作者: 韩扬眉 辛雨 来源: 中国科学报 发布时间:2020/9/29 9:08:32
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立足前沿 致“大”尽“微”
——走进分子反应动力学国家重点实验室

■本报见习记者 韩扬眉 辛雨

2017年1月,一束非同凡响的“激光”从中国大连发出,为世界所瞩目。

这束激光可以达到单个皮秒激光脉冲产生140万亿个光子,被称作世界上最亮且波长完全可调的极紫外自由电子激光光源。它的发出宣告着世界最强的极紫外自由电子激光脉冲诞生了。

而承载这束最强之“光”的装置,便是极紫外自由电子激光装置——大连光源。作为我国第一台大型自由电子激光科学研究用户装置,大连光源是当今世界上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光装置,也是世界上最亮的极紫外光源。它的正式运行,对于能源、化学、物理、生物、医学、材料等多个科学领域具有革命性的推动作用。

分子反应动力学国家重点实验室是大连光源的牵头建设机构之一。中国科学院院士、分子反应动力学国家重点实验室主任张东辉为之振奋而自豪:“科学仪器是人类科学发展的主要推动力,我们有着最先进的技术仪器,在分子反应动力学领域的前沿科学方向研究中发挥重大创新和引领作用。”

创制国之“利器”

激光是20世纪人类最伟大的发明之一,被称为“最快的刀、最准的尺、最亮的光”。而自由电子激光更是被视为“最先进的新一代光源”,它可以帮助人们在全新的时间尺度和空间尺度上理解自然过程,从而彻底开辟一个从未被探索的世界。

特别是近20年来,自由电子激光技术已成为各国抢占国际科技高峰的重点布局方向。

大连光源的主要发起人和牵头人之一、中国科学院院士、分子反应动力学国家重点实验室研究员杨学明颇具雄心,当年他直接瞄准了自由电子激光技术的“无人区”——极紫外区域。“极紫外区域光源是探测分子、原子及其外壳层电子结构最重要的光子能量区域,能够用来给分子、原子‘拍电影’,这在以前是难以想象的。”杨学明形象地解释道。

2011年,杨学明与中国工程院院士、时任中科院上海应用物理研究所所长赵振堂,中科院上海应用物理研究所研究员王东联合相关专家组成研发团队,提出了要在中国率先建设基于新一代极紫外高增益自由电子激光(“大连光源”)综合实验装置的计划,从此踏上创新之路——2012年,大连光源启动;2014年10月在大连长兴岛正式开工建设;2016年9月首次出光;2017年1月发出最强之光。

在不到两年的时间里,上述研发团队完成了主要基建工程和主体光源装置的研制,并实现了光源装置的首次出光,创造了同类大型科学装置建设的新纪录。

“我们以前是做小仪器的,但现在做成了国家级的自由电子激光平台,且该装置中90%的仪器设备由中国自主研发,这对我们实验室乃至全球极紫外自由电子激光及相关领域的发展有重要推动作用。”话语之间,杨学明充满了自豪。

大连光源建成后,国内外顶尖研究团队纷至沓来:英国皇家学会院士、著名化学动力学专家、英国布莱斯托尔大学Mike Ashfold在这里开展了部分实验工作,重点进行星际化学方面的研究,成为首个国际用户;德国马普学会生物物理化学研究所所长Alec Wodtke已经在德国申请到200万欧元资金,计划在大连光源建立表面化学研究实验站,发展推动新催化机理……

而今,杨学明壮志不减,“接下来,我们还要发展下一代更亮的光源,不断拓展新的研究方向”。

填补领域空白

“仪器研发是其他实验室不可复制的部分,如今,我们的仪器研发能力国内最强,也具有国际领先水平。”张东辉自信地告诉《中国科学报》。

事实上,分子反应动力学国家重点实验室自创始以来,一直以创新科学仪器为基础开展能源和环境相关的物理化学研究,如今已成为国际备受瞩目的化学动力学研究中心。

不过,走向“最强”和“领先”的道路并非坦途。

1987年,在楼南泉院士、张存浩院士和何国钟院士等一代老科学家的推动下,在中科院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)微观反应动力学研究室的基础上,分子反应动力学国家重点实验室开始筹建,1992年通过国家验收,正式对外开放。

