章躍標(biāo)：演繹化學(xué)之美

徐艷慧

章躍標(biāo)在上海科技大學(xué)2021屆畢業(yè)典禮上作為教師代表發(fā)言（攝影：王澤家）

近日，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授章躍標(biāo)獲得2021年上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人項(xiàng)目資助。在他看來(lái)，這是一種榮譽(yù)，更是一種責(zé)任：“我國(guó)正處于創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)刻，我們作為科研工作者承載了國(guó)家和人民的殷切期望！這個(gè)榮譽(yù)激勵(lì)我接續(xù)奮斗，在分子基多孔材料研發(fā)方面取得更多的突破，進(jìn)一步去推動(dòng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，去推動(dòng)能源綠色轉(zhuǎn)型，去推動(dòng)生態(tài)環(huán)境改善。”

從“聽(tīng)美”到“悟美”

章躍標(biāo)的父母一直從事化工行業(yè)相關(guān)的工作，從他小時(shí)候就時(shí)常告訴他：“化學(xué)非常重要，一條反應(yīng)方程式就可以養(yǎng)活一個(gè)工廠(chǎng)和許多家庭！”耳濡目染之下，他對(duì)化學(xué)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的興趣。初中時(shí)，他就獲得了廣東省化學(xué)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)，這使他受到了很大的鼓舞，從事化學(xué)研究的夢(mèng)想自此產(chǎn)生：“化學(xué)是一門(mén)實(shí)用的科學(xué)，我一定要學(xué)好化學(xué)?！比欢?，章躍標(biāo)的大學(xué)化學(xué)成績(jī)起初并不理想，他因此陷入了迷茫，直到他參加了一個(gè)受益終身的科普講座。

開(kāi)講座的有兩位先生，一位是如今已經(jīng)故去的蘇鏘院士，一位是章躍標(biāo)后來(lái)的導(dǎo)師陳小明教授?！澳莻€(gè)時(shí)候蘇先生對(duì)我們講‘熒光材料是很美的’?！闭萝S標(biāo)說(shuō)，“雖然我因?yàn)楫?dāng)時(shí)知識(shí)受限而看不出來(lái)那種美，但是從言語(yǔ)中，能感受到他對(duì)化學(xué)的深情和專(zhuān)注?！蓖ㄟ^(guò)感受老一輩科學(xué)家的精神風(fēng)貌，章躍標(biāo)頓悟了自己未來(lái)的路要如何走：必須摒除外界干擾，靜下心來(lái)做學(xué)問(wèn)。陳小明教授則在講座上呼吁大家?jiàn)^發(fā)圖強(qiáng)，共同追趕化學(xué)研究國(guó)際前沿的腳步。一番令人熱血沸騰的講話(huà)使章躍標(biāo)更加堅(jiān)定了為國(guó)家和社會(huì)而努力的決心。

通過(guò)選修陳老師的課，他漸漸對(duì)超分子晶體工程產(chǎn)生了濃厚的興趣：“怎樣通過(guò)合理設(shè)計(jì)拼裝出各式各樣的超分子建筑？既可以做‘分子拉鏈’，又可以做‘分子籠子’，這實(shí)在是太奇妙了！”于是，他通過(guò)自己的努力加入了陳小明教授的研究團(tuán)隊(duì)，從此開(kāi)始了本科和研究生的科研實(shí)踐?！爸钡胶髞?lái)跟隨陳老師做研究，我才真正領(lǐng)悟到化學(xué)的魅力。”當(dāng)自己也深入化學(xué)研究、全心鉆研，章躍標(biāo)才發(fā)自?xún)?nèi)心地體會(huì)到：“化學(xué)真的是很美！我也無(wú)法向別人描述，但我身處其間，可以真切地感受到超分子結(jié)構(gòu)的建筑美學(xué)。”

