WILEY人物访谈:对话多伦多大学Geoffrey Ozin教授

值此Geoffrey Ozin教授77岁生日之际,我们与著名纳米化学家同时也是Advanced Science News的长期撰稿人Geoffery Ozin教授进行了深入交流,讨论了他丰富多彩的职业生涯,当前的课题以及未来的计划。这是一篇饶有趣味的访谈,帮助读者了解科学成就背后的故事的同时又能带来新的启示和思考。

当你刚开始工作时,你是一名材料化学家。你是如何参与“纳米化学”领域的?

我无意中进入了这个研究领域,并为我们现在称为纳米化学的领域奠定了基础。

在七十年代初期,由Thomas Graham(1805-1869)率先提出的胶体化学领域正经历着向当今纳米化学的转变。而由Wolfgang Ostwald(1883-1943)倡导的胶体科学则成为了当今纳米科学的雏形。 Graham描述了物质在纳米到微米大小范围内的独特行为,Ostwald在他的著作《被忽视的维度的世界》(1914)中丰富了这一主题。 这项工作鼓舞了我,多伦多大学化学系的一名新任助理教授,使用自下而上的化学方法应对纳米级自组装材料的挑战。

Ozin, G.A., Nanochemistry: Synthesis in Diminishing Dimensions Advanced Materials 1992

但是,作为一名合成化学家,我面临一个重要的未解决的问题:如何使用化学方法来制备纳米尺度的金属,半导体和绝缘体?我研究了这些材料的尺寸可调性,以期阐明其结构,性能,功能关系和确定用途。在低温条件下用“裸露的”金属原子进行化学实验让我“恍然大悟”恍然大悟,即可以在固体阵列中使金属原子扩散并自组装,达到控制成核和进准调控金属纳米团簇的效果。这一具有科学意义的壮举以前从未实现过。通过这种方式,我第一次观察到了金属原子的成核和生长反应,并首次监测和量化了它们的聚集动力学。此外,我确定,当在不同的小分子配体的存在下有可能发现以前未知的MnLm化合物。

能分享一下您最喜欢的早期研究课题吗?

我最喜欢的早期研究课题之一是在1977年与William Goddard在加州理工学院担任Fairchild Fellowship时进行的,它是对Nin(C2H4)m的实验和理论研究。这首次描述了“裸”镍原子和镍团簇与乙烯的化学反应,并建立了乙烯化学吸附在体相镍上的局域键合模型。1970年这些实验背后的独创性,以及我后来的论文中进行的扩展,揭示了对可控尺寸的金属纳米团簇的前所未有的见解,其合成使人们首次探索了从分子到量子的转变。在这之前,。这些研究还提供了一个独特的平台来研究簇和表面的关系。值得一提的是,我后来发现了一系列史无前例的金属原子和金属团簇光过程,从而丰富了这项工作。这些过程包括裸金属原子的光聚集,裸金属簇的光解离和裸金属簇的光异构化反应,以及裸金属原子的光插入反应到饱和烃(例如甲烷)的碳氢键中。

总之,这些有关裸金属原子和裸金属团簇的化学和光化学的早期实验为纳米化学领域的发展奠定了基础。表征这种金属原子/金属-蒸气之间的化学反应的仪器是由我的团队(www.torrovap.com)的附属公司生产并商业化的,该公司成立于1981年,并且仍在营业。

奠定了裸金属原子金属团簇化学的基础知识之后,您的研究主要致力于哪个方面?

我渴望获得从裸金属原子和裸金属团簇的低温化学获得纳米化学的独特见解。“脱离寒冷”提供了我的早期工作与沸石领域之间的联系。我设想制造并固定这些细小的物质,以便可以对其结构,性质,功能,效用和关系进行详细研究。在这种情况下,由于这些Mn和MnLm纳米团簇是亚稳态的,自发地聚集成稳态的体相材料。因此必须通过某种类型的表面保护鞘使其稳定。 我在沸石的纳米级空隙中进行了成核和生长反应,从而将纳米团簇“封盖”在了沸石配体笼中,证实了沸石可以用作合成和稳定金属和半导体纳米材料的纳米多孔主体。

