研制科學工具 度量復雜世界

劉新華

化學測量學，是國家自然科學基金委對化學學科基礎研究的重要布局，旨在通過建立測量方法獲取化學信息，從而解釋復雜的化學世界。化學測量學研究范疇很廣，既包括基本的原理，也包括儀器裝置的研制。以細胞體系的熱動力學測量為例，首先要有測量的理論依據，然后要有合適的儀器裝置。“自主研制實驗儀器和裝置，是我們研究工作的常態。”南京大學化學化工學院副教授、博士生導師康斌說。

通過化學測量獲取新的化學信息，一方面有望拓展人們對化學世界的基本認知，另一方面也可促進先進技術的轉化應用。“有的研究短期可以看到成果，有的研究卻需要較長時間來體現價值。”在這個極度考驗耐心和定力的領域，康斌深耕了近十年。

深于一行，仍應廣通

康斌出生于山西偏遠山區，自幼家境貧寒。高中時期，康斌在全國化學競賽中獲獎，恰逢南京航空航天大學對競賽得獎學生有特殊的招生政策，于是他去了南航讀書。提起求學經歷，康斌對國家的培養心懷感恩、刻骨銘心。他激動地說：“我的大學有點不太一樣。從一入學就獲得了本碩博的特殊培養機制。每年還有1萬塊錢的特別獎學金，基本可以自給自足。”

2007年，康斌（右）和陳達院士（左）在“中子物理學”課后留影。

懷著這份感恩之心，康斌開啟了從本科到博士的求學之路。在碩士階段，康斌被我國著名核技術專家陳達院士選中，從應用化學轉到了核物理。主修核物理期間，他廣泛汲取了多種學科的知識，不僅有物理和化學，還有工程數學、信號處理等。這種交叉學科背景，為他后來的科研工作打下了堅實的基礎。康斌說：“當年這種理工結合的多學科訓練，迄今讓我受益良多。”事實上，讓康斌受益良多的還有一個在他學術方面，甚至人生方面都扮演重要角色的導師——陳達院士。康斌回憶說，陳達院士將自己的一生都奉獻給了祖國的核事業。這種“干驚天動地事，做隱姓埋名人”的奉獻精神和家國情懷，對他影響至深。

為了未來能在重要崗位發揮作用，在國家留學基金支持下，康斌赴美國佐治亞理工學院進行博士聯合培養。在美國科學院院士Mostafa El-Sayed教授的指導下學習飛秒激光測量技術。康斌介紹說：“飛秒激光是一項非常有用的技術，不僅在化學、物理領域應用廣泛，甚至也用于核工業領域。比如美國的國家點火裝置，就是用激光約束來控制核聚變。”

這段留學經歷促進了康斌科研風格的轉變。康斌解釋說：“出國以前，我還習慣于追隨國際最先進、最熱門的方向做研究。但El-Sayed教授似乎不太關心什么熱門，他只關注未來科學發展過程中可能需要解決的問題。這種超越現在、著眼未來的科學視野，對我的科學品位影響深遠。”在佐治亞理工完成博士后研究后，康斌回國在南京大學化學化工學院任職，正式開啟化學測量學研究之路。

2018年，和陳洪淵院士（左）討論儀器研制方案。

嚼得菜根，做得大事

在多年的專業研究中，陳達院士和El-Sayed教授的一言一行，潛移默化中影響著康斌。憑借多年的學習、研究經驗，康斌在領域內不斷闖關。他舉例說：“在美學習時，我和El-Sayed教授一致認為，生命系統中的能量漲落和熱動力學一定是未來非常重要的研究領域。然而從普利高津的耗散結構理論之后，生命熱力學一直沒有重大突破。所以對諸如，‘簡單有機物是怎么形成細胞的？熱力學規律在其中起什么作用？’等非常基本的科學問題，依然知之甚少。在微觀尺度上，傳統維象的熱動力學理論可能不再適用，還需要考慮量子現象。”

除了理論的不完善，要回答以上問題，更重要的是要基于實驗驗證。康斌介紹說，如果能在維持生命結構功能的基本單元，即單個細胞里面，把一些熱動力學參量和過程準確測量出來，將有助于問題的理解。“但當時在美國我們做不到。一是受限于當時的儀器測量水平；二是沒有足夠的科研經費支持去研發一套專用儀器設備。”