十多年過(guò)去了，章躍標(biāo)提到他第一個(gè)關(guān)于金屬-有機(jī)框架（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MOF）的研究工作時(shí)，仍然高興得像個(gè)孩子?！澳鞘俏覀兊谝淮斡萌S渲染軟件把MOF的晶體結(jié)構(gòu)畫(huà)出來(lái)，把它復(fù)雜的孔洞結(jié)構(gòu)畫(huà)得很漂亮，現(xiàn)在看來(lái)仍舊如此。我一輩子都可以拿出這張圖來(lái)說(shuō)，這是我畫(huà)過(guò)的最漂亮的一張晶體結(jié)構(gòu)圖。”除了感悟化學(xué)之“美”，章躍標(biāo)在研究生期間還完成了一項(xiàng)高連接MOF結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性質(zhì)研究的重要成果。相關(guān)研究成果使他榮獲教育部首屆“博士研究生學(xué)術(shù)新人獎(jiǎng)”，并為他后來(lái)拓展化學(xué)之“用”奠定了重要基礎(chǔ)。

從“好看”到“好用”

章躍標(biāo)發(fā)現(xiàn)的高連接MOF材料具有極高的孔洞率（高達(dá)70%的晶體體積）、超高的比表面積（超過(guò)2000m2/g）和優(yōu)越的氣體吸附性質(zhì)。如何充分利用這個(gè)多孔性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)物理吸附儲(chǔ)氫的優(yōu)越性能是他接下來(lái)要啃的硬骨頭。選定這個(gè)目標(biāo)后，章躍標(biāo)與合作者對(duì)這一研究體系一扎下去就是整整3年。通過(guò)對(duì)MOF的多孔結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣性能的合理調(diào)控，他們將原本的單個(gè)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)展成13例新材料，從僅有的低壓條件下的氣體吸附性質(zhì)研究拓展至高壓條件下的氫氣存儲(chǔ)性能評(píng)價(jià)。最終，他和研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了該類(lèi)MOF材料在77K下的儲(chǔ)氫容量高達(dá)7.5wt%的新紀(jì)錄。

博士畢業(yè)后，章躍標(biāo)隨即前往美國(guó)加州大學(xué)Omar M. Yaghi教授課題組開(kāi)展博士后研究，一次“毛遂自薦”使他獲得了這一工作。當(dāng)時(shí)，在陳小明教授課題組不僅能開(kāi)展前沿的研究課題，而且能經(jīng)常接觸到國(guó)外來(lái)訪(fǎng)的國(guó)際知名專(zhuān)家學(xué)者。正當(dāng)章躍標(biāo)在研究中遇到困難關(guān)口，MOF研究領(lǐng)域的奠基人之一Omar M. Yaghi教授恰好應(yīng)邀到中山大學(xué)作學(xué)術(shù)報(bào)告。章躍標(biāo)主動(dòng)擔(dān)當(dāng)了這個(gè)學(xué)術(shù)活動(dòng)的研究生志愿者，在接待工作中獲得了更多與Yaghi教授交流的機(jī)會(huì)。通過(guò)學(xué)術(shù)報(bào)告和交流，他進(jìn)一步了解了MOF材料的最新研究進(jìn)展及其在未來(lái)環(huán)境、能源領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用，備受鼓舞的同時(shí)明確了未來(lái)發(fā)展的方向，并在送Yaghi教授去機(jī)場(chǎng)的路途中獲得了與其合作的機(jī)會(huì)。誠(chéng)然，這是一次機(jī)緣巧合，但充分的準(zhǔn)備才能把握住機(jī)會(huì)。

進(jìn)入Yaghi教授實(shí)驗(yàn)室后，章躍標(biāo)主動(dòng)選擇了更加具有挑戰(zhàn)性的共價(jià)有機(jī)框架（以下簡(jiǎn)稱(chēng)COF）研究方向。相較于MOF材料的配位組裝，COF材料是完全由共價(jià)鍵鏈接而成的晶體多孔材料，具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和更廣闊的應(yīng)用前景，但是結(jié)晶更加困難，結(jié)構(gòu)測(cè)定更是難上加難。“但是沒(méi)多久，我又非常幸運(yùn)地遇到一個(gè)來(lái)訪(fǎng)的教授，她是斯德哥爾摩大學(xué)的鄒曉冬教授。她發(fā)展了一種利用電子衍射解析僅有亞微米尺寸單晶的結(jié)構(gòu)分析技術(shù)。于是我就想，能不能跟她合作解析COF的單晶結(jié)構(gòu)？”又是一次毛遂自薦使章躍標(biāo)達(dá)成了重要的研究合作，他也成為率先采用電子衍射來(lái)解析COF單晶結(jié)構(gòu)的研究者之一。

