WILEY 人物访谈——中国科学院过程工程研究所杨军研究员

艺术与科学,诗歌与人生。很多优秀的科学家在科研工作之余也热爱吟诗作词,用诗歌点亮生活。本周WILEY 人物访谈我们对话的就是这样一位诗人科学家——中国科学院过程工程研究所杨军研究员。针对刚进入科研生活的同学杨老师细细谈了同学们可能面临诸如如何选题、课题如何下手等等问题。很多课题坚持下来即使达不到开始设定的终点,也会有其它同等重要的发现。杨老师认为科研人员最重要的品质是好奇心和坚持,好奇心可作为科研工作者的生命之光,而不懈的坚持,可以从可科研中体会到解惑的乐趣。杨老师特别翻译了Thomas Heath的诗作My Life to Me祝愿每一个人都能在生活工作中有自己的生命之光做指引,在合适的舞台上充分绽放。

人物简介:  (做成下滑条)

杨军,中国科学院过程工程研究所研究员,中国科学院大学材料与光电技术学院岗位教授,博士生导师。2006年于新加坡国立大学在Prof. Jim Yang Lee指导下获得博士学位2006-2007年随Prof. Shana O. Kelley教授先后在波士顿大学、多伦多大学进行博士后研究,2007-2010年在新加坡生物工程与纳米技术研究院从事研究工作,2010年全职回国工作,创建能源转化与环境净化材料课题组。主要从事贵金属基异质结构纳米材料的构筑及其在能源转化和环境净化方面的应用研究,近年来在金属、半导体及纳米复合材料、电催化等研究方向上取得了一些进展,在Nat. Mater., Nat. Commun., Sci. Adv., Angew. Chem., J. Am. Chem. Soc.等国内外期刊发表学术论文200余篇,撰写《贵金属基超结构纳米材料》、《Metal-Based Composite Nanomaterials》和《Noble Metal-Based Nanocomposites: Preparation and Applications》专著三部,分别由科学出版社、Springer出版社和Wiley-VCH出版社于2012年、2014年和2019年出版发行,其中中文专著全书约48万字,入选中国科学院白春礼院长主编的《纳米科学技术大系》,受国家出版基金全额资助。

走近科学家

MVC:能否请您先简单介绍一下您课题组的科研工作?  

YJ:我们课题组目前专注金属基纳米材料制备及其在电催化和环境催化领域的应用研究,以开发直接甲醇燃料电池高效电催化剂为出发点,致力于贵金属基异质结构纳米材料的设计、合成、结构调控和催化应用,沿着“发展普适性纳米材料制备技术®调控纳米结构®解析物理化学效应®提高催化活性和稳定性”这一条科研主线,立足湿化学法基础科学研究,努力创新,注重实验研究与理论探索相结合,为能源环保行业提供科技支撑,并致力于构建学习知识和创新科技的良好氛围与环境。

MVC: 对于您发表的著作,哪些是令您最骄傲的?您最喜欢的是您哪部分的研究工作?  

YJ:能令我自己骄傲的工作不多。迄今为止,我觉得自己做的最好的工作是具有普适性的金属离子相转移萃取及其在纳米材料合成方面的应用。该方法非常简单,先将十二胺(Dodecylamine)溶解在乙醇中,然后和金属离子的水溶液混合,简短搅拌后加入甲苯、二氯甲烷或己烷等非极性有机溶剂萃取金属离子与十二胺形成的络合物。这种方法可以用来转移元素周期表中各种价态的过渡金属、贵金属和稀土金属离子,转移效率均超过95%。使用这种方法,可以利用相对价廉易得的水溶性金属离子做前体材料而在有机相中合成高质量的金属、半导体及它们纳米复合颗粒。我2003年在新加坡做学生时,本来想用这个相转移的方法来判断金属离子是否已经被完全还原(将颗粒转移入有机相而未被还原的离子留在水相),但却发现这个方法也能用来高效转移金属离子,当时发表了一部分,后来经过几年的拓展,最终2009年发表于Nature Materials

我最喜欢的研究却是2011年发表在Agnew. Chem.上的工作,这个工作以具有单斜晶相的Ag2S纳米颗粒为起点,进而还原其它贵金属前驱体,得到多种二元或多元Ag2S-贵金属纳米复合材料并评估了含Pt的纳米复合材料在甲醇氧化反应中的活性和稳定性。尽管限于当时的认知水平,在解释其电催化活性方面有很多不足,但这个工作是首次将半导体-贵金属纳米复合材料用于电催化,我后面的许多研究都是在这个工作的基础上拓展。此外,我也比较满意2012年发表在JACS上的工作,这个工作发展了一个普适性的方法制备中空和摇铃结构的贵金属纳米材料,尽管其中用到一种昂贵的化学试剂限制了这种制备方法的大规模应用,但论文中的摇铃结构在催化上有有趣的应用。当具有催化活性的组分作为摇铃型纳米颗粒的内核时,反应物需要通过具有微细孔道的壳层扩散进入摇铃型颗粒内部接触活性内核才能够发生化学反应。当多种反应物共存,多个反应同时发生时,由于不同反应物的分子大小不同,扩散进入摇铃型颗粒内部的速率会有所差异,分子尺寸较小的反应物能够优先扩散进入摇铃型纳米颗粒,因此摇铃型纳米颗粒催化多组元反应时具有一定的选择性,它的选择性催化原理为克服直接甲醇燃料电池中的甲醇渗透问题(methanol crossover)提供了行之有效的新思路。

