我们的纳米材料到底有何用处?

欢迎阅读MaterialsViews.com特邀专栏科学家为大家带来有关材料科学的独家观点。在当今纳米科学研究领域,多伦多大学的Geoffrey Ozin教授将会定期在MaterialsViews.com上探讨萦绕在研究人员头脑中的科学问题。阅读更多Ozin教授撰写的文章欢迎访问:http://nanochemistry.materialsviews.com.

由好奇心驱动的研究——为了获取基础认识而非立即将研究成果进行转化的研究——到底怎么了?

纵观科学发展史,大多对人类发展极具影响力的发现无外乎出于科学家追寻自身的好奇心。电、X射线、激光和半导体是其中典型的案例。如果研究工作仅仅着眼于实际应用和经济效益,那么只能是倡导非独创性研究并且减少发现新事物的可能性,这会扼杀重大的科学发现。

如今在材料研究领域,科学家不得不考虑如何应用他们研发的材料,而事实上,这些材料还没有达到应用的地步。仅仅依靠自身兴趣去研究材料已变成一种“缺陷”,你需要将它们应用于太阳能电池(而且可能只是个不怎么样的电池,因此性能的完善往往需要多年的研发积累),或者声称它们可应用于药剂释放、传感器、电池或者白色发光二极管之中。

虽然我们的研究经费都来自于纳税人,所以他们有权利知晓我们的研究可以解决哪些影响大众生活的问题。但是我们花费了太多的时间放在如何“装饰”科学上,使它看起来像在下周就可以“拯救”世界。而事实上,这些研究大多还在孕育期,还需要很多年的努力才可以实现应用。仅仅因为发现了一种新型的纳米材料,你就可以马上将它应用于第三代太阳能电池并获得70%的效率,然后在两年内达到10亿美元的产量并在未来呈现指数的增长,同时解决了我们所面临的环境危机并挽救你所在国家的经济衰退?但无论怎样,你至少会获得丰厚的研究经费。

当我1969年开始在多伦多大学担任助理教授时,我所从事的研究完全是为了在某一领域探寻和积累新的知识。我那时的工作涉及实验和理论两个方面,内容是关于无配体金属团簇的形核和生长,以及这些金属团簇如何与配体相互作用。

此项研究的目的是为了探明从金属原子到金属团簇再到金属块材的转变以及探索前面提到的配体在金属表面进行化学吸附的局部结合模型。这项工作在那个年代还属于一项基础研究,研究目的是为了阐述金属团簇的催化作用,实际上它成为了“自下而上”纳米材料的理论基石。

如今当你将基础性材料研究的成果投向顶尖级杂志时,你通常会被编辑或者审稿人告知:虽然你的研究成果可能具备较高的科学价值,但是它并没有展现出实际应用价值,所以你的工作成果将无法被接收,你应该投向那些更具体的期刊。有多少从事纳米材料基础研究的科学家正在面临这样的窘境?

或许我过去四十年的经验可以给予一些关于这个研究从思维驱动到应用驱动转变的提示。

当我在多伦多大学化学系的材料化学专业从事研究与教学工作时,曾面临过一个似乎难以逾越的困难。那时所有的材料研究工作均集中在材料科学与工程学院,这在当时是一个很传统的模式。我较快认识到劝说材料科学与工程同事进行合作是行不通的,而劝说化学系的同事与材料系开展合作也是不明智的。

我的主要观点是:化学家善于设计合成路线来获得新组分的物质,因此他们不会改进现有材料,而是研发新型的材料。 经过很久的讨论,我的观点最终被材料科学与工程学院的同事们接受。我随后在化学系设立了一个材料化学研究项目,并且在70年代早期首次开始教学工作。

这就是我材料化学和纳米化学之路的开始,这是好奇心导向型研究的鼎盛时期,从事无机合成、 有机金属和高分子的化学家开始将他们的重心转移至这个研究领域。随之而来的是在世界范围内,研究经费大量地流向基础研究领域。作为一种成果丰硕的新材料,利用化学合成来制备纳米材料已变得明朗,很多重要改变使人们开始思考:这些新(纳米)材料到底有何好处?

首先,基金委员会受到政策和工业界巨头的压力,要求只能资助那些具有实际应用的材料及纳米材料研究项目。那么由好奇心驱使的科研人员不得不思考更多问题,如何超越合成、结构和性能的限制而更多展现出应用,但这恰恰不是他们的强项。

第二,纳米材料化学的研究导向由思维型转向应用型,这迫使化学家寻求与物理及材料工程同事进行合作。然而此时,却很少有人愿意冒风险跨出自己所擅长的领域与化学家展开合作,来帮助化学家们将这些新型纳米材料推向应用,帮助他们获取基金委的资助。

这在我看来正是如今纳米材料化学研究领域学科交叉的开始。这也是我们应该感激的研究转变——凸显潜在的应用价值。虽然那些应用往往没有所声称的那么有前景,但是我们必须突破实验室的局限从而扩大我们的交际和合作的范围。

最初,极少数材料物理学家和工程师会愿意与化学家展开合作,但是随着众多纳米材料呈现出多种新颖而重要的特性,特别是大量潜在的工程领域上相关的突破,使得这个领域的特征从此发生改变——好奇心激发的基础研究转变为以技术应用为导向的研究。

我想我们应该不会为这个转变而感到惊奇,由于材料物理和工程领域最终发觉到由化学家开发的纳米材料的新一轮潜力。虽然传统的工程材料已经支撑了他们将近一个世纪的研究,甚至这些工程材料已经成为满足人类需求的基石,但是那些勇于合作的人士坚信纳米材料化学带来的革新并促使他们重新关注这些非传统的纳米材料。

我们不可能在回到以前纯粹的纳米材料研究,现今你必须使自己研究的纳米材料展现出潜在的应用价值。这从一些顶级的(纳米)材料期刊所发表的内容就可以看出,纳米化学类基础研究正逐渐被实际应用驱动的纳米工程类研究所代替。这种思路也被政府和工业界所资助的基金委广泛传播,从而愈发限制了利用化学手段来探索纳米材料的空间。

我不是想重复我近期发表的一些文章中的观点“纳米化学—下一个将是什么?”(Ozin and Cademartiri, Small 20095, 1240-1244)和“从想法到创新——纳米化学的案例分析” (Ozin and Cademartiri, Small 20117, 49-54),但我必须说:如果在未来好奇心驱使的纳米材料研究中如果没有足够的耐心、不屈不饶的毅力和足够的投入,那么从研究突破到新产品问世这个自然而然的发展将会受到巨大的威胁。操控基础研究中不可预期的成果对任何人都没有益处。

在我看来,重要的不是你研究的纳米材料可以应用于锂离子电池,储氢,燃料敏化太阳能电池,水分解或者是循环二氧化碳的光催化剂,全色显示,白色发光二极管,光感应器,药物缓释剂或者生物医学图像显示等等以满足政府和工业的需求,重要的是它是否比其他事物更具意义。这是否教会了我们一些全新的始料未及的事物?如果你想获得可以改变世界的研究成果,那么你必须要以应用为导向,但这看起来与本文的观点背道而驰。

图片制作: Wendong Wang博士

About Xu Guangchen

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。