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          面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

          ——中國科學院辦院方針

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          【中國科學報】立足前沿 致“大”盡“微”

          ——走進分子反應動力學國家重點實驗室

          2020-09-29 中國科學報 韓揚眉 辛雨
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          語音播報

          圖1.分子反應動力學國家重點實驗室A座

          圖2.大連相干光源波蕩器

          圖3.2012年6月8日,張存浩先生與時任分子反應動力學國家重點實驗室主任楊學明在實驗室討論問題

          圖4.大連光源雪景

          圖5.分子反應動力學國家重點實驗室B座

            2017年1月,一束非同凡響的“激光”從中國大連發出,為世界所矚目。

            這束激光可以達到單個皮秒激光脈沖產生140萬億個光子,被稱作世界上最亮且波長完全可調的極紫外自由電子激光光源。它的發出宣告著世界最強的極紫外自由電子激光脈沖誕生了。

            而承載這束最強之“光”的裝置,便是極紫外自由電子激光裝置——大連光源。作為我國第一臺大型自由電子激光科學研究用戶裝置,大連光源是當今世界上唯一運行在極紫外波段的自由電子激光裝置,也是世界上最亮的極紫外光源。它的正式運行,對于能源、化學、物理、生物、醫學、材料等多個科學領域具有革命性的推動作用。

            分子反應動力學國家重點實驗室是大連光源的牽頭建設機構之一。中國科學院院士、分子反應動力學國家重點實驗室主任張東輝為之振奮而自豪:“科學儀器是人類科學發展的主要推動力,我們有著最先進的技術儀器,在分子反應動力學領域的前沿科學方向研究中發揮重大創新和引領作用。”

            創制國之“利器”

            激光是20世紀人類最偉大的發明之一,被稱為“最快的刀、最準的尺、最亮的光”。而自由電子激光更是被視為“最先進的新一代光源”,它可以幫助人們在全新的時間尺度和空間尺度上理解自然過程,從而徹底開辟一個從未被探索的世界。

            特別是近20年來,自由電子激光技術已成為各國搶占國際科技高峰的重點布局方向。

            大連光源的主要發起人和牽頭人之一、中國科學院院士、分子反應動力學國家重點實驗室研究員楊學明頗具雄心,當年他直接瞄準了自由電子激光技術的“無人區”——極紫外區域。“極紫外區域光源是探測分子、原子及其外殼層電子結構最重要的光子能量區域,能夠用來給分子、原子‘拍電影’,這在以前是難以想象的。”楊學明形象地解釋道。

            2011年,楊學明與中國工程院院士、時任中科院上海應用物理研究所所長趙振堂,中科院上海應用物理研究所研究員王東聯合相關專家組成研發團隊,提出了要在中國率先建設基于新一代極紫外高增益自由電子激光(“大連光源”)綜合實驗裝置的計劃,從此踏上創新之路——2012年,大連光源啟動;2014年10月在大連長興島正式開工建設;2016年9月首次出光;2017年1月發出最強之光。

            在不到兩年的時間里,上述研發團隊完成了主要基建工程和主體光源裝置的研制,并實現了光源裝置的首次出光,創造了同類大型科學裝置建設的新紀錄。

            “我們以前是做小儀器的,但現在做成了國家級的自由電子激光平臺,且該裝置中90%的儀器設備由中國自主研發,這對我們實驗室乃至全球極紫外自由電子激光及相關領域的發展有重要推動作用。”話語之間,楊學明充滿了自豪。

            大連光源建成后,國內外頂尖研究團隊紛至沓來:英國皇家學會院士、著名化學動力學專家、英國布萊斯托爾大學Mike Ashfold在這里開展了部分實驗工作,重點進行星際化學方面的研究,成為首個國際用戶;德國馬普學會生物物理化學研究所所長Alec Wodtke已經在德國申請到200萬歐元資金,計劃在大連光源建立表面化學研究實驗站,發展推動新催化機理……

            而今,楊學明壯志不減,“接下來,我們還要發展下一代更亮的光源,不斷拓展新的研究方向”。

            填補領域空白

            “儀器研發是其他實驗室不可復制的部分,如今,我們的儀器研發能力國內最強,也具有國際領先水平。”張東輝自信地告訴《中國科學報》。

            事實上,分子反應動力學國家重點實驗室自創始以來,一直以創新科學儀器為基礎開展能源和環境相關的物理化學研究,如今已成為國際備受矚目的化學動力學研究中心。

            不過,走向“最強”和“領先”的道路并非坦途。

            1987年,在樓南泉院士、張存浩院士和何國鐘院士等一代老科學家的推動下,在中科院大連化學物理研究所(以下簡稱大連化物所)微觀反應動力學研究室的基礎上,分子反應動力學國家重點實驗室開始籌建,1992年通過國家驗收,正式對外開放。