诗歌与生活

MVC: 了解到您在科研工作之余,喜欢赋诗作词,也请为您最喜欢的研究工作赋诗一首。 

YJ:这个算个业余爱好,也是科研生活遇到不如意时排遣时光的一种方式,但我很少将赋诗作词和科研工作联系起来,这里就聊借一首我很喜欢的翻译小诗。这首诗是我初到波士顿做博士后时在一个介绍波士顿学院的小册子上读到的,写于二战期间,作者Thomas Heath曾是波士顿学院的一个学生,反映了二战期间士兵的厌战情绪。原诗没有题目,我自己根据意思添加了一个。我很喜欢这首小诗的最后一句,同时祝愿每一个人都能在生活工作中有自己的生命之光做指引,在合适的舞台上充分绽放。

My Life to Me (by Thomas Heath)

生命之光(作者:托马斯×海斯)

What are you dreaming, Soldier,

你有什么梦想,士兵,

What is it you see?

在你眼中什么是希望?

A tall grey Gothic tower,

一座高大灰暗的哥特式教堂

And a linden tree

还有菩提树的阴凉

You speak so sadly, Soldier,

你是如此悲伤,士兵,

Sad and wistfully—

悲伤中透着渴望—

I cannot hear the tower bell

在这深海的涡漩里

In the swirling sea

我听不到教堂的塔铃响

What meaning has it, Soldier,

只是,士兵,菩提树,还有哥特式教堂,

A tower bell, and tree?

何以对你意味深长?

Nothing, nothing—only once

没有什么,没有什么,

It meant my life to me

那只是我生命之光

MVC请您谈一谈兴趣爱好对科研或工作的指导意义。  

YJ:我自己有很多兴趣爱好,比如围棋、诗词等,也经常鼓励我的学生们培养他们科研之外的兴趣爱好,但却很难说这些兴趣爱好对科研或工作有什么直接的影响。我的理解是有一些兴趣爱好,至少生活不会那么枯燥,这样当科研或工作碰到瓶颈或不如意的状态时有一个情绪的排遣渠道,不至于那么苦闷。如果非要说指导意义,我以诗词为例,刚开始时只是兴趣,写的东西无韵无辙,无病呻吟,慢慢的就试图提高自己,追求尽可能表达自己意思的同时满足平仄格律的要求,反映在科研上也是如此,比如一个工作数据是否收集齐全,解释是不是觉得已经最好,文献阅读有没有重要遗漏,论文用词有没有变化,时态是不是正确,句式是不是有美感等,无形中在各方面都能提高自己。

科学问题ABC

MVC:  能否请您谈谈在科研工作中遇到的令您印象深刻的难题或困境,以及您最后是怎么解决的。 

YJ:我印象最深刻的困境是刚到新加坡国立大学做研究生时。当时导师给的课题是DNA辅助组装燃料电池催化剂,而我在国内时是做色谱分离的,专业相差很大,课题中的DNA、燃料电池、纳米颗粒等对我都是陌生的词汇。在进入实验室的头四个月里,课题毫无头绪,文献也大都读不懂,甚至一度动了找导师换个课题的念头,但仅是动了一下,并没有真的向导师提起,而是硬着头皮继续坚持。在对课题有了一定的初步了解后,没有一味纠缠那些当时不懂的东西,而是选择了一个具有相关内容的文献去重复。这个过程很有收获,重复时发现有时成功,有时失败,经过大约2个月左右的折腾,不仅弄懂了重复不成功的原因,也有了自己的理解,在此基础上做了改进后,写出了自己进入实验室的第一篇论文,发表于Langmuir。之后,仿佛像开了挂一样,一切就比较顺利了。

MVC:  能否请您谈谈纳米合成及催化未来最可能需要突破哪一方面? 

YJ:这个实在是超出了我的能力范围,好为人师不仅会令自己贻笑大方,还可能误导别人。我就仅从自己的理解对湿化学法合成的纳米复合材料发表一些粗浅的看法:(1)目前湿化学法合成的纳米复合材料总体尺寸仍然偏大,可能不是催化剂的优化尺寸,以纳米团簇为起点合成总体尺寸较小的纳米复合材料是一条可以考虑的途径;(2)纳米复合材料各部分的精准调控,比如尺寸、组成和形貌以及金属沉积的位点、晶面等对理解和解析材料的催化性能无疑比较重要;(3)能够开发合适的表征技术揭示纳米复合材料中的异质界面在催化过程中的适时演化状态有助于理解材料催化性能的决定因素;(4)相较于纳米复合材料中半导体或氧化物部分的多样化,金属部分的种类仍然偏少,主要集中在Au、Ag和Pt等,开发有效的方法在纳米复合材料中集成更多的成分有助于扩展复合材料的功能应用;(5)一个稍微具体一点的内容,将伽伐尼置换反应引入纳米复合材料制备中,或许是个有效的方法使不同的金属沉积在半导体或氧化物表面相同的位点且具有可比拟的尺寸,能够建立一个较严格的基础比较不同金属对复合材料催化性能的影响。