王秀岩见证了初期的筚路蓝缕。他于实验室筹建之时,作为实验室成员公派到美国合作交流,并于次年回国。

“分子反应动力学是化学领域的基础理论前沿学科,当时虽然已发展近十年,但基础仍然薄弱,远落后于发达国家。尤其是实验仪器设备普遍落后,国内生产的仪器不行,又买不起进口仪器,一些先进的精密仪器更是望尘莫及。”王秀岩回忆,“初期,重要的任务是自主设计和研制实验研究所需的大型设备和仪器,这非常重要。”

在艰难中起步的分子反应动力学国家重点实验室奋发图强,没有仪器自己造。1992年,实验室与国内科学仪器单位合作,共同研制了四台分子反应动力学大型装置,包括通用型交叉分子束装置、束源可转的交叉分子束反应装置、多功能自由基和激发态反应装置及反射式时间飞渡质谱。该成果于1994年获中国科学院科技进步奖一等奖。

有了科研“利器”,实验室乃至分子反应动力学学科进入了快速发展阶段。实验室科研人员发表的研究论文有一半被国际高水平学术期刊所收录,尤其是张存浩院士和沙国河院士利用自己研制的具有高灵敏度检测器的实验装置,首次观察到了量子干涉效应,引起国际广泛关注,被国际著名的Gordon会议确定为会议的中心议题,并被邀请在大会上作报告。而当时,能在国际大会上作报告的国内成果寥寥无几。

进入21世纪,在中科院“知识创新工程”推动下,杨学明、张东辉等已在国际崭露头角的实验科学家被引进回国、“接班”实验室。当时,他们已自行设计多套国际领先的科学仪器。

王秀岩表示,这一阶段创新成果喷涌而出,“每年都有一篇成果发表于《科学》杂志,这是我们赶超世界先进水平的一个重要阶段 ”。

经过33年的发展,分子反应动力学国家重点实验室如今已成为国内化学反应动力学的主要研究基地和承担国家重大基础研究项目的牵头单位,在物理化学科学仪器研制和气相反应动力学理论与实验研究两方面已处于世界领先水平。

大连光源的建成,让实验室再次抢占先机。“我们将继续创新和引领物理化学科学仪器的研制发展,并在此基础上,为与能源和环境等重要科学技术相关的化学反应过程的研究提供实验和理论基础。”张东辉说。

打造人才“尖刀连”

“有了人才,理论、实验方法和装置等很多发展问题也都能解决了。”杨学明对人才队伍的重要性有着深切感受,“上世纪90年代,我们仪器装置水平低、基础研究落后,而正是老一辈科学家坚持在这一方向上持续培养了一大批学生,才使得实验室的命脉即使在最困难时期都能得以延续。”

2001年,杨学明被聘为大连化物所研究员,任分子反应动力学国家重点实验室主任。从一上任,他便十分重视人才培养和引进。在他的推荐下,当时已是国际出色理论计算学家的张东辉被引入实验室。他们合力向世界最前沿科学难题发起冲击。

“找到最好的人才,让他们最好的想法得以实施,这关系实验室未来的生存发展。”杨学明如是总结。

吴凯丰便是实验室寻找到的“最好人才”之一。2017年,年仅27岁的吴凯丰从美国洛斯阿拉莫斯国家实验室博士后出站并考虑回国事宜。当时,这位青年才俊在太阳能高效转换领域已取得诸多创新成果,被国际同行广泛认可。

在众多选择中,他最终决定加入大连化物所的分子反应动力学国家重点实验室,并被聘为研究员、光电材料动力学研究组组长。“此前,我从未接触过分子反应动力学国家重点实验室。但在国外时,我就了解到它在国际上很有声望,在分子反应动力学领域处于国际领先地位。”吴凯丰告诉《中国科学报》。

杨学明和张东辉约见吴凯丰时再三表明:“放心来,我们一定会支持你的发展。”他们没有食言——大连化物所和实验室仅用不到4个月的时间,就帮吴凯丰建成实验室、搭建仪器、配备团队、申请经费。这一切,令吴凯丰感到“意外又惊喜”。