            王秀巖見證了初期的篳路藍縷。他于實驗室籌建之時,作為實驗室成員公派到美國合作交流,并于次年回國。

            “分子反應動力學是化學領域的基礎理論前沿學科,當時雖然已發展近十年,但基礎仍然薄弱,遠落后于發達國家。尤其是實驗儀器設備普遍落后,國內生產的儀器不行,又買不起進口儀器,一些先進的精密儀器更是望塵莫及。”王秀巖回憶,“初期,重要的任務是自主設計和研制實驗研究所需的大型設備和儀器,這非常重要。”

            在艱難中起步的分子反應動力學國家重點實驗室奮發圖強,沒有儀器自己造。1992年,實驗室與國內科學儀器單位合作,共同研制了四臺分子反應動力學大型裝置,包括通用型交叉分子束裝置、束源可轉的交叉分子束反應裝置、多功能自由基和激發態反應裝置及反射式時間飛渡質譜。該成果于1994年獲中國科學院科技進步獎一等獎。

            有了科研“利器”,實驗室乃至分子反應動力學學科進入了快速發展階段。實驗室科研人員發表的研究論文有一半被國際高水平學術期刊所收錄,尤其是張存浩院士和沙國河院士利用自己研制的具有高靈敏度檢測器的實驗裝置,首次觀察到了量子干涉效應,引起國際廣泛關注,被國際著名的Gordon會議確定為會議的中心議題,并被邀請在大會上作報告。而當時,能在國際大會上作報告的國內成果寥寥無幾。

            進入21世紀,在中科院“知識創新工程”推動下,楊學明、張東輝等已在國際嶄露頭角的實驗科學家被引進回國、“接班”實驗室。當時,他們已自行設計多套國際領先的科學儀器。

            王秀巖表示,這一階段創新成果噴涌而出,“每年都有一篇成果發表于《科學》雜志,這是我們趕超世界先進水平的一個重要階段 ”。

            經過33年的發展,分子反應動力學國家重點實驗室如今已成為國內化學反應動力學的主要研究基地和承擔國家重大基礎研究項目的牽頭單位,在物理化學科學儀器研制和氣相反應動力學理論與實驗研究兩方面已處于世界領先水平。

            大連光源的建成,讓實驗室再次搶占先機。“我們將繼續創新和引領物理化學科學儀器的研制發展,并在此基礎上,為與能源和環境等重要科學技術相關的化學反應過程的研究提供實驗和理論基礎。”張東輝說。

            打造人才“尖刀連”

            “有了人才,理論、實驗方法和裝置等很多發展問題也都能解決了。”楊學明對人才隊伍的重要性有著深切感受,“上世紀90年代,我們儀器裝置水平低、基礎研究落后,而正是老一輩科學家堅持在這一方向上持續培養了一大批學生,才使得實驗室的命脈即使在最困難時期都能得以延續。”

            2001年,楊學明被聘為大連化物所研究員,任分子反應動力學國家重點實驗室主任。從一上任,他便十分重視人才培養和引進。在他的推薦下,當時已是國際出色理論計算學家的張東輝被引入實驗室。他們合力向世界最前沿科學難題發起沖擊。

            “找到最好的人才,讓他們最好的想法得以實施,這關系實驗室未來的生存發展。”楊學明如是總結。

            吳凱豐便是實驗室尋找到的“最好人才”之一。2017年,年僅27歲的吳凱豐從美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室博士后出站并考慮回國事宜。當時,這位青年才俊在太陽能高效轉換領域已取得諸多創新成果,被國際同行廣泛認可。

            在眾多選擇中,他最終決定加入大連化物所的分子反應動力學國家重點實驗室,并被聘為研究員、光電材料動力學研究組組長。“此前,我從未接觸過分子反應動力學國家重點實驗室。但在國外時,我就了解到它在國際上很有聲望,在分子反應動力學領域處于國際領先地位。”吳凱豐告訴《中國科學報》。

            楊學明和張東輝約見吳凱豐時再三表明:“放心來,我們一定會支持你的發展。”他們沒有食言——大連化物所和實驗室僅用不到4個月的時間,就幫吳凱豐建成實驗室、搭建儀器、配備團隊、申請經費。這一切,令吳凱豐感到“意外又驚喜”。

