

從“有機化學”到“高分子物理與化學”研究,從“超分子組裝”再到“有機多孔材料”研究,來自浙江師范大學含氟新材料研究所的教授賁騰,從1994年至今用30年時間練就了化學學科多領域創新融合的能力。
進入有機多孔材料研究領域十余年,賁騰懷揣著至誠報國的理想,辛勤耕耘、矢志創新,圍繞多孔有機鹽材料的定向組裝及性能研究中的基礎科學問題,發展了多孔有機鹽材料的合成方法學,闡明了CO2捕獲與快速傳輸、質子傳導、負線性壓縮、大氣水收集等性質與微觀構筑基元及組裝集成方式之間的構效關系,揭示了相關機理,有力地推動晶態多孔有機鹽領域向前發展。
2021年,賁騰獲得“浙江省高校領軍人才培養計劃”創新領軍人才稱號;2022年,他當選英國皇家化學會會士;2022年和2023年,他連續兩年入選全球前2%科學家。研沒有坦途,對賁騰來說,每一份貢獻、每一次突破,都將激勵著他繼續頂天立地做科研。
交叉科研,見賢思齊
吉林大學化學學院的前身是東北人民大學化學系,始建于1952年,由老一輩化學家蔡鎦生院士、唐敖慶院士、關實之教授、陶慰孫教授等人親手創建,底蘊深厚、作風求實。1993年,賁騰考入吉林大學有機化學專業,4年后又跨專業考入高分子化學與物理專業,師從我國特種工程塑料領域的名家吳忠文教授,在特種工程塑料教育部工程研究中心碩博連讀5年,從事耐腐蝕耐高溫塑料的應用研究。
回首求學時光,賁騰十分感激導師吳忠文。“吳老師對我教誨良多,我印象最深的是他說做科研一定要學會坐冷板凳,在實驗室長時間地耐心工作,如實記錄各種反應數據,用大量數據來反復證明自己的科研結論。吳老師最忌諱的就是學生得到一兩個數據就馬上‘放衛星’。他始終嚴格要求我們腳踏實地開展研究,因為科研就是無限逼近真相的過程。”在吳忠文的悉心教導下,賁騰刻苦學習,在高分子化學與物理領域進行了深入研究,取得優異成績,2002年博士畢業后,正式留校擔任講師。
2005年,為繼續精進學術,賁騰前往日本名古屋大學開展為期3年的博士后研究,合作導師是日本超分子化學家八島榮次(Eiji Yashima)。八島榮次主要致力于螺旋聚合物的研究,利用超分子組裝,合成/構筑/調控螺旋結構及開發此類螺旋聚合物,造詣頗深。賁騰在八島榮次的分子設計與工程實驗室期間,不懈鉆研,在有機合成、超分子組裝和物理化學等方面打下了扎實基礎。在最后一年,他還以研究員身份,參與到日本高等級的基礎科研項目戰略新材料研究計劃中。包干制、不限預算的管理模式,以及八島榮次對科研的專注狂熱、每天長達十幾個小時的工作時長,都令他印象深刻,并對他后續的科研方向產生了深遠影響。
2008年,帶著滿滿的收獲回國后,賁騰做了一個重要的抉擇,從出國前的應用研究正式轉向基礎研究。他加入吉林大學裘式綸教授課題組,以十余年的多學科、跨專業背景,投入當時課題組的前沿方向——有機剛性骨架孔道(類分子篩)的設計、定向合成與性質研究。“裘教授主要研究無機孔材料,但是他當時想要將無機的孔變成純有機構筑的,將之變成純有機的化合物,也就是有機多孔材料。”由此,賁騰走上了有機多孔材料研究之路。
裘式綸不僅將賁騰引到了一個前沿領域里,還陶染了他的工作態度。“裘教授不止一次地說,國家給了我們這么好的實驗條件,我們一定要心懷感恩、擔當責任,為國家做實事作貢獻。”2017年,著名地球物理學家、吉林大學教授黃大年病逝于長春,被中宣部追授為“時代楷模”。黃大年心有大我、至誠報國的愛國情懷,在吉林大學產生了廣泛影響,賁騰也深受觸動。處在這樣的氛圍中,勤奮科研,至誠報國,早已成為賁騰的使命所在。
