探求納米科技新路徑
——記南京工業大學先進化學制造研究院執行院長陳虹宇

□ 李明麗

專家簡介：陳虹宇，南京工業大學先進化學制造研究院執行院長、江蘇省特聘教授、國家“青年千人計劃”引進人才。曾任新加坡南洋理工大學化學系副主任、數理學院副院長、理學部副部長等。長期從事納米科學方向的科研工作，主攻納米合成與機理研究，包括納米顆粒在膠體溶液里的組裝、雙面納米顆粒的合成、手性納米結構的形成及機制、納米圈的合成及其主動的構型轉變等，具有豐富的從業經驗。先后在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials等國際期刊上發表SCI論文90余篇，總引用數為6800多次，H指數44。

以鈍器敲敲打打的石器時代為開端，人類歷經了鍛造工具的青銅器、鐵器時代，以及從蒸汽機獲得動力的工業革命時代……而不管著眼于由工具來劃分的時代，還是著眼于人類文明變革的根本動力，新型工具的開發和使用都發揮著至關重要的作用。可以毫不夸張地說，工具是人類思想精華的淬煉，是世界范圍內生產力得以闊步發展的源動力，它的突破更代表了歷史演化的關鍵轉折點。

立足21世紀，“納米”這一熱詞以迅雷不及掩耳之勢在各大研究領域占據了一席之地。作為新興的、交叉性強的綜合學科，納米技術包羅萬象，廣泛滲透到能源、環境、生物醫藥、航空航天等多個領域，迅速成為世界各國材料研發、應用的新寵。然而納米技術終究是新興領域，短短幾十年的研究也不過是開啟了冰山一角，距離想象當中納米科技的征程尚遠，且若想要真正邁入繁榮時代，納米領域工具的發展將會是必由之路。

發展納米合成工具，這條路至少當下還處于人跡罕至的狀態。“提到納米科技，人們往往想到的是那種可以攜帶藥物進入人體血管并幫助治療疾病的微型機器人。但事實上，現有的納米科技與這些想象中的復雜納米機器還存在著巨大的差距，首先便是表現在合成能力和工具上。”相較于大多數人運用已知的納米結構去拓展應用，陳虹宇眼下的工作則是在擴充納米合成能力的“工具箱”，通過研究納米復合結構生長、顆粒團簇組裝等復雜納米合成新路徑，進一步推動納米研究向復雜結構的發展。他是世界上少數幾個“為了納米合成而合成”的人，本著化繁為簡、闡明原理機制的原則，致力探索納米領域合成方法學的新篇章。

夯實地基，挑戰冷門研究

在中國古代，將光滑的陶瓷置于蠟燭火焰上方收集煙霧，經冷凝后，細膩的納米碳粉可制作成墨。這是最原始、最簡單的納米材料制備方法，但隨著歷史演進，從人類將目光投入復雜的微觀科學世界開始，它顯然已經在各類納米合成及制備方法面前黯然失色。

思維方式、應用工具、實用方法等新舊更替遵循自然之道。時代賦予了科學技術飛速發展的機遇，在新型產業崛起、各領域需求不斷加劇的今天，作為行業發展立足之本的技術和方法學研究自然也不甘落后。然而，納米技術作為時代的寵兒，雖廣泛應用到各行各業當中，其合成方法學研究卻遭到冷遇，發展始終處于緩慢的狀態。

如果將科學研究過程看作一座大樓的建造，那么需要有人做頂層建設，也需要有人做地基架構。之于納米領域而言，應用研究是以現有的合成能力為基礎，搭建出合適的住宅，而發展合成能力則側重用不同的建筑方式，達到更強的建筑效果，更快、更好地建造出新型建筑物。根據陳虹宇介紹，納米合成能力的發展更像是在擴充一個“工具箱”，用來提供合成過程中更為豐富且具備一定針對性的路徑和控制手段。他表示，如果人們都在使用工具而忽略了工具箱本身的發展，長此以往，待到該工具箱應用潛能耗盡，納米研究的進一步發展勢必會受到限制。

著重描述了合成研究對于納米科技長期發展的價值意義，當被詢問到“為什么涉獵納米復雜結構研究的人員較少”時，陳虹宇給出一番解釋：“深化納米合成不僅難度大，短期價值效益還并不明顯，所以很少有人愿意從事這項冷門研究。有時甚至連我自己也很難向領域內的同行闡明，沒有直接作用于應用的基礎研究究竟能做什么，又做出了什么。”因為大眾的不了解，因為工作無法產生即時效益，而使得投入研究本身成為一種挑戰。然而只有跳出現有納米合成的框架，才能開創新的領域；只有系統化地理解合成機理，才能達成理性的設計和自由的創造；只有夯實合成能力的基礎，才能更好地去探索、拓展新的應用。“創新不只是一個口號，作為科學工作者，我不愿沿著已知的路走。”

