WILEY 人物访谈——复旦大学俞燕蕾教授

科研道路是困难的,每一个想法变成现实都需要克服无数的困难,需要我们有一颗坚韧的心;科研之路是枯燥的,或许在很长一段时间内都要无数次重复失败,需要我们有足够的耐心;科研道路又是快乐的,每每战胜一个困难所带来的成就感,每每发现一个神奇的现象所满足的好奇心,都是快乐的不尽源泉;科研道路又是神圣的,每一个小小的探索与发现,积少成多终将带来人类认知的突破。本周的WILEY人物访谈,我们将介绍一位杰出的女性科学家——俞燕蕾,长期从事于液晶高分子的研究,一路上过关斩将,攻克了很多科学难题。今我们仅以“冰山一角”来感受一名杰出科学家的科学素养,来领略科学的艰辛与魅力。

人物简介

俞燕蕾,复旦大学材料科学系教授,博导,教育部长江学者特聘教授。1993年毕业于安徽大学,1996年获中国科技大学硕士学位,同年进入复旦大学工作。2004年获得日本东京工业大学博士学位。从事液晶高分子和光响应性材料的研究,利用其构筑光致形变材料、光致变色材料和光响应功能界面材料。先后获得国家杰出青年科学基金(2012年)、国家“万人计划”科技创新领军人才(2017年)、上海市领军人才(2017年)、第四届中国化学会-赢创化学创新奖—杰出科学家奖,及上海市自然科学一等奖(2018年,第一完成人)。在Nature,J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.等学术期刊上共已发表SCI 论文80余篇。已获授权国家发明专利10余件。担任Langmuir顾问编委以及Advanced Optical Materials、European Polymer Journal、Chinese Journal of Polymer Science、Journal of Materials Science & Technology、《高分子学报》、《功能高分子学报》、《功能材料》、《液晶与显示》等学术期刊编委。

初窥液晶

MVC:您可以简单介绍一下课题组目前主要研究方向吗?

俞燕蕾YYL):光致形变液晶高分子材料是我们课题组最主要的研究方向。液晶是在自然界中出现的一种十分新奇的中间态,并由此引发了一个全新的研究领域。液晶可以像液体一样流动(流动性),但它的分子却是像道路一样取向有序的(各向异性)。光致形变液晶高分子材料是一种由光控制的智能形变材料,能够实现伸缩、弯曲、转动、蠕虫行走、振臂运动等多种仿生运动。我们课题组通过对液晶高分子结构的设计及其微观结构的调整,实现了弯曲方向的精确控制、室温快速形变、多种波长光响应等,并且组装出全光驱动微泵、微阀、微机器人、微管执行器等原型样机。在此基础上,利用光敏分子极性与取向变化,实现了超疏水表面粘附性的快速可逆光调控,使微量液体快速无损传输成为可能,展现出光致形变液晶高分子材料在人工肌肉、光感应装置、微型器件领域的应用潜力和发展前景。

MVC:据了解,您长期从事于液晶高分子材料的研究,您认为在研究新型液晶高分子材料过程中的挑战与困难有哪些呢?哪些领域对液晶高分子材料的突破有更为迫切的需求呢?

YYL我从2000年开始从事光致形变液晶高分子的设计、合成工作及其柔性器件构筑。利用易于远程控制的光能作为驱动方式,无需任何辅助设备,即可通过液晶高分子材料的自身形变将光能直接转化为机械能,其在微机械领域展现出良好的应用前景。目前,光驱动柔性器件的发展还存在许多的局限性和滞后性,其开发应用落后于光致形变高分子材料的发展。光驱动柔性器件的研制开发,将朝着微观化、小型化的方向发展,如微阀、微流道、微开关等,这不仅需要新概念新理论的指导,更需要新材料和新工艺的应用。此外,还存在着如何将其“嫁接”应用在微机械系统中,包括微观化结构的控制方法以及加工工艺条件等问题。

从市场应用来说,液晶高分子(Liquid Crystal Polymer, LCP)具有优异的性能如耐高温、高强度机械性能、优越的电性能和加工性能等,目前主要应用领域包括电子电器及消费电子、工业、汽车等,其中电子占比80%。受益于5G加速建设,LCP市场快速增长。LCP未来可能主要来自5G推广带来的两方面应用增长:连接器用LCP粒子、以及手机天线用LCP膜。和4G相比,5G最重要的变化在于高频和高速,但频率越高,信号的衰减越大,对材料的介电常数和介电损耗等有更高要求。传统材料已经无法适应新的挑战,LCP将成为首选材料。

MVC:您最近发表在《自然通讯》期刊上的工作十分有趣,您可以讲一讲利用胆甾相液晶光子晶体的结构色代替荧光材料染料色这个灵感是如何产生的吗?在实践过程中遇到了怎样的问题呢?