在早期的科研旅途中,能與這些杰出的前輩為伍,賁騰深感幸運。以他們為坐標,他不斷前行,奮力攻堅,作為項目負責人先后承擔了國家“973計劃”課題項目、國家重點研發計劃子課題、國家自然科學基金重大研究計劃培育項目、國家自然科學基金面上項目、吉林省重大研究計劃等項目,在多孔有機材料的設計、合成與功能研究領域取得了一系列成果。
朝乾夕惕,創新不止
懷揣科研報國之志,迄今為止,賁騰已在《化學評論》(Chem. Rev.)、《化學學會評論》(Chem. Soc. Rev.)、《美國化學會志》(J. Am. Chem. Soc.)、《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed.)等國際期刊發表論文80余篇,論文引用6000余次,H指數為32。多項研究工作被《自然·納米技術》(Nature Nanotechnology)、《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed.)、《化學世界》(Chemistry World)、《化學觀點》(Chemistry Views)等期刊及國內外主流媒體專門報道或亮點評述,引起了國內外同行的廣泛關注。
2018年,賁騰在《德國應用化學》上發表論文,提出了利用強酸和強堿構建穩定晶態多孔有機鹽的組裝策略,通過調節有機酸和有機堿的酸度系數,利用不同酸性的有機酸和不同堿性的有機堿制備出了一系列晶態多孔有機鹽。這一研究成果不僅構建了一個全新的多孔材料體系,且為后續新型多孔有機鹽的制備提供了新思路。《德國應用化學》以專題新聞形式報道了這項工作并指出“由離子鍵構成的多孔有機鹽材料是一類新的多孔材料,合成極具挑戰。賁騰等人成功制備的多孔鹽材料在高溫、高濕度下展現出優異的質子傳導能力,有望用于燃料電池膜”。
2019年,賁騰在《化學科學》(Chem. Sci.)發表論文,介紹了團隊制備具有亞納米雙螺旋靜電荷孔道的晶態多孔有機鹽的成果。這一材料具有優異的CO2選擇性,并通過核磁共振技術揭示了CO2分子在孔道中以螺旋的方式快速傳輸,傳輸速率可達1 000 000步/秒。《自然·納米技術》在研究亮點(Research Highlight)中報道了這項工作,認為賁騰與合作者“發現了一種對CO2具有高選擇吸附和傳輸的材料,并利用固體核磁闡明了CO2在螺旋孔道中的傳輸機理”。同時,英國皇家化學會在《化學世界》的新聞專欄對這一成果進行了解讀和報道,認為:“一般來說,分子在小孔道里傳輸動力會受限,而本工作證實了小孔道對CO2分子具有極高的選擇性吸附及快速傳輸動力”。
2020年,賁騰在《美國化學會志》發表論文,闡述了利用穩定且靈活的鹽鍵相互作用來構筑極具壓縮性的金剛石拓撲結構,將巨大的壓縮性轉換成極端的負線性壓縮(NLC)行為的成果。因成果頗具創新性,被雜志選為封面論文。最近,他又在《化學學會評論》發表研究,針對當時已發表的晶態多孔有機鹽,詳細地綜述了結晶有機多孔鹽的定義、分類、合成方法、孔道結構和應用領域,并討論了目前結晶有機多孔鹽在合成、結構調控和應用方面所面臨的挑戰及其發展前景。這項成果對于新型結晶有機多孔鹽材料的合成、結構、應用和發展有著重要的指導和促進作用。
心懷感恩,至誠報國