“當時也是靠著自己的興趣，沒考慮是否方便拿經費、發論文，就一頭扎了進去。”對于選擇這項研究，陳虹宇曾經自我調侃，表示自己掉進了一個“坑”里，不過由于心之所向多年來卻是甘之如飴。他始終認為，興趣的意義并不是在人生高潮之際所表現的意氣風發，而是在人處于失望、悲觀的時候還有砥礪前行的勇氣。所以遭遇難題時，陳虹宇總是決定迎難而上，在充滿挑戰的研究中埋頭苦干。“我也會發牢騷，對工作各種吐槽，不過都只是過過嘴癮，該做什么還是要做的。”

為納米合成工具的發展、新路徑的發現一路披荊斬棘，陳虹宇帶領自己的科研團隊取得了不錯的收獲：揭示了復合納米顆粒生長的界面調控機理，拓展了部分納米合成的新結構、新方法，開拓了新型的誘導納米構象轉變……在過去10余年的工作中，他以通訊作者發表高水平文章（影響因子大于10）就有37篇，總引用數超過6800次，相關成果得到了國際同行的一致認可。他坦言，工作對他而言不是強加在肩上的任務，因為有著對研究本身的興趣和熱愛，自己還愿意往前走幾步，再多走幾步。

打造具備科學價值的藝術品

納米的神奇繞不開令人驚嘆的技術，而純熟的技術運用還有可能開啟藝術的大門，呈現一幕為人稱道的場面。

2016年9月，各大科學網站紛紛報道了“世界上最小的納米螺絲”，稱其為科學界的藝術之作。身為設計納米螺絲的團隊負責人，陳虹宇在“2016新材料國際發展趨勢高層論壇”上系統介紹了設計方法及成果價值。他表示，這款納米螺絲是用刻蝕法制造出來的，沒有采用傳統的自組裝合成方法。為了探究整個變化過程，他們先合成了大直徑的納米棒作為前驅體，然后對其進行刻蝕。而納米螺絲究竟有多小？陳虹宇說：“如果將我們面前一個直徑為1米的圓球放大到地球那么大，那么這個‘納米地球’上一個骰子的寬度就是1納米。想象一下，一個巨人站在地球前面，他的手顯然太大，不能直接操作這個‘納米地球’上的物件。但他念了一下化學的咒語，就把幾十億根大樹般的柱子，同時雕刻成了帶有螺旋紋的納米螺絲。”

團隊合影

在相對發展緩慢的納米合成領域，納米科技一再被復雜納米結構的可控合成和精確調控扯住腳步，而此次設計的成功不但克服了配體及平衡動態難操縱問題，更是填補了納米合成領域的一項國際空白，深受領域專家認可。中國科學院院士評價其具有深遠意義，為納米板、納米柱等合成納米桌子創造了可能。陳虹宇說：“在人類發展的初期，繪畫、雕刻等藝術的發展，事實上體現的是人類創造能力的進步。我希望大家不要把納米合成看成是純粹、抽象的藝術，而是拓展新工具、新能力的藝術。”

于他，多年來的每一項成果其實都得來不易，不同于應用研發能夠直接測試功能，機理研究需要靠大量、詳細的分析撐起全局，用反復的實驗進一步驗證、完善分析。“我們不僅需要了解實驗配體和設備的各部分情況，還需要根據當時的實驗環境進行預測、判斷，找出影響實驗結果的微小差異，設計新的實驗驗證，往往某一部分差之毫厘就需要一切從頭再來。”由一次次失敗的懊惱中爬起，他深有體會，因此也就多了幾分耐心。

老馬對秦明月說，死者男性，約45到50歲之間，身高170CM，身材中等，顯示其保養很好，右肩有明顯胎記，這一點可以幫助我們盡快查到死者身份。老馬又指著死者耳根部說，根據其雙耳處痕跡，死者應該長期戴眼鏡。其雙掌及十指修長，不應該是做體力勞動的人。包裝上沒有任何可疑的指紋記錄，而且死者死后，身體似乎被仔細清洗過，一點線索都沒有。

開展復雜納米結構研究的過程中，陳虹宇總喜歡獨辟蹊徑，打破傳統納米形態結構的束縛，發展出一系列形色不一、前所未見的結構，諸如納米圓環、納米麻花繩、納米螺絲釘……出于對納米球復雜結構的好奇，他思考著如何將兩個或者多個納米球組裝成特定的堆積結構。“在剛才所說的1米大的‘納米地球’上，我們可以把幾百億顆相當于保齡球大小的納米顆粒，兩個為一組地裝在納米的袋子里。也可以把13顆這種小顆粒，組裝成標準的正二十面體。這些特定結構的組裝體，可用于研究表面增強拉曼和費諾共振，對于生物檢測等領域很有意義。”