這個在美國沒能實現的夢想后來在中國實現了。康斌回國的時候，南京大學陳洪淵院士正在為其主持的國家重大科學儀器專項“單細胞時空分辨分子動態分析系統”招賢納士。康斌帶著沉淀多年的思考和技術特長加入研制團隊，全身心投入到儀器的研制中。自主科學儀器研制周期長，涉及學科知識復雜，康斌和項目團隊夜以繼日、攻堅克難、大膽嘗試，解決了一個又一個的技術難題。歷經5年的不懈努力，項目團隊完成了從0到1的突破。“我們的儀器在復雜體系測量中具有非常高的時間和空間分辨能力，非常適合研究微觀尺度如細胞里面的物質運動和能量漲落，有望在單細胞熱動力學測量上有一些新的突破。”康斌欣喜地說，“而且這還只是一個開端，未來還有更多可以突破的方向。”

談起和陳洪淵院士的奇妙機緣，以及在陳先生麾下耳提面命的幾年，康斌有頗多感慨。他說，回國之初，在科研方向選擇上心存顧慮，是做“短平快”還是做“原創”？“原創研究需要時間和過程，不可能一蹴而就；青年教師考核壓力大，三五年過去一無所獲怎么辦？”了解到康斌的兩難境地，陳洪淵院士多次在午飯時間鼓勵他。康斌回憶說：“陳老師跟我講他個人學術生涯的故事，講南大分析學科發展過程經歷過的困難時期，回顧科學史上重大突破經歷的‘黎明前的黑暗’，從辯證法、方法論上幫我理清頭緒。同時，在科研經費、儀器設備、研究生配備上給予我大力支持。”慢慢地，康斌吃下“定心丸”，決定“啃”這塊“硬骨頭”。

回頭來看，當時的選擇無疑是正確的，在當前復雜的國際形勢下，我們國家更加需要原創研究。幾年過去，康斌和研究團隊完成了儀器的研制，開始了細胞內能量漲落的探索研究，并有了原創的科學發現。康斌說：“記得一句話：‘成功并不在于你所處的位置，而在于你所前進的方向。’對于年輕科研人員而言，前進的方向遠比所處的位置要重要得多。”

2012年，和Mostafa El-Sayed院士（右）討論飛秒測量技術。

這可以看作是一場頗有隱喻性的成功。在無數位“坐得冷板凳、啃得硬骨頭”“嚼得菜根，做得大事”的科研人員的默默努力下，整個中國化學測量領域已悄然發生了巨變。康斌感慨道：“最近三五年，我們國家正處于飛速發展時期。如果說我們之前主要還是跟隨國際前沿；那么近幾年，我們已經慢慢達到了并行；甚至在某些領域做到了超越引領。”

當然也有不足。比如，科學儀器的自主研制還有待更多突破。康斌說：“我們國家在基礎科學研究投入的經費，一大部分購買了進口的科研設備。有一些前沿領域對高端進口設備的依賴程度非常高。面臨特殊的國際環境，就容易發生被‘卡脖子’的問題。科學儀器作為科學研究的工具，自主研制能力非常重要。這樣在引領研究前沿的時候，自己的脖子才能自己做主。”

目前，在國家的布局和引導下，高校和企業都在設法突破這種封鎖，共同推出可取代國外高端科學儀器的產品。康斌在校企合作方面始終保持著開闊的視野。他說：“只要能夠促進國內科學儀器的自主研發水平，有些具體的問題，可以暫時放在第二位考慮，首先要看其中的主要矛盾。”值得一提的是，康斌和卓立漢光在瞬態熒光測試領域的合作已有多款產品推向市場，瞄準與國際品牌競爭。

重視傳承，教書育人

“我的本職工作是一名人民教師，”康斌說，“我非常熱愛教學工作，教研結合、教學相長，促進了我對很多科學問題的重新思考。”他認為，高校教師的本職工作就是為國家培養后備人才，教師不僅要做好知識的傳授，還要重視文化的傳承。為此，他在南京大學開設了面向本科生和研究生的“化學測量前沿”課程，不僅用化學測量學前沿領域螺旋式上升的跌宕起伏來啟發學生創新思維，還用老一輩科學家的奮斗歷史來培育學生的科學精神、文化自信和家國情懷。

小學生的大夢想

“在科學與真理的漫漫征途中，我只是個小學生。我這個小學生，也有一個大夢想。我相信這也是每一位科研人員共同的夢想。”康斌說，“這個夢想就是，把中國科學家的名字寫進世界科學發展的歷史中。”