從白山黑水到絲茶之府,賁騰帶著豐碩的科研經驗和優良的學術傳統任教浙江師范大學含氟新材料研究所。在這片高度重視人才工作的熱土上,在各級領導的大力支持下,他迅速組建起一支朝氣蓬勃、擁有20余名成員的科研團隊。他說:“以前的成績再好也是過去式,當下的任務仍然是踏踏實實、勤勤懇懇地創造新成果。”經過兩年的不懈努力,賁騰團隊接連提出了新穎的想法,做出了漂亮的成績。
例如,2022年賁騰團隊和聞利平團隊合作在《自然·通訊》(Nat. Commun.)發表論文,介紹了在軌跡蝕刻后的聚酰亞胺(PI)膜上創建了一個錐形的跨膜納米通道,利用原位合成策略,將晶態多孔有機鹽材料組裝到上述單一的錐形納米通道中制備出一種具有功能化納米通道的膜材料,而此材料能以94.4 mmol.m-2.h-1的速度快速運輸K+,同時K+/Li+和K+/Na+的選擇性比分別為363和31。這項發現為創造具有高性能K+離子篩分的體外仿生裝置提供了一種有效的方法。相關工作被中國膜工業協會等機構正面評價和報道。
此外,賁騰團隊通過對構筑基元進行設計,成功合成了一種新型晶態多孔有機鹽,這一材料具有獨特的雙氫鍵系統,能夠實現水分子的雙層吸附,即第一層吸附的水分子與骨架之間有著較強的氫鍵相互作用,屬于強吸附,有利于形成穩定的納米限域孔道;第二層吸附的水分子只與第一層吸附的水分子有著弱的氫鍵相互作用,屬于弱吸附,有利于水分子在納米限域孔道中快速地吸脫附與傳輸,進而展現出了優異的大氣水收集行為。日產水量可達2.16.gg-1.day-1,且在大氣水收集過程中的工作區間并未涉及相變,整個水吸附/脫附過程是一個快速的低能耗過程。相關成果相繼于2022年和2023年發表于《德國應用化學》。
利用科技成果為百姓做實事,一直是賁騰的內心追求之一。上述淡水收集技術,針對的就是新疆沙漠地區人均可用淡水缺乏,同時空氣濕度相對較大的情況。據賁騰介紹:“一噸新型晶態多孔有機鹽材料每天就可以收集兩噸水,進而滿足當地經濟作物兩三畝地的每日淡水灌溉量。不僅如此,一些地區原本只能使用從地下抽取的苦咸水澆灌作物,導致可種植的作物種類非常少。如果能滿足大面積的淡水灌溉需求,那當地的作物種植種類將大大提高,促進新疆的菜籃子工程建設。”賁騰十分希望相關技術能夠早日落地推廣,造福當地百姓。
賁騰團隊目前承擔的國家重點研發計劃“納米前沿”重點專項子課題項目“納米限域超流的化學反應和信息傳輸”,旨在研究新型納米限域孔道隔膜體系的設計合成,揭示納米限域超流體的有序組裝反應機理和初步理解生物信息傳輸的原理。在此基礎上,構建接近100%反應產率、100%選擇性和低能耗(40℃以下)的反應體系,實現納米限域空間中分子和離子的高速運輸,構建仿生信息傳輸系統。浙江省自然科學基金重點項目“新型金屬-共價有機框架的構筑及其在CO2電還原領域的應用”,旨在通過設計新型的金屬有機構筑基元進而制備新型的金屬-共價有機框架材料,并將之用于CO2的電還原,將CO2轉變為不同的有附加值的碳基化合物,不僅可以減少CO2排放,還可以產生有用的化學品,對實現碳循環和節能具有重要意義,同時也對我國實現“雙碳”目標有著積極的促進作用。
嚴肅活潑、開放交流,是賁騰對團隊氛圍的定位。目前,在賁騰的帶領下,團隊已經和美國、法國、英國等科研機構展開了多次合作交流,并形成改善民生、節能減排、攻關“卡脖子”技術的三大研究目標。未來,他希望能夠領導團隊開展更多從“0”到“1”的原始創新工作,立足于國家所需,緊跟前沿發展,心懷感恩,至誠報國。