劉宇：我們是化工之濱的“捕撈人”

本刊記者 李玉芹

2013年劉宇在美國留學

專家簡介：

劉宇，華東理工大學副教授，從事納米多孔吸附材料、電極材料的設計、化工熱力學與計算機模擬、分子熱力學軟件開發等相關研究多年，參與國家自然科學基金委重大研究計劃重點支持項目以及主持負責青年科學基金和面上等多項重點研究項目，在Journal of Physical Chemistry Letter 、Langmuir、Journal of Chemical Physics、Physical Review E等國際著名刊物，以第一作者身份發表了SCI論文數篇。其博士論文榮獲“2014年上海市優秀博士論文”，同時他還是“2014年華東理工大學青年英才計劃”入選者，曾獲得“2015年華東理工大學化工學院‘化工之星’”榮譽。

1994年11月中旬，美國召開了國際上第一次納米材料商業性會議，納米材料的發展和如何縮短其商業化進程成為此次會議的討論重點；而后，德國在制定21世紀新材料的發展戰略時，將氣凝膠和高效納米陶瓷作為了重大發展方向；英國、日本緊隨其后，先后制定出納米復合材料研究計劃……這一切似乎都在宣示著：納米材料的研究熱潮席卷而來。

那么，納米材料研究究竟有著怎樣一張“面孔”呢？長期從事納米多孔吸附材料研究工作的華東理工大學副教授劉宇對記者講了這樣的一番話：“不管是納米材料、電極材料，又或者其他，探究它們的本質其實都是為了能夠開發出新型復合材料。”他表示，自然界中，純天然形成的材料種類數以億計，若將每一種都進行合成研究顯然是不現實的。明確材料屬性，從大規模中“捕撈”出小范圍，這便是研究人員長期以來的使命。

“我們目前的工作是基于理論基礎，通過篩選找出與應用效應匹配的材料，并利用實驗合成確定它的有效性，從而服務于化工生產。”在劉宇的介紹中，電池材料、電極材料以及為響應國家減排號召的汽油脫硫材料都被囊括在內，從研究材料本身的屬性到探究材料合成過程發生的化學變化，從反復篩選到反復試驗，每一步都容不得丁點兒懈怠。

時代召喚 責無旁貸

被稱為21世紀最有前途的納米材料，兼具了輻射、吸收、殺菌、吸附等多種功能特性。行業專家預測，其勢必會在醫療診斷、電子器件、涂層等諸多領域得到廣泛的應用。

結合國內外發展現狀，能源危機與環境污染日益泛濫，高效的材料開發、利用已成為世界性共識。為推動我國可持續發展戰略，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》明確指出，納米技術作為可再生能源的重點前沿技術，承擔著新材料發展不可推卸的責任。其中，納米材料的可控制備、自組裝和功能化，納米材料的結構、優異特性及其調控機制，以及納米材料和納米技術在多領域內的應用等，將成為未來發展中重點且長期性的研究任務。

立足研究領域的可視范疇，響應國家長遠規劃，劉宇與華東理工大學材料學院李春忠教授展開合作，將“功能納米材料介尺度結構的形成機制與性能調控規律”作為大力推進項目?！艾F在來講，我們的合作研發、項目搭建主要在各個學院之間展開，依托華東理工大學的學科優勢，做一些材料結構和性能方面的研究?！?/p>

早在2006年，劉宇作為華東理工大學的碩博聯讀研究生，跟隨導師胡英院士、劉洪來教授進行了分子熱力學等方向的研究。在劉洪來、胡英導師帶領的研究團隊的探索下，在分子熱力學和分子傳遞現象、復雜材料的微相平衡和結構演化等多方向工作展現出不俗成果?；ば虏牧系募{微結構和形成過程及其調控方法的建立，材料界（面）結構與應用性能關系發展，以及材料制備和應用過程中發生在納微空間的相變、傳遞和反應過程等一系列突出發現，都為如今重大研究計劃項目的實施奠定下深厚的基礎。

在此次項目研究中，針對功能納米材料制備過程中的介尺度問題，團隊圍繞具有三維多級結構的半導體氧化物，及其碳基復合功能納米材料制備的多相反應過程，采用多尺度的平衡態密度泛函理論、非平衡態統計力學理論，以及量子化學計算和分子模擬結合的模擬方法，揭示其中原理，闡明發生過程中的規律，為材料的理性設計、大規模合成和制備提出新的科學依據。

2012年與導師劉洪來教授（右）合照

一筆一劃是自我的書寫

如果說人生是一本自我篆刻的書，劉宇的履歷顯然已經足以寫滿厚重的幾頁紙了。

2002年高中畢業，一方面出于興趣愛好，一方面基于良好的物理基礎，劉宇選擇了湘潭大學，物理學成為他日后的發展方向。但對于這個選擇，他坦言，自己當時的想法并不明晰?！案咧须A段，其實對于專業的了解程度很有限，考慮到物理相對比較有把握，而自己也恰好喜歡就去學了，沒有想過要走多遠。”而今，多年研究中，他不斷地挑戰自我，開拓發展。他明確地告訴記者，路確實選對了，而征程也才剛剛開始。

