作者:高雅丽 来源:中国科学报 发布时间:2018/3/12 9:57:51
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为配位超分子化学奉献青春

 

■本报见习记者 高雅丽

孙庆福课题组合影

稀土是现代工业不可或缺的原料,也是我国的重要战略资源。稀土元素在地壳中丰度较高,但大部分稀土矿是伴生矿产,且随着稀土资源的不断消耗,精矿品位、冶炼提取及其回收利用成为稀土产业发展亟须解决的关键科学问题。

近日,中科院福建物构所结构化学国家重点实验室孙庆福课题组及其合作者基于超分子协同作用,提出了稀土—稀土、稀土—过渡金属、稀土—碱土金属的单步高效分离的新策略。

深耕配位超分子化学

中科院福建物构所研究员孙庆福的课题组成立于2013年9月,是一个“年轻、能战斗”的团队。

孙庆福对《中国科学报》记者说:“课题组研究方向目前主要集中在配位超分子化学领域,具体包括容器型配位超分子的结构设计与精准合成、基于主客体化学的传感识别及催化转化、多功能稀土超分子配合物等三个方面的研究。”

“超分子”这一术语早在20世纪30年代中期就被提出,而超分子化学的概念和术语则是在1973年提出,“分子间的相互作用则是超分子化学的核心”。

孙庆福告诉记者:“区别于国外求学与博士后研究阶段主要关注于超分子结构的设计与合成,独立工作后,我更加关注超分子组装体在催化、环境、生物与医药等功能材料方面的应用研究,希望能在分子水平上真正实现功能导向的材料结构设计。”

中科院福建物构所是结构化学和光电晶体材料领域世界领先的科研基地,自1960年创所以来,结构化学一直是福建物构所的重点研究方向和传统优势,以中科院院士洪茂椿、吴新涛为代表的多个研究团队在超分子化学领域拥有在国际上具有重要影响的系列原创成果。

“所里不仅有深厚的科研基础,还拥有各种大型仪器设备,可以为科学实验提供强有力的支撑。同时,所领导对新引进人才和队伍,从工作到生活,都十分关心,所以回国后,我选择到这里工作。”孙庆福说。

自课题组成立以来,他们在超分子组装方法学、组装体系的结构创新、超分子体系的性质与功能开发方面取得了系列成果和突破,近五年来在国际知名杂志发表原创学术论文21篇。

孙庆福说:“例如在超分组装体系的结构创新方面,我们将具有优异光电磁特性的稀土离子引入到配位超分子的结构设计之中,实现了不同分子组成与几何构型稀土配位组装体系的精准合成,总结了稀土配位超分子的结构与性能调控规律,促进了稀土超分子化学的发展。”

开拓多功能稀土多面体研究领域

金属——有机多面体是目前超分子化学研究的热门领域。孙庆福说:“这类超分子由于其独特的空腔结构,在仿生催化、药物传输、荧光探针等方面已经展现出广泛的应用前景。”

孙庆福课题组聚焦于将具有优异光电磁特性的稀土离子引入到金属有机多面体的结构设计之中,开拓了“多功能稀土多面体”这一超分子化学研究的新领域。

在研究中,课题组突破传统思路,提出了新的设计方法,成功制备了目前最高发光量子产率的镧系铕超分子四面体。他告诉记者,这项研究工作提供了一种提高稀土超分子多面体光学性能的新策略,为未来智能型分子基稀土荧光材料的设计和发展提供了重要的研究思路。

2016年,诺贝尔化学奖就授予了三位开创“分子机器的设计与合成”这一前沿领域的分子科学家,而刺激响应性智能材料一直是超分子化学领域研究的热点。

孙庆福说:“智能型分子基稀土荧光材料首先应该具有对外界刺激的可控响应性,比如人们可以根据需要来定向操纵这类材料的发光波长、强度、寿命等光学特性,或者将材料的荧光性质与环境监测、诊疗药物等特定功能相结合。”

然而,类似于宏观机器的装配,分子机器的构建必须基于化学家对各个组装模块结构与功能的充分理解与掌握之上。正是由于课题组的工作,可以为未来智能型分子基稀土荧光材料的研发提供相应的分子水平上的物质基础,也为它们的响应性操控提供了理论模型。

将研究应用到产业

在稀土化学这一领域,虽然孙庆福在国外从事博士后研究工作时有所熏陶,但在课题起步阶段,他“明显感觉到相关基础知识储备并不充分”。

为了弥补缺陷,他一有时间就泡在教科书和前沿文献中。他说:“任何个人或团队的科研工作都应该要有一定的延续性,在发挥自身优势的同时,要去寻求新的增长点。从事科研工作最重要的因素是人,任何科研成果的取得都离不开一个团队的集体努力。文献跟踪、专题讲座、课题进展讨论三种不同性质的组会是我们课题组集体学习、共同进步的法宝。”

由于在稀土超分子多面体自组装这一领域的多年工作积累,孙庆福课题组的研究入选“2017年中国稀土十大科技新闻”。

他说:“稀土作为我国的战略元素,高性能稀土材料的研发本身具有重要的科学意义和应用价值。另外,将稀土的特殊功能性与超分子自组装这一前沿领域相结合的研究思路、将理论计算与实验验证相结合的研究手段等,也都是我们研究工作的独特之处。”

目前,孙庆福课题组计划基于稀土超分子多面体尺寸可调的内部空腔,进一步开展此类自组装体系在分子识别、检测与催化等方面的功能探索。“同时可以预见的是,通过对稀土超分子组装体性能的进一步优化,未来此类新材料在生物成像上转换发光材料及多功能诊疗药物等方面也具有较好的应用前景,相关合作研究已在进行中。”孙庆福表示。

《中国科学报》 (2018-03-12 第6版 院所)
 
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