在此期间,沸石的研究仅集中于沸石在催化和气体分离中的性质和应用。 但是,我更喜欢将沸石视为填充有纳米级空隙的固体,并想知道它们如何在先进的材料研究领域发挥作用。 我看到了它们在信息存储,光伏,电池,燃料电池,光催化剂,化学传感器和药物输送系统等领域的潜力。 为了挖掘这种潜力,我与纽约Union Carbide的Edith Flanigen合作了五年,将其中一些想法付诸实践,最终把我对该领域未来方向的看法整理在《先进沸石材料科学》。

巧合的是,在这个时候,Union Carbide做出了一个非凡的发现,即纳米多孔材料的构成元素遍布整个元素周期表中,从而将沸石的组成扩展到了铝硅酸盐和硅酸盐之外,这启发了我将注意力集中在纳米多孔的金属硫化物的应用上,我设想充满纳米孔的自组装半导体材料在分子大小和形状区分的传感设备中具有实用性,使得开发早期的“电子鼻”成为可能。 为了提高其晶体完美度,我在太空中自组装这些纳米多孔半导体材料,以观察重力对成核和生长过程的影响。

在太空都发生了什么?

这是我职业生涯早期研究的一大亮点:科学上令人振奋,技术上要求高。该项目是加拿大航天局和国家航空航天局之间(NASA)的一项合作,围绕地球和空间科学展开。前者是在我在多伦多大学的研究小组中进行的,后者是在1996年5月19日NASA奋进号航天飞机(STS 77)的自动化反应装置(get-away-special)上进行的。该任务被认为是空间微重力研究和空间科学商业化的处女航。碰巧的是,航天飞机的机组人员之一,来自加拿大的Marc Garneau,在2008年成为加拿大国会议员。该项目的目标是研究微重力对层状微孔锡(IV)硫化物结晶的影响。选择该材料是因为其晶体结构是由弱的层间作用和强的层内共价键决定的,并且其自组装对成核和生长条件非常敏感。五年的研究发现,在微重力条件下,在没有沉积和对流重力驱动对晶体生长干扰的情况下,我们观察到整体晶体质量有所改善,例如,与地球上制备的晶体相比,形态更清晰,刻面更光滑,结晶度提高,具有更优异的光学质量和孔体积。

这项研究是如何导致了纳米化学的诞生?

事后诸葛亮,我在那之后的研究主要基于纳米材料化学方法的精髓——一个未来领域我称为 “纳米化学 “。这篇论文为纳米材料革命奠定了基础,而这场革命至今仍未停止。我设想了纳米化学的新世界,从零维纳米点、一维纳米线、二维纳米层和三维开放框架,其构象令人惊讶,形状和尺寸令人惊奇。这里提供一个概念性的基础,一种自下而上的合成纳米级材料的范式的描述,对材料的尺寸、形状、表面和自组装都有纳米级的控制。我当时认为(这一领域)的潜力是惊人的。他可以制备出完美到最后一个原子纳米级材料。通过构效关系设计的有机和无机组分的协同作用可以使得这一系列新材料具有新的性质,从而使这些材料在现实世界中得到应用。

纳米化学领域在1992年诞生并产生了发表纳米化学的期刊,影响因子赶上或超过各自学会的旗舰期刊,包括:Small, Nano Letters, ACS Nano, Nature Nanotechnology, Nanoscale,名单还在继续增长。自1992年以来,纳米化学ISI引用量以天文数字增长,谷歌上超过3.6亿的点击量,以及围绕纳米化学研究和教育的众多全球学术、工业、政府和国防机构的创举,都证明了化学和纳米技术永远是联系在一起的。如果没有70年代开展的基础工作,这些计划不可能实现,这些工作后来激发了其他人利用纳米化学的基本科学原理和实践来解决纳米技术领域具有挑战性的现实问题。

谈谈一个您研究工作的标志。

创造性地利用了纳米孔规则排列的独特特性,其尺寸范围从纳米到微米。 例如,我对周期性大孔材料的研究(我恰当地称其为“光尺寸”材料),重点是通过电,热,机械和化学方式“从结构的角度调整颜色”。 这个革命性的概念构成了Opalux正在开发的一种新的“光子颜色”纳米技术的基础,Opalux将该纳米技术的三种独特表现推向了市场。