YYL目前,绝大部分利用胆甾相液晶材料实现图案化的相关研究主要是针对结构色的调控。除了利用结构色构筑图案,荧光色也常被用于图案化设计。若能将结构色与荧光色相结合,则有望拓展胆甾相液晶在显示、光学防伪、信息存储等诸多领域的全新应用。基于此,我们设想开发出具有结构色和荧光色的“双色”光子墨水。该墨水的反射颜色由光子晶体“外衣”——胆甾相液晶中的螺旋超结构决定,荧光颜色依然由荧光材料的分子结构决定,并利用其构筑的双重标签在反射和荧光模式下显示出完整的不同图案,实现单一荧光分子或光子晶体材料难以呈现的功能。

为了实现利用胆甾相液晶光子晶体的结构色代替荧光材料染料色并进行图案化的设想,主要存在三个关键性问题。首先是要在胆甾相液晶中引入荧光性质。由于液晶是具有一定粘度的流体,普通的荧光分子在液晶中不易溶解,或者会随液晶分子自组装排列而产生聚集诱导淬灭,因此需要设计一种能够在液晶中发出明亮荧光的材料。在进行大量的文献调研和实验尝试后,我们最终基于刚性氰基取代乙烯基苯基团,合成了一种与液晶结构相似且量子效率高(FTHF = 85.7%,FSolid = ~100%)的荧光材料,该材料不论是溶液、纳米悬浮物、固体粉末,甚至在液晶中均发出明亮的荧光。其次,相较于传统封装在液晶盒中形成的一维光子晶体,三维光子晶体胆甾相液晶微球的几何结构高度对称,在各个方向上均具有相同的周期结构,其结构色无角度依赖性,更适用于结构色的图案化。然而,利用传统机械搅拌方法制备的液晶微球大小及其表面分子排列难以控制不利于结构色的观察。针对这一问题,我们借助毛细管微流控技术通过调节合适的溶液体系将荧光胆甾相液晶制备成表面分子平行排列、螺旋轴呈中心辐射的单分散乳液微球。最后需要克服的难题是如何利用荧光胆甾相液晶微球实现图案化。参考构成图像基本单元——“像素”的概念,我们设计了方格阵列。依照设定的反射图案与荧光图案编辑草图,选择相应的微球填充在不同的方格中构筑双重标签,将荧光二维码隐藏在多彩的反射图案中,实现了信息加密的概念验证。我们期望这种将两种机理产生的颜色相结合的策略能够拓展光子晶体材料的应用,并推动其在显示、防伪、信息存储等技术领域的应用发展。

科研之路

MVC:在您的众多优秀工作中,哪一项工作是您最骄傲最珍视的?

YYL在我从事光致形变液晶高分子材料的科研工作中,有两个主要的阶段。一是在公派前往日本攻读博士学位期间,提出将有序的液晶结构与光响应高分子相结合开发光致形变材料的新构想,首次实现了液晶高分子的光控可逆弯曲运动,于2003年作为第一作者在Nature上发表了科研论文。二是2004年回到复旦独立建组开展研究工作后,于 2016年9月作为唯一通讯作者在Nature上发表了Full Article论文,该工作是利用自主研发的新一代液晶高分子构筑出自驱动光控微型管状系统,实现了对各种复杂流体的高效输运,获得微流体器件构筑材料与驱动机制两方面的突破与创新。这是我最珍视的工作,一方面依靠的是团队成员历经数年的坚持不懈、团结攻坚,另一方面受益于与很多不同领域学者的交叉合作。

微量液体传输是涉及诸多领域的重要问题。诸如昂贵液体药品的无损转移、微流体器件与生物芯片中的液体驱动等,都与之直接相关。近年来,伴随微流体芯片的自身尺寸不断缩小,功能单元数量日益增多,相应的外部驱动设备和管路越来越复杂和庞大。微流控系统的进一步简化成为制约微流体领域发展的瓶颈问题。在各种研究中,用光来控制微流体是方向之一。但过去的光控微流体,由于材料与驱动机制的限制,传输速度很慢,适用的液体种类也很少,距离实用化还相当遥远。要解决这一难题,亟待从根本上实现微流体器件构筑材料与驱动机制两方面的突破与创新。

