分子科学

开栏寄语：　　2016年10月，中国科学院化学研究所将迎来60周岁生日。60年来，几代化学所人不懈努力，顽强拼搏，勇攀高峰，形成了“创新、求是、团结、奉献”的优秀文化，为我国科技事业、国民经济和国防建设作出了重要贡献。如今，化学所以基础研究为主，正在有重点地开展国家急需的、有重大战略目标的高新技术创新研究，并与高新技术应用和转化工作相协调发展，已成为具有重要国际影响、我国最高水平的化学研究机构之一。本报即日起将推出系列文章，以纪念为化学事业奋斗终身的前辈，也向正在“三个面向”“四个率先”的要求下，为化学科学发展、国民经济和国防建设奋战的科研工作者致以崇高的敬意。▲化学所规划图▲化学所分子楼　　化学，是研究物质形成、结构、性能和变化的科学。上世纪90年代，科学家已经在认识分子结构和化学键的本质上积累了丰富的知识。彼时，化学家已瞄准了新的科学目标，即从需求出发设计并合成具有特定化学、物理特性的分子。　　中国科学院化学研究所自1956年成立以来，一直把握着世界化学前沿的脉搏，引领中国化学学科相关领域的发展。　　当化学学科逐渐走进“分子时代”时，化学所在国内率先提出面向世界科学前沿的分子科学研究计划。多年来，化学所依靠深厚的历史积淀，以扎实的基础研究，突破了诸多关键技术，培养了一大批分子科学领军人才，成为我国分子科学领域的高地。　　“弄潮”分子科学　　上世纪90年代末，党中央、国务院作出建设国家创新体系的重大决策，决定由中科院开展“知识创新工程”试点。根据该项试点工作的部署，1999年3月，中科院化学所首批进入了中科院知识创新工程，并启动了分子科学中心的建设，希望办成世界上有影响的、国际一流水平的分子科学中心，成为国际交流的窗口，同时建设和完善面向国家重大战略需求的先进高分子材料基地。　　该中心由中科院化学所与当时的感光化学所相关部分整合而成，时任化学所所长朱道本被聘任为该中心的主任。　　中国科学家“弄潮”分子科学的蓝图就此展开。　　朱道本说：“一个人的力量是有限的，有了领导和同事们的支持，才能把分子科学中心建好。”启动伊始，他带领化学所多名研究人员详细调研了德国马普研究所、日本分子科学中心等世界一流的化学研究机构。　　1999年4月初，经过详细论证，由14名院士和科研、管理专家组成评委会，在化学所原有研究单元的基础上，论证首批进入中心的单元。分子动态学、有机固体、工程塑料、高分子物理、纳米科技、光化学、胶体和界面等实验室和研究组入选。　　“首批进入中心的196人，平均年龄是39.8岁，‘杰青’获得者有10名，‘百人计划’9名。”朱道本告诉《中国科学报》记者。　　这些在世纪之交时种下的分子科学“种子”，在十多年里不断开花结果。以有机固体实验室为例，朱道本带领研究小组创造了新的高效合成方法，筛选出了具有自主知识产权、综合性能优异的电子/空穴传输材料 李永舫带领研究小组构建了高性能有机器件，使单结聚合物太阳能电池的能量转换效率提高到10%以上，始终保持了世界领先的水平 李玉良首次在铜表面上合成了具有本征带隙sp杂化的二维碳的新同素异形体石墨炔，开辟了人工化学合成碳同素异形体的先例。　　如今，中科院化学所已在分子科学的多个领域位列世界前沿。　　“奠基”分子纳米科技　　纵观历史，观测手段的每一次进步都能推动人类认识世界的步伐。例如，在生物学上，X光衍射技术为分子生物学的发展奠定了基础。而天文学上，射电望远镜的发明则极大地拓宽了天文学家观测的视野。　　分子科学领域也不例外。上世纪80年代，国际上纳米科学与技术的迅猛发展，以STM为代表的纳米表征技术的发明揭示了纳米尺度的微观世界，有力地推动了分子科学的发展。　　1987年，在美国加州理工学院专攻扫描隧道显微学技术(STM)的白春礼，携带STM的研制资料和关键元器件回国，在中科院和化学所领导的支持下创立了STM实验室。　　当时，STM仪器尚未实现商业化，自行研制STM仪器成为该实验室成立之初的主要目标。1988年，白春礼和同事们在科研经费不足的情况下，只花了不到半年时间，成功研制出中国第一台STM仪器。　　“因为实验用房紧张，研制工作在化学所4号楼的一间地下室里开展。”参与STM仪器研发的实验室人员对这段历史记忆犹新，“1988年4月12日，实验室的日历永远记住了这个时间。”　　