            僅一年時間,吳凱豐課題組便在化學領域頂級期刊發了第一篇成果。接下來的兩年,吳凱豐的創造力持續被激發,他帶領團隊在太陽能轉換動力學機理揭示、理論發展等方面取得系列成果:首次提出并展示了量子剪裁型太陽能聚光器的概念,為超高效率聚光提供了可能;揭示了量子點—并苯上轉換體系中三線態轉移服從Dexter能量轉移機理,對高效率光子上轉換具有重要指導意義……

            “我們作為一個年輕的新團隊,每年都能獲得實驗室自主部署基金的支持。在這里開展科研工作,有種‘衣食無憂’的感覺,只要你有想法,就能心無旁騖地去做,不用考慮其他。”吳凱豐說。

            實驗室研究員、反應動力學理論與計算研究組組長孫志剛于2010年回國并入職實驗室。他對此也深有感觸,“科學發展日新月異,取得量子力學基礎研究領域的突破性進展越發困難,而實驗室盡可能提供寬松的科研環境、融洽的合作氛圍等,讓科研人員始終保持科研初心,不斷激發創新思想”。

            近年來,在國內外科技創新人才競爭愈發激烈的局勢下,實驗室通過多方式、多途徑吸引培養國內外優秀人才,著力打造科技創新的人才“尖刀連”,如今已形成一支在分子反應動力學基礎科學研究、實驗儀器研制領域享有盛譽的高水平人才隊伍。

            后生可畏,這令王秀巖倍感欣慰,“可以說,實驗室實現了最初提出的‘成為世界一流的分子反應動力學研究基地’的建設目標 ”。

            注重理論實驗“合作”

            作為現代化學發展的一個重要前沿方向,分子反應動力學從分子層次揭示化學反應的微觀機理,它給出的實驗結果又能夠揭示化學反應進行的過程和本質。

            在分子反應動力學界,張東輝的“理論”、楊學明的“實驗”,是眾人熟知的“天作之合”。

            今年5月,這對“搭檔”的團隊成果再次登上《科學》雜志,他們在最簡單化學反應氫原子加氫分子的同位素(H+HD→H2+D)反應中,發現了化學反應中新的量子干涉效應,對于加深人們理解化學反應過程、豐富對化學反應的認識有著重要幫助。

            這項成果便是理論與實驗完美結合的結晶。

            在化學反應中,量子干涉現象普遍存在。但是,想要準確理解這些干涉產生的根源非常困難,因為這些干涉的圖樣復雜,而且在實驗上也難以精確分辨這些干涉圖樣的特征。而作為最簡單的化學反應,H+H2及其同位素的反應能通過求解計算模擬,做到在微觀層次上深入理解化學反應過程。

            2019年,張東輝團隊通過理論研究發現,在特定散射角度上,H+HD反應生成產物(H2)的多少會隨碰撞能而呈現特別有規律的振蕩。過去,楊學明團隊曾設計了一個世界上最高分辨的交叉分子束散射實驗。這一次,他們再次聯合,開展了理論結合實驗的詳細研究。

            最終,在實驗上,通過改進交叉分子束裝置,實現了在較高碰撞能處對后向散射(散射角度為180度)信號的精確測量。在理論上,進一步發展了量子反應散射理論,創造性地發展了利用拓撲學原理來分析化學反應發生過程的方法。

            作為該研究的通訊作者之一,孫志剛告訴《中國科學報》,僅從理論出發,可能做不到很精確,而在實驗過程中又會出現很多意想不到的因素,對實驗結果有決定性影響。“如果不是理論與實驗的充分交流,可能不會促成這么好的結果。”張東輝也強調,“過去數年中,我們的理論計算結果就是和楊學明院士的實驗測量進行直接比較,在一系列研究中取得了理論與實驗的高度吻合,取得了重要創新成果。”

            如今,理論與實驗的精誠合作儼然成為分子反應動力學國家重點實驗室科學研究的主流方式。

            “實驗室的定位和目標就是發展和利用國際先進的化學反應動力學實驗技術和高精度動力學理論相結合的方法,為重大科學技術進步提供基礎知識支撐,保持反應動力學研究的國際領先地位,占據國際化學反應動力學研究的制高點。”張東輝說,“作為國家隊,我們將繼續加強理論與實驗的結合,集結最優勢的科研資源和力量,最終孕育出重大的原始創新,推動學科發展和解決國家重大戰略科學技術問題。”

