油相萃取植物活性成分。團隊還利用離子液體親水、親油及可調性等特點，對護膚產品的原料及配方進行了優化設計，使其在兼顧功效性、穩定性的同時，還提高了安全性。除此之外，這一系列產品選取的部分植物活性成分都具有抗菌性，可完全替代添加劑，從而減少對皮膚的刺激性。值得一提的是，使用產品后有效成分的吸收率也大大提升，功勞就源于生物堿離子液體技術。“應用這種技術后，可提高其溶解度，這樣就有利于深層穿透，還能促進生物堿與有機酸的結合，從而產生協同效應。”張嘉恒解釋道。

銳意進取的科研意識和一步一個腳印的研發規劃，使得張嘉恒在技術成果及產品生產方面取得了一個又一個的重要成果。其中，不得不提的便是“植物源超分子溶劑及其綠色提取技術”。

和傳統有機溶劑相比，植物源超分子溶劑及其綠色提取技術在天然成分提取中具有十分突出的優勢。首先，植物源超分子溶劑與水的可溶性強，可解決一些天然成分溶解性差、難以吸收等問題；其次，植物源超分子溶劑原料種類豐富，可設計性強，有利于根據待提取物設計超分子溶劑，富集待提取物，提高提取率；同時，植物源超分子溶劑本身為綠色天然成分，在使用后不須分離，可直接作為大健康產品的原料使用，安全環保，免去了分離提純的步驟，節約時間和成本。由此來看，植物源超分子溶劑及其綠色提取技術是一種十分有前景的天然成分提取技術。

憑借該技術，張嘉恒領導下的深圳市萱嘉生物科技有限公司現已成功開發出多個系列的植物源超分子溶劑并應用于植物活性成分的提取，例如提取黃芪中生物堿、提取關黃柏中生物堿、提取橄欖中多酚類物質等。相關技術已成功開發出植物源萃取精華、植物源美白精華、植物源抗炎精華等多種產品，且已達到規模化生產水平，可保持產量充足。并且，由其研發的植物源超分子溶劑及其綠色提取技術適用于多種植物有效成分的提取，并且提取后不須將植物源超分子溶劑分離，可與植物活性成分共同作為食藥妝原料用于大健康產品領域。

企業應該通過自己的實力去造福社會，推動社會科技水平的進步，在張嘉恒看來，這是企業應該具備的使命與責任。因此，在他關于公司的發展規劃中，向社會推出高質量的產品與鉆研先進的科學技術從來都是并行齊進的。得益于他的社會責任意識，深圳市萱嘉生物科技有限公司多年來才能夠取得一系列的先進技術成果，并于2020年12月11日順利通過國家高新技術企業認定，收到由深圳市科技創新委員會、深圳市財政局、國家稅務總局深圳市稅務局聯合頒發的《高新技術企業證書》。不僅如此，2021年1月28日，萱嘉生物科技有限公司順利通過了質量認證的專項審核，正式獲得了ISO9001質量管理體系認證證書。在張嘉恒看來，這是對公司經營以來質量管理體系工作實施的肯定，同時，這也說明了萱嘉生物研發的產品質量得到了充分的保障，并且各項管理工作的規范化、標準化達到了國際標準水平。他說，在今后的發展中，他將會不斷提高公司的管理水平，保持公司在市場競爭中的良好企業形象和信譽，為社會創造更大的價值。

團隊合影

更上一層樓

古語云：“流水不爭先，爭的是滔滔不絕。”但對于張嘉恒及其領導的萱嘉生物科技有限公司來說，既要爭做行業領先，也要時刻保持不斷前進的發展狀態。2021年6月1日，歷時兩年，斥資過億元，占地22畝、建筑面積達26500m2的功能性化妝品及功能性食品產業園——萱嘉醫品科技產業園已作為韶關市百億重點項目之一正式竣工。該產業園位于韶關新區，占地20余畝，并配備有10萬級GMP生產車間，得到了韶關政府的高度重視。不僅如此，萱嘉生物科技有限公司還獲得了深圳市人才創新創業三號基金和深圳市國華投資管理股份有限公司數千萬元A輪投資，以此來專注于新材料開發與具有核心自主技術的創新。

政府及外界其他相關資源的加持，以及強大的研發團隊是張嘉恒保持先進研發技術、提升轉化能力的關鍵武器。張嘉恒提到，如今，他的研發團隊中已有多位高校博士后出站研究人員，其中多位在哈爾濱工業大學（深圳）材料學院從事博士后研究并經考核出站全職加入了萱嘉生物，同時，深圳市政府也向萱嘉生物發放了近百萬元的配套研發經費。今后，張嘉恒將以萱嘉生物科技有限公司為平臺，通過先進材料探索生命科學的奧秘，推動科技創新工作走深走實，為建設科技強國貢獻一份力量。