納米顆粒的包覆與半包覆，也是他的主要興趣之一。“傳統的納米合成主要側重于控制納米顆粒的形狀、大小、均一性。我們則致力于發展更可控的包覆方法，比如說兩種納米材料，怎么才能實現A將B完全包裹，或者A將B包裹三分之一，又或者各自形成球而中間恰好粘連。探究這其中的化學控制力主要來自哪里，這是我們研究工作的重心之一。”陳虹宇耐心地解釋，并表示包裹力度、角度的控制研究可以演化出一連串的多層次納米結構推理，為日后工作的持續開展打下基礎。

陸續發表系列文章闡述了納米顆粒從包覆到半包覆的合成控制，由陳虹宇領銜的創新團隊運用新機理構建出多種新型納米結構，基于有機化學的合成理念，開發出了十幾種新型納米結構的合成路線，并給出其形成的基礎原理。2018年4月，他們通過合作，研究設計開發了一種基于兩親性嵌段共聚物的多步納米合成，通過操控該聚合物殼層的形變與收縮，實現了一系列復雜納米結構的可控制備。相關研究工作以“Transformable masks for colloidal nanosynthesis”為題發表在Nature Communications，被媒體評價為“具備適普性、能夠精確設計并合成出更為復雜納米結構”的新方法，其多步可控合成的思想，在鞏固了納米合成研究基礎的同時，也為后續研究明確出了一個格外新穎、開闊的思路。

結緣納米，長驅直入

作為一個出色的納米合成研究從業者，沒有人會懷疑陳虹宇對于研究工作的赤誠之心，但他卻說“從求學到投身納米研究領域本是一場機緣巧合”。是因為興趣的驅使，他放棄了6年博士期間積累的無機化學研究的基礎投奔納米科技；也是由于職責所在，他在學術研究之余盡善盡美地完成教學管理工作。

本科就讀于中國科學技術大學，而后赴美國耶魯大學攻讀博士學位，再輾轉到康奈爾大學做博士后、在新加坡南洋理工大學做助理教授，于35歲獲評終身教職，陳虹宇一路像打翻的多米諾骨牌一般迅速成長。而骨子里的鉆研精神讓他對難題總抱著一股征服的決心，從對化學研究著迷到被納米科技吸引也在這短短數十載。“我從小就想做一名科學家，天性讓我喜歡把事情琢磨到底，熱衷做些和別人不一樣的研究。”

他坦言，自己并不屬于那種有長遠規劃的人，選擇課題時經常出于“好玩”的心態，并未過多地考慮工作入職等功利性因素。“我大約在耶魯大學待了6年半，那會兒主要研究錳化合物催化水產生氧氣的能力，來了解其在光合作用里的關鍵作用。”而后，在就業形勢并不樂觀的情形下，他陰差陽錯進入康奈爾大學食品科學系開展博士后研究。由于當時的導師為微生物專家，研究組內有包含物理、化學、微加工、電子工程等諸多領域的科研人才，陳虹宇用1年半的時間學會了很多東西，在技能和學科概念方面有了明顯進步，同時自身的科研信心也得到了極大的提升。也是在那段時間，他接觸到納米研究，為日后深入開展納米合成等工作埋下了伏筆。

2006年，適值新加坡南洋理工大學新建化學系，陳虹宇從全球招聘中脫穎而出，于同年10月正式任職南洋理工大學助理教授。之后的數年間，他在這里發表了大量高水平文章，只用了4年半的時間就被升為終身教職副教授。由于當時學院管理人才的稀缺，陳虹宇被委任行政管理工作。憑借一股認真的勁頭和處理事務負責的態度，他從助理院長、副院長一路升至負責3個學院的學部副部長。

于陳虹宇而言，管理上的收獲說到底有些被動，但正是得益于幾年來管理經歷潛移默化的影響，他才能夠從新加坡的體制發展過程中總結經驗，為后續管理工作帶去深刻的借鑒。

任職新加坡期間，除了必要的管理事務，陳虹宇對科研工作亦極為重視。他不滿足于納米簡單工具的研究，始終堅信納米應用研究會出現一個從量變到質變的轉折點，而復雜工具的缺失將會成為制約其發展進程的一大關鍵。本著這樣前瞻性的理念，他開始同南京工業大學開展廣泛的交流合作，將納米機理性研究確立為長久的專攻方向。與國內交往的日益頻繁也使得陳虹宇思歸的念頭越發強烈。終于在2016年，考慮到祖國、家庭的需要，應黃維校長的熱情邀請，他放棄國外的終身教職，回國落腳南京工業大學，參與組建先進化學制造研究院并擔任執行院長。