            人才的“破格”之路

            在分子反應動力學國家重點實驗室,肖春雷走過了一段不同尋常的“破格”之路。

            2007年,從中國科學技術大學本科畢業的肖春雷考入實驗室,并在楊學明院士門下碩博連讀。6年里,他作為第一作者或主要參與者在《科學》雜志發表多篇研究論文。相關研究成果被國際同行評價為“解決了一個長期以來極具爭議性的Cl+H2反應中激發態和基態相對反應性的問題”“理論和實驗近乎完美地符合”“反應動力學發展的一個里程碑 ”等。

            由于在研究生期間的出色成績,在2013年即將畢業時,肖春雷被中科院大連化學物理研究所直接破格聘為副研究員。“破格”重用后的一年時間內,肖春雷屢獲佳績——作為主要完成人之一,在團隊成員的共同努力下,他利用自行研制的具有世界領先水平的高分辨交叉分子束儀器,并通過與理論的密切結合,在態—態反應動力學研究方面取得了系列性的重要研究成果。這些成果不僅提升了對化學反應本質機理的認識,也使我國在該領域研究中處于國際領先地位。成果相繼獲得了遼寧省自然科學獎一等獎和國家自然科學獎二等獎。

            2014年,肖春雷得到首屆“中國科學院卓越青年科學家”項目資助,再次被研究所破格晉升為研究員,并擔任基元反應動力學研究組組長。

            在分子反應動力學國家重點實驗室,無論是海外歸來的學子,還是本土自主培養的人才,只要你有能力、有想法,便會有廣闊的發展空間和平臺。

            近年來,肖春雷創造力和才華的小宇宙爆發。今年5月發表于《科學》雜志的“發現化學反應中新的量子干涉效應”成果,肖春雷也是通訊作者之一。

            “成果的取得離不開實驗室的幫助和支持。”肖春雷感慨說,從硬件到軟件,甚至還有些不被注意的“隱形”保障——制度、環境、貼心服務等,實驗室和研究所都盡可能提供便利,“這些對于科研人員來說,就像我們賴以生存的空氣一樣,平時不會注意到,但實際上是不可或缺的”。

            對于年輕人的發展,中國科學院院士、分子反應動力學國家重點實驗室主任張東輝表示,一直以來實驗室堅持“有所為”——給予室內科研人員寬松、自由、公平的科研環境,并創造機會鼓勵合作,給予經費支持;同時,實驗室也堅持“有所不為”——不監管科研人員的細節,尤其是給予年輕人機會,允許在各自的科研方向上試錯。

            在中國科學院院士、分子反應動力學國家重點實驗室研究員楊學明看來,對于國家重點實驗室來說,最重要的就是實驗室創新力度能否真正提高到一個更高水平,這也是最大的挑戰。而要讓實驗室保持持續的創新能力,需要支持下一代年輕人的發展,讓他們把最好的想法展示出來。“要讓年輕人挑重擔,同時給他們充分支持,甚至我們這些年紀大的人稍微往后退一退,這樣年輕人才有更多發展機會。”

            如今,看到越來越多的年輕人羽翼漸豐、獨當一面,楊學明和張東輝對實驗室的未來充滿信心和期待。(韓揚眉 辛雨)

            分子反應動力學國家重點實驗室簡介

            分子反應動力學國家重點實驗室依托于中國科學院大連化學物理研究所,1987年經國家計委批準建立,1992年通過國家驗收,正式對國內外開放。

            分子反應動力學國家重點實驗室定位于面向化學動力學前沿課題和國家需求,發展原創性的理論和研究方法,在原子、分子、量子態水平上理解化學反應的過程和機制,為與能源和環境等重要科學技術相關的化學反應過程的研究提供實驗和理論基礎。

            分子反應動力學國家重點實驗室一直是國內化學反應動力學的主要研究基地和承擔國家重大基礎研究項目的牽頭單位,已經成為國際上備受矚目的重要的分子反應動力學研究中心。實驗室在2009年和2014年化學類國家重點實驗室評估中均被評為優秀實驗室。實驗室在交叉分子束實驗技術、量子動力學和勢能面計算、化學反應過渡態的結構和動力學機制的研究、非絕熱動力學研究、物理化學實驗儀器研制等方面處于國際領先水平,為我國乃至國際化學反應動力學的學科發展作出了重要貢獻。

            (原載于《中國科學報》 2020-09-29 第4版 聚焦)
          打印 責任編輯:張芳丹

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