探索功能的分子建筑師
——記中國科學院化學研究所有機固體院重點實驗室研究員劉彩明

□ 范佳樂

劉彩明在磁性測量實驗室

材料是人類生產和生活的重要物質基礎，它和能源、信息并列為現代科學技術的三大支柱，其應用已經滲透到生產生活的方方面面。而功能分子材料是材料科學中具有跨時代意義的一支，其涉及面很廣，包括光、電功能，磁功能，分離功能，催化功能，形狀記憶功能等。它們不但能夠替代一些生產生活中的傳統材料，還有望提供和創造更多豐富而實用的新性能，其優越性在眾多材料中越來越顯著。

我們在生活中經常看到很多漂亮的建筑和家具，特別是中國古建筑和古家具常常巧妙應用各種榫卯連接，組裝成不同的形狀和結構。在微觀世界里也同樣可以進行分子的組裝和構筑，通過不同的構筑模塊組裝成更高級的分子聚集體或超分子，并賦予其特定的功能。劉彩明的科研著重點就在這里，他笑稱自己為一名普通的功能分子建筑師。“我們會選擇不同的分子構筑模塊（如有機配體），通過配位鍵等作用力將它們和金屬離子結點連接，組裝成具有特定高級結構（包括零維、一維、二維和三維）的功能分子材料。”在科研世界里篤行多年，他扎根于自己的研究領域，以磁性為研究重心，以晶態分子材料為主要研究對象，從事磁、電、光等功能分子材料或多功能分子材料等領域的研究，取得了一批創新性成果。時間更迭十幾載，劉彩明從未改變自己內心的執著。

探索如棋局一般的化學世界

圍棋的世界變化莫測，不同的下法，可能會將棋局引向不同的境地。在劉彩明看來，化學與圍棋有異曲同工之妙，它們均是十分復雜且創造性非常強的領域，化學的元素周期表就如棋盤一樣神奇，各種元素的變化組合，會產生不同的化學物質，不同的結構決定了其不同的性質或功能。在化學的世界里，劉彩明一直腳踏實地深入在科研棋局之中。

最初，劉彩明主要從事有機合成方向的研究；在南京大學化學化工學院配位化學國家重點實驗室攻讀博士學位期間，劉彩明師從游效曾院士開展研究工作，接觸到了光電磁功能配合物領域，并對此產生了濃厚的興趣。1998年9月—1999年12月，劉彩明前往瑞典隆德大學無機化學系從事博士后研究，針對金屬蛋白酶在人體中的催化作用，開展模擬金屬酶結構的配合物研究，取得了一系列成果。2000年他到北京大學化學與分子工程學院稀土化學材料及應用國家重點實驗室高松院士課題組，做了一年的高級訪問學者，開始把研究重點轉向磁性配合物。隨后劉彩明到中國科學院化學研究所有機固體院重點實驗室工作，在實驗室領導朱道本院士和張德清研究員等人的支持下，繼續從事功能分子材料或多功能分子材料等領域的研究。

到目前為止，工業上所用的磁性存儲材料基本上都是純無機材料，而內存趨大、存儲單元趨小是信息存儲產業發展的大勢所趨。“如果用傳統的物理加工的方法，其存儲單元的尺寸大小會受到限制。但在化學領域，分子可以設計成最小的尺度，一個存儲單元就是一個分子；而調控又是化學的強項，科學家可以調控分子材料的微結構和功能，做成同時具有鐵磁性和鐵電性或光學特性的多功能材料，這種多功能分子材料可以對磁場和電場或光響應，實現邏輯態的倍增，從而提高信息存儲的密度。”劉彩明說。他始終認為，這一領域有極大的研究潛力亟待挖掘。

致力于分子磁體的化學調控和多功能化研究

當今人類已經處于信息社會，很快就會進入人工智能時代，磁性材料作為信息存儲的物質基礎，一直都是科學研究的焦點。根據摩爾經驗定律，信息存儲能力的提高對電腦的更新換代起著至關重要的作用。由于對傳統磁性存儲材料所做器件“自上而下”機械加工的難度限制，科學家們希望通過化學的方法“自下而上”設計組裝分子基磁體來解決這一問題，所以分子磁體，特別是分子納米磁體的研究引起了化學家、材料學家等科學家的廣泛興趣。單分子磁體作為一類在低溫下呈現出超順磁性和磁馳豫行為的納米尺度分子磁體，有望應用于高密度信息存儲、量子計算和分子電子學等領域。