P-Ink是一种类似于电子纸的柔性材料,可提供全光谱的电学可调和反射颜色。 它具有双稳态和高能效性,是正在争相为Kindle和Kobo等黑白电子书阅读器添加色彩的三项竞争技术之一。 P-Nose是一种人造鼻子,由简单,具成本优势的表面官能化纳米多孔材料像素化阵列组成,可区分不同的分析物,例如包含不同细菌或标识物的分子。 想象一下他们在医疗诊断,食品和水质控制的潜力! Elast-Ink是一种触敏材料,可对机械压力做出响应,同时提供出色的分辨率和可定制性。 它准备满足全球对有效认证技术的需求,例如为制药和钞票印刷行业提供服务。

值得指出的是,Oplaux开发的P-Ink光子彩色技术在2011年获得了美国Technical Development Materials Award的认可,该奖项通常颁给材料发展领域最具创新性和最重要的技术成果。Opalux追随了许多美国、欧洲、亚洲的杰出行业先驱获奖者的脚步。2013年,Opalux P-Ink光子技术获得了Global Innovation Award,以表彰它对专业彩色显示器行业的潜在影响力。Opalux Opal-Print Technology在“2013 Excellence in Tax Stamps Awards”中,因其防伪、防转移、文件安全、品牌保护及全息技术最佳创新技术,荣获亚军。从那以后,他们获得了许多奖项,以表彰他们的成就,把光子颜色从实验室推向市场。

在你的职业生涯中,你觉得最科幻或最迷人的发现是什么?

我是最早展示化学驱动“纳米运动”的科学家之一。我的工作基于纳米棒发动机的化学控制,其动力来自位于纳米棒催化段的过氧化氢分解成水和氧气。最初的实验针对纳米棒转子和发动机,并了解其运动和速度的起源和控制。随后,我成为第一个展示如何通过在纳米棒的各段之间结合聚合物“铰链”使它们具有柔韧性的方法。这些开创性的论文激发了真正的“纳米发动机”产业。现在,随着纳米机器的应用,该领域的工作正在全球范围内迅速发展,包括从水中去除污染物以及作为靶向癌症治疗的药物携带和输送工具。在又一次爆炸式的创新,我发现了超薄无机纳米线,其特征是前所未有的小于2 nm的小直径。这些超级细的纳米线看起来,生长并且表现得像有机聚合物。这项工作激发了全球范围内的一系列活动,以探索这些独特的一维超薄结构的构成,结构,性质和功能。这项工作提出了一个重要的问题,即如何通过有机聚合物扩展和丰富超薄无机纳米线的完全未知的边界。机会似乎是无限的!

你目前的研究兴趣是什么?

最近,我对绿色化学产生了浓厚的兴趣,并想出了如何将量子限域的硅纳米晶体的多分散体分离为具有特定有机表面的单分散胶体稳定组分。令人难以置信的是,对于原型半导体硅而言,这无疑是自三十多年前发现硅纳米晶体以来的又一壮举。这些尺寸分离的硅纳米晶体的颜色鲜艳,遍布可见光至近红外光使得通过其尺寸确定其绝对量子产率成为可能。这些光致发光的量子产率出乎意料地高,成果就是一系列“绿色”纳米技术,包括多色发光二极管和生物医学诊断,治疗和成像技术,以检测和靶向肿瘤。我相信,基于硅纳米晶的绿色纳米化学将有助于减轻人们对细胞毒性的恐惧。这种恐惧来自于目前普遍使用重金属硫化物和磷化物纳米材料。这些材料目前正被先进材料和生物医学纳米技术所青睐。最近,我发现氢化硅封端的硅纳米晶体是有效的光催化剂,用于气相光辅助二氧化碳加氢生成高附加值的化学品和燃料。这是我建立并牵头太阳能燃料的研究重点之一,大约十年前就已经开始工作。我为我们在二氧化碳化学和工程的前期成果感到兴奋,最近成立了分公司Solistra,以将我们的太阳能燃料科学和技术推向市场。

作为教授,在您的职业生涯中担任师傅或者老师对您来说很重要吗?