仅一年时间,吴凯丰课题组便在化学领域顶级期刊发了第一篇成果。接下来的两年,吴凯丰的创造力持续被激发,他带领团队在太阳能转换动力学机理揭示、理论发展等方面取得系列成果:首次提出并展示了量子剪裁型太阳能聚光器的概念,为超高效率聚光提供了可能;揭示了量子点—并苯上转换体系中三线态转移服从Dexter能量转移机理,对高效率光子上转换具有重要指导意义……

“我们作为一个年轻的新团队,每年都能获得实验室自主部署基金的支持。在这里开展科研工作,有种‘衣食无忧’的感觉,只要你有想法,就能心无旁骛地去做,不用考虑其他。”吴凯丰说。

实验室研究员、反应动力学理论与计算研究组组长孙志刚于2010年回国并入职实验室。他对此也深有感触,“科学发展日新月异,取得量子力学基础研究领域的突破性进展越发困难,而实验室尽可能提供宽松的科研环境、融洽的合作氛围等,让科研人员始终保持科研初心,不断激发创新思想”。

近年来,在国内外科技创新人才竞争愈发激烈的局势下,实验室通过多方式、多途径吸引培养国内外优秀人才,着力打造科技创新的人才“尖刀连”,如今已形成一支在分子反应动力学基础科学研究、实验仪器研制领域享有盛誉的高水平人才队伍。

后生可畏,这令王秀岩倍感欣慰,“可以说,实验室实现了最初提出的‘成为世界一流的分子反应动力学研究基地’的建设目标 ”。

注重理论实验“合作”

作为现代化学发展的一个重要前沿方向,分子反应动力学从分子层次揭示化学反应的微观机理,它给出的实验结果又能够揭示化学反应进行的过程和本质。

在分子反应动力学界,张东辉的“理论”、杨学明的“实验”,是众人熟知的“天作之合”。

今年5月,这对“搭档”的团队成果再次登上《科学》杂志,他们在最简单化学反应氢原子加氢分子的同位素(H+HD→H2+D)反应中,发现了化学反应中新的量子干涉效应,对于加深人们理解化学反应过程、丰富对化学反应的认识有着重要帮助。

这项成果便是理论与实验完美结合的结晶。

在化学反应中,量子干涉现象普遍存在。但是,想要准确理解这些干涉产生的根源非常困难,因为这些干涉的图样复杂,而且在实验上也难以精确分辨这些干涉图样的特征。而作为最简单的化学反应,H+H2及其同位素的反应能通过求解计算模拟,做到在微观层次上深入理解化学反应过程。

2019年,张东辉团队通过理论研究发现,在特定散射角度上,H+HD反应生成产物(H2)的多少会随碰撞能而呈现特别有规律的振荡。过去,杨学明团队曾设计了一个世界上最高分辨的交叉分子束散射实验。这一次,他们再次联合,开展了理论结合实验的详细研究。

最终,在实验上,通过改进交叉分子束装置,实现了在较高碰撞能处对后向散射(散射角度为180度)信号的精确测量。在理论上,进一步发展了量子反应散射理论,创造性地发展了利用拓扑学原理来分析化学反应发生过程的方法。

作为该研究的通讯作者之一,孙志刚告诉《中国科学报》,仅从理论出发,可能做不到很精确,而在实验过程中又会出现很多意想不到的因素,对实验结果有决定性影响。“如果不是理论与实验的充分交流,可能不会促成这么好的结果。”张东辉也强调,“过去数年中,我们的理论计算结果就是和杨学明院士的实验测量进行直接比较,在一系列研究中取得了理论与实验的高度吻合,取得了重要创新成果。”

如今,理论与实验的精诚合作俨然成为分子反应动力学国家重点实验室科学研究的主流方式。

“实验室的定位和目标就是发展和利用国际先进的化学反应动力学实验技术和高精度动力学理论相结合的方法,为重大科学技术进步提供基础知识支撑,保持反应动力学研究的国际领先地位,占据国际化学反应动力学研究的制高点。”张东辉说,“作为国家队,我们将继续加强理论与实验的结合,集结最优势的科研资源和力量,最终孕育出重大的原始创新,推动学科发展和解决国家重大战略科学技术问题。”