一方面緊抓科研建設，另一方面注重行政管理理念的闡發，陳虹宇在先進化學制造院以新加坡的學術模式為藍本，參與建立起資源分配透明的科研平臺。他表示，長期受國外文化熏陶，自己在教學管理、人才培養等方面尚有些不適應，還在積極的磨合階段。對比國內外的思維差異，陳虹宇則指出從學術創新角度來講，國內還有很長的一段路要走。“西方文化擅長有邏輯性的反對，這是我們目前缺少的，我們需要有意識地訓練年輕人批判權威理念而不是一味服從。”鼓勵發揮個體個性，他認為有價值的溝通、討論則更有利于創造性思維的培養。

科研與教育，雙管齊下

人才作為學科發展的主力軍，培養過程所需要投入的精力和時間絲毫不亞于學術研究本身。

陳虹宇

課題組會后留影

盡管回國時間尚短，陳虹宇已經能夠清楚地指出國內學生的優勢和短板。在他看來，踏實肯干和堅持是好事，但也不能忽略文化和體制影響下的思維惰性。“學生的主人翁意識比較欠缺，不愿意吃透問題，不愿意掌控全局。打一個行車的比喻，國內學生普遍更愿意坐在乘客的位置，而讓導師去掌握方向盤。”這是教育管理過程中形成的慣性，也是陳虹宇改善教育形式過程中需要著重琢磨的問題。

早年在新加坡期間，他便培養出一批批優秀的科研人才，其中有13位在國內高校院所任職教授或者副教授，1位在美國擔任助理教授。陳虹宇說，幾乎每個學生都被他批評過，這種嚴格的教育方式和他信奉的“任何人沒有壓力做不出東西”的理念有著直接的關系。“我經常會和學生講，學術研究不是一件容易的事。生活中有一兩件重要的事很正常，但如果把所有事情都排在學術前邊，那么留給思考、實驗的時間也就所剩無幾，還能指望做出什么？”

盡管自稱嚴師，陳虹宇仍不忘打造輕松、活潑的治學環境，從管理上謀求更多人性化、個性化的發展。他反復倡導學生和導師相對平等的教育模式，一再強調“科研積極性要有，凡事也要多問一句‘為什么’”。秉承著讓學生自我負責的基本原則，陳虹宇表示學生不需要成為他的雙手，更希望同年輕人產生思想上的碰撞，希望通過討論發現新的可能性，從而讓學生明白邏輯思維、自主意識的重要性，營造出濃郁的學術創新氛圍。與此同時，這些年來陳虹宇一直在努力扭轉以人為中心的管理方式，提出要尊重制度本身，并旨在通過協商力求達到規則制定的意見統一。

直率、隨性、敢拼，對待事情永遠保有邏輯性和同理心，這就是學生眼中的陳虹宇。他喜歡學生直呼他的名字，鼓勵他們建立自己的邏輯思維方式，無論是否是工作日都會為想要討論問題的學生留出時間。不管是從學生變成同事的多年摯友，還是初來乍到的研究生，無一不稱贊他的邏輯能力。同時他們還說，“陳老師從不發脾氣，既不死板也不嚴苛，可以像朋友一般信任”。也有同事笑稱他是中西結合體，敢拼敢做、隨和且不功利，能夠從不同的角度提出看法和建議，憑著對工作的熱愛影響周圍的人。“他會注重學生的發展，盡可能顧及每一位學生。同時在學術上，他讓我意識到‘我們是平等的’，沒有老師一定是對的，學生也需要被說服。”“他是真的熱愛科研，不單純地為了工作，在他的感染下，我們也能享受到新發現的快樂”……

談及近期的總體規劃，陳虹宇表示除了在管理事務、教育方面下工夫外，還想抽更多的時間去工業界轉轉，去看看他們真正的需求是什么，而自己又可以做哪些創新性轉變。“最近幾個月，我們才開始全面鋪展實驗，一開始的主要力量還是放在實驗室，但工業化方面的合作也在進行當中。”在各大科研院所、藥物研發企業奔波，陳虹宇想要利用納米合成能力以及相應技術服務于抗癌免疫制劑的研究、石油工業的催化等，希望發揮高效的輔助作用從而推動行業發展。“就藥物制劑而言，如何讓藥物按照既定的方式、速度、特定大小準確進入癌細胞，這是我們需要依靠進一步研究解決的。我相信納米合成擁有諸多技術優勢，目前階段需要加快產業合作將技術優勢體現出來。而我們為落實應用還要繼續努力。”

“短期效益不是衡量成功的唯一標準”。假如滿分為10分的話，陳虹宇會給現下的自己打出7分。他強調當前扎穩腳跟是首要的，隨著科學研究的不斷深入，會逐漸提升研究目標、任務的難度，同時也表示對于新鮮研究的嘗試絕不會放棄。陳虹宇說，他一個人能做的事情有限，但還是會在適應環境的同時嘗試更多新的思考，希望能提出建設性的方案巧妙地解決問題，竭盡全力為學術發展出謀劃策。