在COF研究領(lǐng)域打造了屬于自己的第一塊“金字招牌”對(duì)章躍標(biāo)今后的研究工作和職業(yè)生涯產(chǎn)生了極大的幫助和重要的影響。之后，他又陸續(xù)在《科學(xué)》《自然·通訊》《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》《化學(xué)科學(xué)》等國(guó)際頂尖雜志上發(fā)表了相關(guān)研究成果。

國(guó)之大者 創(chuàng)新策源

2015年2月，章躍標(biāo)正式加入上海科技大學(xué)，成為這所新興大學(xué)的獨(dú)立課題組組長(zhǎng)。在那之前，他作為教授候選人來(lái)到上?？萍即髮W(xué)，參加第二輪面試后正巧是2014年9月30日，這一天不僅是上海科技大學(xué)獲教育部批準(zhǔn)同意正式建立一周年，也是第一屆本科生暨第二屆研究生開(kāi)學(xué)典禮的重要日子。典禮上，江綿恒校長(zhǎng)演講中提及的服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展國(guó)家戰(zhàn)略創(chuàng)校理念和對(duì)未來(lái)中國(guó)能源科技創(chuàng)新的展望再一次激勵(lì)了他?！奥?tīng)完之后，我真是心潮澎湃，立刻下定決心要加入這樣的一所新型研究型大學(xué)，和大家共同建設(shè)中國(guó)能源綠色轉(zhuǎn)型的未來(lái)。”于是處理完手頭工作后，章躍標(biāo)就立刻啟程返回祖國(guó)，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和安全規(guī)范打造分子基多孔材料研究的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。2019年1月，章躍標(biāo)實(shí)驗(yàn)室被評(píng)為2018年度上海市高校治安安全示范點(diǎn)。

如今，章躍標(biāo)所領(lǐng)導(dǎo)的課題組也已經(jīng)成為化學(xué)、物理和材料科學(xué)學(xué)科交叉、人才梯隊(duì)配置合理的研究團(tuán)隊(duì)。他們不僅在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表了系列前沿的研究工作，針對(duì)天然氣汽車(chē)在長(zhǎng)途運(yùn)輸應(yīng)用中所需儲(chǔ)氣量大、工作壓力高等問(wèn)題，提出了多組分適配策略構(gòu)筑高比表面積等級(jí)孔材料，打破了超高甲烷存儲(chǔ)容量紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了從材料到器件的重要突破，并已著手開(kāi)展了一些科研成果的落地轉(zhuǎn)化。

面向國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”的重大需求，分子基多孔材料將在碳中和能源應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。在前期研究的基礎(chǔ)上，章躍標(biāo)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了“碳捕集新穎機(jī)制”建立等工作。他們針對(duì)傳統(tǒng)煙道氣碳捕集技術(shù)再生能耗大、易毒化、設(shè)備腐蝕等痛點(diǎn)，提出了框架穩(wěn)定性設(shè)計(jì)策略和動(dòng)力學(xué)選擇性吸附方法，實(shí)現(xiàn)了煙道氣高性能、低能耗、直接固體吸附。相關(guān)研究成果已在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界取得良好口碑。下一步，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化材料的規(guī)?；a(chǎn)和加工成型，以期實(shí)現(xiàn)在更為貼近的工況下，對(duì)二氧化碳真正的高效分離與捕集。

章躍標(biāo)表示，在未來(lái)的幾年里，他和團(tuán)隊(duì)將集中精力開(kāi)展多孔框架材料的碳中和應(yīng)用研究，為早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和科技自強(qiáng)自立的中國(guó)科技?jí)舴瞰I(xiàn)自己的力量。