中国科学院化学研究所上一任所长万立骏告诉《中国科学报》记者：“有了STM这个利器，中科院化学所纳米科学的发展得到了极大的支撑。”　　1989年初，研究团队还开发了原子力显微镜(AFM)，助力分子科学研究直接观察非导体的表面原子结构。超高真空扫描隧道显微镜、低温扫描隧道显微镜、激光检测原子力显微镜、弹道电子发射显微镜等纳米检测仪器也陆续成功研发。　　研究人员正是依靠这些自主研发的仪器，对有机导体、有机铁磁体、非线性光学材料、高温超导材料、矿物和生物大分子等一系列物质开展了研究，取得了许多重要的研究成果。　　2001年，以白春礼、王琛、万立骏为学术带头人的创新团队获得国家自然科学基金委员会的支持，标志着实验室进入一个新的发展阶段。一年后，该实验室正式被批准为中科院重点实验室。　　在科研领域方面，该实验室已从STM研究拓展到纳米材料科学、单分子科学、纳米器件、纳米生物学等广大的纳米学科领域。　　从基础到应用：一个都不能少　　在中科院化学所分子科学研究走过的历程中，研究人员基于高水平的基础研究，开展了丰富的应用研究和产业化探索，分子科学的创新链条也得到了充分延展。　　纳米绿色印刷是化学所全链条创新的典范。宋延林带领的团队先后实现了包括绿色制版、绿色版基和绿色油墨在内的完整纳米绿色印刷产业链技术。从2010年起，该团队与企业合作，推动项目产业化示范和制版中心建设，已经取得多项国际领先的技术成果，在国内外产生了广泛的影响。　　有机光导鼓关键技术则始于上世纪80年代。王艳乔等科研人员完成技术研发后，于2000年建成我国首条有机光导鼓自动化生产线，结束了我国有机光导鼓的技术与产业空白局面，创造了良好的经济和社会效益。　　在聚丙烯催化剂研发方面，肖士镜、谢光华和胡友良等研究人员成功制备出高活性、高立构规整性的聚丙烯催化剂，并于1992年在辽宁营口实现了催化剂的产业化，替代了进口催化剂。而在甲醇/一氧化碳羰基合成方面，袁国卿等带领研发团队研制出系列新型的螯合型催化剂。2004年起，该类催化剂陆续被大型企业广泛应用，共生产醋酸1100万吨，创造利润40多亿元。　　中科院化学所所长张德清指出，多年来，在分子科学领域，化学所形成了分子合成、分子组装与功能及与材料、环境、生命、能源等交叉的全覆盖研究领域。　　2013年，中科院发展规划局组织国际知名科学家对化学研究所进行了现场专家诊断评估。“国际评估专家认为化学所是中国最好的化学研究机构，也提出了许多中肯的意见，让我们未来的发展有了更清晰的方向和更大的空间。”张德清表示。

中国科学技术大学潘建伟、赵博等与中国科学院化学研究所白春礼小组合作，在超冷原子双原子分子混合气中首次实现三原子分子的相干合成。该研究中，科研人员在钾原子和钠钾基态分子的Feshbach共振附近利用射频场将原子和双原子分子相干地合成了超冷三原子分子，向基于超冷原子分子的量子模拟和超冷量子化学的研究迈出了重要一步。2月9日，相关研究成果发表在《自然》（Nature）上。 　　量子计算和量子模拟具有强大的并行计算和模拟能力，不仅能够解决经典计算机无法处理的计算难题，还能有效揭示复杂物理系统的规律，从而为新能源开发、新材料设计等提供指导。量子计算研究的终极目标是构建通用型量子计算机，但实现该目标需要制备大规模的量子纠缠并进行容错计算。当前量子计算的短期目标是发展专用型量子计算机，即专用量子模拟机，其能够某些特定问题上解决现有经典计算机无法解决的问题。例如，超冷原子分子量子模拟，利用高度可控的超冷量子气体来模拟复杂的难于计算的物理系统，可以对复杂系统进行精确的全方位的研究，因而在化学反应和新型材料设计中具有广泛应用前景。 　　超冷分子将为实现量子计算打开了新思路，并为量子模拟提供理想平台。但由于分子内部的振动转动能级复杂，通过直接冷却的方法来制备超冷分子十分困难。超冷原子技术的发展为制备超冷分子提供了新途径，可绕开直接冷却分子的困难，从超冷原子气中利用激光、电磁场等来合成分子。利用光从原子气中合成分子的研究可以追溯到20世纪80年代。激光冷却原子技术的出现使得光合成双原子分子得以快速发展，并在高精度光谱测量中取得了广泛应用。在光合成双原子分子成功后，科研人员开始思考能否利用量子调控技术从原子和双原子分子的混合气中合成三原子分子。