在功能分子材料領域中前行多年，劉彩明積累了豐富的研究經驗。憑借著自身的研究優勢，劉彩明由衷希望自己能做出一些得到同行認可的、有突破的研究成果。因為單個分子的排列取向在晶胞中難以調控，目前對單分子磁體的大多數研究只考慮到分子內的磁矩排列取向問題；劉彩明巧妙地開發了一個體系，將單分子磁體單元之間通過化學鍵固定成兩種不同的三維排列，發現單分子磁體單元的同向排列比兩個方向排列具有很明顯的磁性優勢，這一發現對將來單分子磁體的實用化有指導意義。劉彩明等人還發現在一類Zn-Dy異金屬一維鏈式配合物中，其Schiff堿配體二亞胺上烷基鏈長度的微小差異（相差一個碳原子）可以引起產物結構的顯著變化，導致單分子磁體的能壘值相差很大,從而可以在分子水平上顯著調控單分子磁體的結構和性能。以上相關成果均發表在今年的美國權威化學期刊Inorg.Chem.上。在研究中，他們重視采用溶劑熱法開展相關探索。“用這種方法往往會得到一些不同于熱力學穩態和動力學穩態的亞穩態物質，實現一些研究中的新奇想法。”劉彩明深有體會地說。

另外，在實現分子材料多功能化的道路上，“手性”往往可以給材料帶來很多有趣的性質，比如鐵電性和二階非線性光學性質；劉彩明一直重視通過對純手性分子的設計合成，來實現分子材料的多功能化。通過不斷探索，劉彩明及其合作者開發了多個體系的既有鐵電性又有磁性質的多功能分子材料，發表在J.Am.Chem.Soc.,Chem.-Euro.J.等著名化學期刊上。在磁、光多功能分子材料方面，他們最近成功地用無手性的起始原料通過陰離子模板作用構建了純手性左手螺旋鏈Zn-Dy異金屬配合物，它既有二階非線性光學性質又有單分子磁體性質，相關研究成果發表在今年的英國皇家化學會旗艦雜志Chem.Commun.上。此外，他們還合成了一些新型的能發熒光的單分子磁體。

迄今為止，劉彩明已在J. Am.Chem.Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.， Chem.Commun.,Chem.-Euro. J., Inorg.Chem.等國際頂級或著名化學雜志上發表SCI研究論文187篇，其中第一作者SCI論文68篇，這些論文已經被他人引用4200多次。通過實踐，實現了所在研究領域的不斷創新。

研無止境，博采眾長

2018年，劉彩明申請到了新的國家自然科學基金項目“基于異金屬結構單元的新型分子（納米）磁體和多功能分子材料”。在之前的研究基礎上，他們又將在這一領域開展進一步的探索。由于目前單分子磁體的工作溫度還很低，要達到實用化還有很長的路要走，這對研究者來說既是挑戰更是機遇。“在信息時代，要充分利用大數據進行創新。”劉彩明強調說，“我常用到的大數據是英國劍橋晶體數據庫CCDC；無論是開題調研還是寫論文，我都要經常檢索查閱CCDC，因為它每隔幾個月就會更新，這樣便可以在研究中做到心中有數。”

“各種學科彼此之間是有內在聯系的，為了解決某一科學領域里的復雜問題，應該借助一些其他相關的科學知識。”劉彩明始終這樣認為。“他山之石，可以攻玉”，在進行科學研究時，他十分注重與物理學科的交叉。除此之外，他還重視與有不同研究背景的科研團隊進行交流和合作，近年來，他和葡萄牙里斯本大學、中國科學院高能物理研究所、清華大學、東南大學等單位的相關研究小組開展了頗有成效的合作，并發表了一些合作研究成果。

《一萬小時天才理論》這本書對劉彩明影響頗深，在他看來，不管做什么事情，只要堅持一萬小時，基本上都可以成為該領域的專家。盡管在功能分子材料領域的研究時數已經遠遠超過了一萬小時，但他依然沒有減緩自己前行的步伐。“分子材料的鐵磁性和鐵電性，特別是二者結合的多鐵性，已經逐漸成為國際研究的難點和熱點。追隨著自己多年的研究興趣和夢想，我希望能在科研中不時打破自己的慣性思維，腳踏實地做出更多創新性的研究成果來。”劉彩明堅定地說。