我职业生涯的一个重要并且快乐的方面就是教育。首先而且最重要的是教育是一种荣誉、满足和快乐。老生常谈,教学相长。我很自豪大概有五十位学生在世界一流大学获得了教职,其他的学生也在工业界、政府部分、商界、法律界获得了自己的成就。

我和我的前学生Andre Arseault和Ludovico Cademartiri合著的教材《纳米化学的概念》和《纳米化学:纳米材料的化学方法》也令我兴奋不已,它们被认为是本科生和研究生教授纳米化学的黄金标准参考书。

最近,我对能源材料领域包含激情,并对撰写了一部书,题为“二氧化碳的故事——小分子的大创意”,这本书与我的研究生Mireille Ghoussoub合著的,将在2020年10月由多伦多大学出版社出版。

此外,在过去十年中,我通过深入的的演讲以及一百多篇发表在Advanced Science News的观点社论而孜孜不倦地跨界交流,旨在为学术界,工业界,政府,媒体,商界,投资和媒体的科学家和工程师提供关于影响我们共同未来的紧迫问题提供信息。 这些鼓舞人心,发人深省的观点为改善全球的现状提供了可行的方法。

谈谈ArtNanoInnovations。

ArtNanoInnovations于2011年艺术家Todd Siler共同创立–我们的任务是探索利用纳米科技实现仿生创新,旨在造福人类。 这项工作需要通过多媒体艺术品和美学经验,将我们与自然界的发明联系起来,从而隐喻(连接和转换)大量的纳米尺度的科技,我们可以以此为基础来创造可持续的未来。我们的合作始于在世界文化理事会主办的一个会议,在此仪式上,Todd和我的艺术和科学作品分别于2011年获得了达芬奇奖和爱因斯坦奖。

促进合作是一门艺术,发展创新是一门科学,通过创造过程自然地将创新联系起来。艺术科学合作项目作为ArtNano©项目,展示了我们如何使用相同的过程创造性学习和产生创意过程。我们的探索性工作是关于纳米科学和纳米技术领域众多实用创新的潜力,旨在帮助解决许多我们最紧迫的世界问题。此外,我们的工作探索了一些向全世界公众传达复杂信息的新方式;特别是,人类目前在原子和分子尺度上巧妙地操纵物质,以制造出有史以来最小的、多用途的功能结构和系统。我们的合作提供了一些重要的经验教训,这些经验来自于结合我们在连接和转换信息(数据、知识、想法、概念、理论)方面的互补实践。ArtNano©项目提供了一些不同寻常的智慧,帮助我们超越形成心理障碍的障碍,以及我们认识世界的划分方式,并展示了我们的知识。

谈谈你未来的计划。

作为一个在大流行病中没有疫苗的脆弱的老年人,我的未来计划变得相当不确定。当然,健康在任何工作和生活计划中都是第一位的。至于我妻子Linda和我决定在哪里工作和居住,是兼职还是全职,目前还没有定论。它可能是加拿大或美国,英国或比利时。我们保持着健康饮食和保持身体健康,并将继续下去,并将花尽可能多的时间陪伴家人。

有什么特别的计划庆祝生日吗?

我想可能在网上,如果可能的话,我希望与过去的同事通过网络庆祝。

你希望你的学术遗产是什么?

公平地说,我职业研究中出现的基础研究贡献,帮助定义了纳米化学这一新兴科学学科,并确保了它的可信度。纳米化学的成果渗透到工业世界各个角落涌现出来的产品、工艺和设备中。在我看来,这种成就构成了探索知识前沿的本质。此外,纳米化学这一新学科继续作为一个整体的驱动力,推动了许多相关科学事业的进一步发展,我们现在依靠这些事业来催化科学、工业和经济的发展。

换句话说,我相信我的工作首先预见了纳米材料的未来,然后为这个低维度的新世界建立了桥梁。

“不忘初心”T.S. Eliot在《四重奏》中写道。Eliot明白阿尔道斯·赫胥黎的心里话:“天才的秘密在于将孩童的精神带入老年。”Geoff的创造天才来自于他永恒的好奇心、创造力和想象力。— Todd Siler

翻译:苗骏