在2006年发表的综述文章[Rev. Mod. Phys. 78，483, (2006)]中，美国国家标准局教授Paul Julienne等人回顾了光合成双原子分子过去二十年的发展历史，并指出从原子和双原子分子的混合气中合成三原子分子是未来合成分子领域的重要研究方向。由于光合成的双原子分子气存在密度低、温度高等缺点，无法用来研究三原子分子的合成。随着超冷原子气中Feshbach共振技术的发展，利用磁场或射频场合成分子成为制备超冷双原子分子的主要技术手段。从超冷原子中制备的双原子分子具有相空间密度高、温度低等优点，并且可以用激光将其相干地转移到振动转动的基态。自2008年美国科学院院士Deborah Jin和叶军的联合实验小组制备了铷钾超冷基态分子以来，多种碱金属原子的双原子分子先后在其他实验室中被制备出来，并被广泛应用于超冷化学和量子模拟研究中。 　　2015年，法国国家科学研究中心教授Olivier Dulieu等在理论上分析了从原子双原子分子混合气中合成三原子分子的可行性 [Phys. Rev. Lett. 115, 073201 (2015)]。 但由于三原子分子的相互作用复杂，无法精确计算，因而理论上无法预测三原子分子的束缚态的能量以及散射态和束缚态的耦合强度。中国科学技术大学研究小组在2019年首次观测到超低温下原子和双原子分子的Feshbach共振[Science 363, 261 (2019)]。在Feshbach共振附近，三原子分子束缚态的能量和散射态的能量趋于一致，同时散射态和束缚态之间的耦合被大幅度地共振增强。原子分子Feshbach共振的观测为合成三原子分子提供了新机遇。但由于原子和分子的Feshbach共振十分复杂，理论上难以理解，能否和如何利用Feshbach共振来合成三原子分子成为具有挑战性的问题。 　　该研究中，合作研究小组首次实现了利用射频场相干合成三原子分子。在实验中，科研人员从接近绝对零度的超冷原子混合气出发，制备了处于单一超精细态的钠钾基态分子。在钾原子和钠钾分子的Feshbach共振附近，通过射频场将原子分子的散射态和三原子分子的束缚态耦合在一起。在钠钾分子的射频损失谱上观测到射频合成三原子分子的信号，并测量了Feshbach共振附近三原子分子的束缚能。该工作为量子模拟和超冷化学的研究开辟了新道路。超冷三原子分子是模拟量子力学下三体问题的理想研究平台。三体问题十分复杂，即使经典的三体问题由于存在混沌效应也无法精确求解。在量子力学的约束下，三体问题变得更加难以捉摸。如何理解和描述量子力学下的三体问题是少体物理中的重要难题。此外，超冷三原子分子可以用来实现超高精度的光谱测量，为刻画复杂的三体相互作用势能面提供了重要基准。由于计算势能面需要高精度地求解多电子薛定谔方程，超冷三原子分子的势能面也为量子化学中的电子结构问题提供了重要信息。 　　研究工作得到科技部、国家自然科学基金委、中科院、安徽省、上海市等的支持。 　　论文链接

精确测定分子的化学结构、识别其化学物种一直是表面科学的核心问题，即使在单个分子层次上，分子结构、电子态及其激发态、化学键振动、反应动力学行为等多维度的内禀属性也表现出显著的特异性。分子多维度内禀参量的精密测量是一个极具挑战性的前沿问题。在国家重点研发计划“纳米科技”重点专项支持下，我国科学家发展了多种扫描探针显微成像联用技术，实现了对单分子在电、力、光等外场作用下不同内禀参量响应的精密测量，在单化学键精度上实现了单分子多重特异性的综合表征，突破了单一显微成像技术的探测局限。研究人员利用这一高分辨的综合表征技术，以并五苯分子及其衍生物作为模型体系，结合电、力、光等不同相互作用，实现了对电子态、化学键结构和振动态、化学反应等多维度内禀参量的精密测量。实验结果表明纳腔等离激元激发是导致特定吸附构型下C—H键选择性断裂的原因，阐明了Ag(110)表面吸附的并五苯分子转化为不同衍生物的机理。此外通过集成高灵敏度的单光子计数器，把拉曼光谱的实空间成像速度提高了2个数量级，成功地实现了并五苯分子化学反应前后的动态跟踪与测量。该多维度表征技术方法将为表面催化、表面合成和二维材料中的化学结构与物种识别，以及构效关系的构建提供可行的解决方案，在表面化学、多相催化等研究领域具有重要的科学价值。相关研究成果于2021年2月发表在Science上。