①分子反应动力学国家重点实验室A座

②大连相干光源波荡器

③2012年6月8日,张存浩先生与时任分子反应动力学国家重点实验室主任杨学明在实验室讨论问题

④大连光源雪景

⑤分子反应动力学国家重点实验室B座

人才的“破格”之路

在分子反应动力学国家重点实验室,肖春雷走过了一段不同寻常的“破格”之路。

2007年,从中国科学技术大学本科毕业的肖春雷考入实验室,并在杨学明院士门下硕博连读。6年里,他作为第一作者或主要参与者在《科学》杂志发表多篇研究论文。相关研究成果被国际同行评价为“解决了一个长期以来极具争议性的Cl+H2反应中激发态和基态相对反应性的问题”“理论和实验近乎完美地符合”“反应动力学发展的一个里程碑 ”等。

由于在研究生期间的出色成绩,在2013年即将毕业时,肖春雷被中科院大连化学物理研究所直接破格聘为副研究员。“破格”重用后的一年时间内,肖春雷屡获佳绩——作为主要完成人之一,在团队成员的共同努力下,他利用自行研制的具有世界领先水平的高分辨交叉分子束仪器,并通过与理论的密切结合,在态—态反应动力学研究方面取得了系列性的重要研究成果。这些成果不仅提升了对化学反应本质机理的认识,也使我国在该领域研究中处于国际领先地位。成果相继获得了辽宁省自然科学奖一等奖和国家自然科学奖二等奖。

2014年,肖春雷得到首届“中国科学院卓越青年科学家”项目资助,再次被研究所破格晋升为研究员,并担任基元反应动力学研究组组长。

在分子反应动力学国家重点实验室,无论是海外归来的学子,还是本土自主培养的人才,只要你有能力、有想法,便会有广阔的发展空间和平台。

近年来,肖春雷创造力和才华的小宇宙爆发。今年5月发表于《科学》杂志的“发现化学反应中新的量子干涉效应”成果,肖春雷也是通讯作者之一。

“成果的取得离不开实验室的帮助和支持。”肖春雷感慨说,从硬件到软件,甚至还有些不被注意的“隐形”保障——制度、环境、贴心服务等,实验室和研究所都尽可能提供便利,“这些对于科研人员来说,就像我们赖以生存的空气一样,平时不会注意到,但实际上是不可或缺的”。

对于年轻人的发展,中国科学院院士、分子反应动力学国家重点实验室主任张东辉表示,一直以来实验室坚持“有所为”——给予室内科研人员宽松、自由、公平的科研环境,并创造机会鼓励合作,给予经费支持;同时,实验室也坚持“有所不为”——不监管科研人员的细节,尤其是给予年轻人机会,允许在各自的科研方向上试错。

在中国科学院院士、分子反应动力学国家重点实验室研究员杨学明看来,对于国家重点实验室来说,最重要的就是实验室创新力度能否真正提高到一个更高水平,这也是最大的挑战。而要让实验室保持持续的创新能力,需要支持下一代年轻人的发展,让他们把最好的想法展示出来。“要让年轻人挑重担,同时给他们充分支持,甚至我们这些年纪大的人稍微往后退一退,这样年轻人才有更多发展机会。”

如今,看到越来越多的年轻人羽翼渐丰、独当一面,杨学明和张东辉对实验室的未来充满信心和期待。(韩扬眉 辛雨)

分子反应动力学国家重点实验室简介

分子反应动力学国家重点实验室依托于中国科学院大连化学物理研究所,1987年经国家计委批准建立,1992年通过国家验收,正式对国内外开放。

分子反应动力学国家重点实验室定位于面向化学动力学前沿课题和国家需求,发展原创性的理论和研究方法,在原子、分子、量子态水平上理解化学反应的过程和机制,为与能源和环境等重要科学技术相关的化学反应过程的研究提供实验和理论基础。

分子反应动力学国家重点实验室一直是国内化学反应动力学的主要研究基地和承担国家重大基础研究项目的牵头单位,已经成为国际上备受瞩目的重要的分子反应动力学研究中心。实验室在2009年和2014年化学类国家重点实验室评估中均被评为优秀实验室。实验室在交叉分子束实验技术、量子动力学和势能面计算、化学反应过渡态的结构和动力学机制的研究、非绝热动力学研究、物理化学实验仪器研制等方面处于国际领先水平,为我国乃至国际化学反应动力学的学科发展作出了重要贡献。

《中国科学报》 (2020-09-29 第4版 聚焦)
 
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