結束4年的基礎鋪墊學習，劉宇進入華東理工大學進行物理化學方向的碩博連讀。在此期間，他憑借自身成績的優異和態度的勤懇，被學校選派至新加坡國立大學進行為期兩年的聯合培養。談及這段經歷，劉宇印象很深?！皣鈱W習最大的收獲還是對于眼界的擴寬?！睅煶薪ㄎ慕淌?，他繼續著吸收材料的相關研究工作。他從自身經歷出發，綜合對比國內外人才培養過程，直言：相比國內，國外的人才培養模式更為嚴苛?！叭藗兛偸钦J為國外的學術氛圍會輕松一些，至少在我看來并不是。自由更多源于研究方向和溝通交流層面，而并非學術工作。在國外期間，我的導師除了專注學術之外，對每個學生的研究進度都盯得很緊，但同樣對于學生的要求，也會給予最大的幫助。我和姜教授的接觸時間很充足，每天下午的四五點鐘總能在實驗室看到他的身影。一旦研究過程有什么問題或者想法都能第一時間和他討論，聽取他的分析意見，這對我當時的幫助很大?！?/p>

在肯定海外培養經歷的同時，劉宇還不忘表達對如今團隊中的胡英院士和劉洪來教授的感謝和栽培?！皬拇T博階段開始，兩位恩師對我的影響一直是潛移默化的?！眲⒂钫f道。無論是研究工作，還是項目推動，他表示自己都受到了恩師的不少提攜。如今，已經身為副教授，投入多個項目研究之中，他也證明著自己有了獨當一面的能力。

2015年，在環境污染和能源危機的大背景下，劉宇將廢氣、廢水的有害物質分離，以及開發清潔高效的新能源過程中所面臨的氣體吸附、分離作為攻克難點，為尋找優良的吸附分離材料展開重點研究。在他獲批的國家自然科學基金青年項目中，他把具備高性能吸附能力的新型材料——金屬有機框架作為研究對象。著眼其材料種類繁多，構建結構復雜等問題，他遵從“先篩選后合成”的理念，以定向合成代替大規模合成，最大程度地杜絕時間、資源的浪費，并且極大地提升了新材料的開發效率。

除此之外，針對金屬有機框架動力學性質研究明顯落后于平衡性質的現狀，劉宇提出運用模擬和半經驗模型的方法，以及發展動態經典密度泛函理論進行非平衡態研究。他解釋說，“傳統意義上，金屬有機框架的研究多有涉及它的平衡態。若以水為類比，平衡態相當于一杯靜止的水，而非平衡態則是讓水流動變化，我們當前的研究便是面向非平衡態特有的動態過程。這在國內外的研究當中尚屬少數，研究所具有的挑戰性也十分可觀?！?/p>

被問及困難和壓力的應對之策，劉宇如今很是看得開?！罢f到底，在研究過程中，你不能否認靈感這種東西很重要，有時候在實驗室思考確實是想不出東西的，反倒出去散散步，換一個環境，說不定需要的東西就突然出現了?！睘槭裁慈绱苏f呢？這恰恰是劉宇深切的經驗之談。“博士剛畢業，我到美國從事博士后研究。剛到美國，環境還不太適應，加上課題難度又大，半年時間過去工作幾乎毫無起色。”即便現在想來，他對于當時一度崩潰的心情還深有感觸?！澳菚r，每天徘徊在家與實驗室之間，腦袋里卻理不出絲毫頭緒。長時間下來，也就有了種不服輸的感覺，想著一定要做出點東西。于是后來干脆離開實驗室，每天到各個地方散步，邊走邊思考，突然有一天就豁然開朗了。”說起這話，劉宇的言語中不免還有些過往的激動。

繼往開來 砥礪前行

2014年回國前在美國加州

2014年，劉宇回歸祖國，任職于華東理工大學。得益于在美國與吳建中教授的交流合作，此時的他對于基礎性的理論知識胸有成竹。“博士畢業時，我感覺自身的理論基礎還有些不牢靠，在美國的這段時間，那種不踏實的感覺慢慢消失了?！眲⒂钫f，吳建中教授的研究偏重于理論，這讓他在理論基礎的提升上分外受益，甚至于眼下所做研究工作，其基礎也正是源于那段時間的積累。

回國之后，劉宇承擔起多個地方級專項項目研究，后又以第二負責人身份參與了重大研究計劃重點支持項目，同時他還主持了國家自然科學基金青年項目和面上項目。據他講述，“反應-傳遞密度泛函理論的構建與應用”的面上研究是對前兩者的進一步推進，“前邊的項目研究均是針對非平衡態發展，但其中并不包括化學反應，而這次的研究我希望將‘三傳一反’體系能夠結合起來”。廣泛存在于化工過程中的反應—傳遞耦合現象，其解釋和預測是化工過程和化工裝置設計中的重要課題。對此，劉宇帶領團隊結合反應動力學模型和經典動態密度泛函理論，構建反應-傳遞密度泛函理論，并旨在將其應用于實際化工過程。

“有關材料的理論性研究是無法看到最直接的應用效益的?！眲⒂钪卑椎馗嬖V記者，并繼續補充道，“材料理論研究是為了更加接近它的形成機理，通俗來講就是為了了解它為什么長成現有的樣子，進而通過對其機理的深入探究，為后續的應用發展給出指導性意見?！弊鳛椤跋蠕h隊”，理論性研究可謂深藏功與名。

科研之外，長久的深造培養經歷讓劉宇對于教學也有了一番自己的見解。在他看來，學習的過程需要源源不斷的動力，這對于長期的研究發展是必不可少的?！吧頌槔蠋煟覀冇胸熑稳ネㄟ^教學有意識地培養學生的主動性，在教給他們知識的同時，更應該教會他們如何去學，怎樣能學好。”授之以魚，更要授之以漁。