MVC: 能否请您谈谈纳米颗粒合成对工业化生产的指导意义。

YJ:这个实在不敢妄言,但在纳米颗粒合成上,我比较认同南京工业大学陈虹宇教授的观点,即应该像有机合成一样,将纳米颗粒合成独立成一个领域,而不是受某些特定应用的驱使。这样,合成方法可以作为一个数据库供储存,为光学、能源、环境和生物等应用领域提供选择,其获得的纳米结构甚至可作为艺术品供人们鉴赏。另外,当前科学界有很多在纳米材料工业化应用方面做得非常成功的科技工作者,对工业化生产的指导意义由他们总结评述比较合适。

给青年人的话

MVC:  初次接触新课题,在完全没有基础的情况下,要怎么做,对此您对刚入学的研究生有什么指导? 

YJ:这个我倒是有一些体会,我在新加坡国立大学做研究生时接触到的课题就几乎是没有基础。说来好笑,那个时候我连硼氢化钠做还原剂能提供几个电子都不知道。但没有基础也意味着没有束缚,可以不受一些固有观念的限制,大胆尝试的结果说不定会有一些意外的发现。对一个没有很好基础的课题,我想先读一些书和综述性的文献进行初步了解是必要的,然后可尽快从重复一个具有相关性的文献开始,不能一味裹足不前,这个过程不仅有助于锻炼动手动脑的能力,也有助于体会和理解课题的要求,从而逐步从外围接近课题的核心直至最后完成这个研究课题。就自己而言,我愿意带着自己的思考阅读文献,而不是在读了大量文献之后才开始课题研究,因为那个时候担心自己跳不出文献的束缚了,但这个因人而异,希望不会误导刚入学的研究生。

MVC在读研究生在读文献与做实验的时间的安排上有一定的困惑,对此,您有什么指导? 

YJ:这个问题可能每个研究生都遇到过,尤其是从事一个没有太多基础的课题研究时。我的理解是研究生由于很多实验任务,恐怕在理解一个知识点时很难再从最基础的教科书看起。我的体会是做实验和读文献是不能截然分开的,读文献可穿插在做实验的间隙,而不是前后关系;实验上可能会经常碰到一些超出自己知识理解范围的现象,这个时候我通常会借助文献了解这些现象的解释,并以此向外拓展。因为很多实验现象可能彼此孤立,这样从文献获取的很多知识也可能都是不连续的点,但随着向外拓展,彼此重叠就有机会连成一片,成为系统的知识

MVC: 目前很多研究生在选题上有很多困惑,担心在课题遇到瓶颈,在课题遇到瓶颈时您有什么建议?

YJ:如果一个课题自己从小就感兴趣,而又在念研究生时能够选择自然是最好,但这样的幸运儿不是没有,恐怕也不多,更多的时候课题的选择都是被动的。就我自己而言,做学生时刚开始想做细胞培养方面的研究,还读了一些分子生物学的书,但却被要求做了色谱分离,等有了一些理解想继续做色谱方面的研究时,又阴差阳错地选择了生物分子组装纳米材料。因为很多时候选择课题没有自主权,也就无所谓困惑,每一个课题都有它有趣的地方,但碰到瓶颈也几乎是必然的,一帆风顺的课题少之又少,太容易的课题可能早就被选择完了。我的理解是碰到瓶颈还是要坚持一下,翻过这个瓶颈可能就是很好的坦途;遇到瓶颈就退缩是个很不好的习惯,更不可取的是以自己的兴趣为理由进行开脱。因为这个坏习惯一旦养成,会不自觉地带入以后的工作和生活中,一旦遇到瓶颈就会以不是自己的兴趣为借口逃避,最后可能什么也做不出。遇到瓶颈坚持是很必要的,因为很多课题坚持下来即使达不到开始设定的终点,也会有其它同等重要的发现。但科研选题不能一概而论,如果有很充分的认知和理由知道课题不可行,当然应该通过沟通更换课题。

MVC: 您认为科研人员最重要的品质是什么?您对有志从事科学研究的青年学生有什么建议? 

YJ:我认为科研人员最重要的品质是好奇心和坚持。好奇心可作为科研工作者的“生命之光”,没有好奇心,很难对科研工作有发自内心的热爱,自然也就少了从事科学研究的内在驱动;而没有不懈的坚持,恐怕科学研究就只能停留在“好奇”的阶段,难以体会到“解惑”的乐趣,自然也很难在科学研究上取得成果和成功。