我们团队借鉴自然界中强韧生物执行器动脉血管的层状结构,仿生设计出一种全新结构的线型液晶高分子材料,并通过开环易位聚合法成功制备出超高分子量的产物。这种材料具有优良的溶液和熔融加工性能,并且由于液晶分子之间的协同效应可自组装形成纳米层状结构,拥有强韧的机械性能(断裂伸长率能高达传统交联液晶高分子的100倍),是新一代高性能的光致形变材料。采用该自主研发的新型液晶高分子光致形变材料,我们进一步构筑出具有光响应特性的微管执行器,并通过微管光致形变产生的毛细作用力,实现对包括生物医用领域常用液体在内的各种复杂流体的全光操控,有望成为突破微流体系统简化难题的新材料和新技术,被国际同行誉为“超越现有的微流体操控技术,是具有真正开创意义的优秀成果”。

MVC:可以谈一谈哪些人或哪些经历对您的科研生涯产生过重要影响吗?

YYL1996年,我从中国科学技术大学硕士毕业后进入复旦大学材料科学系工作,先后任助教和讲师,上上课,做做基础研究,平平淡淡地过着每一天。3年后的一天,我突然接到材料系领导的电话,说人事处问我是否愿意申请教育部公派留学日本的项目,去攻读博士学位,一方面因为学校需要培养材料科学方面的青年教师,另一方面我参加过全国外语水平考试(WSK)成绩较佳。接下来,经过严格的层层筛选和近一年的全日制脱产日语培训,我幸运地成为40位公派赴日攻博的留学生。带着对未来的美好憧憬,2000年10月我踏上了长期公派出国的征途,师从日本液晶界著名专家、东京工业大学资源化学研究所的池田富树教授。池田教授的课题组研究水平始终处于国际前沿,他非常强调“01”的研究,也就是一定要做别人没有做过的课题,而不能重复他人的,做“19”的工作,这一点对我今后的科研工作影响很大。

国家公派的身份加上享受日本政府博士生奖学金使我无需为生计担忧,能够全心全意地投入到研究工作中。经过一段时间的调研,我注意到随着机器人、人工肌肉等领域的发展,人们越来越关注具有智能形变能力的柔性材料研究,然而现有的形变技术多是采用凝胶和导电聚合物等材料通过电场控制形变,所以我就把自己的方向定在使用液晶材料,通过光的作用导致形变的研究上。2001年秋,正在我兴高采烈地准备自己的第一篇文章时,德国弗莱堡大学大分子研究所发表了利用液晶聚合物开发出光照时能够产生大尺寸伸缩形变材料的研究成果,并被同行评价为开创性的工作。然而这对于我来说无异于当头棒喝,从不失眠的我彻夜未眠,甚至绝望地产生了退学的想法,但最终还是咬紧牙关,开始重新思考出路。经过大量的研究和实验,终于找到了一种通过光可使液晶材料弯曲的方法,随后又发明了可控制材料向各个方向弯曲的方法。2003年9月11日,作为第一作者的论文在《自然》上发表了,并因此获得日本液晶学会的嘉奖,这是该学会第一次给非日本籍学者颁奖。

论文发表后不久,中国驻日本大使馆教育处专门给我打来了祝贺电话,让我意外又惊喜,没想到自己的一点成绩立刻就得到了来自祖国的关心。紧接着又收到了复旦大学和复旦大学材料系及其他院系发来的贺信,《解放日报》、《科技日报》、《人民日报·海外版》、中国国际广播电台等10余家媒体很快也对该成果进行了报道。这种始料未及的来自祖国和复旦的关爱和鼓励令我深深地感动,也坚定了我回复旦大学继续从事相关研究工作的决心和信心。几年的留学生活使我深刻地意识到做科研虽然身心都要经历痛苦的历练,但苦尽甘来、柳暗花明的喜悦也是令人刻骨铭心的。

柳暗花明

MVC:对于想进入您团队的新人,您认为他们应该至少具备怎样的品质?

YYL科研是十分漫长而艰辛的劳作,考验的是人的耐心和韧性。科研工作者要秉持精益求精、追求完美的工匠精神,放眼未来的同时不忘脚踏实地,注重实验细节,不轻言放弃,对科研保持一颗热忱之心,不断探索,努力创新。

MVC:您认为在科研之路上想要有所成就,最重要的因素是什么?

YYL在研究工作中要注重多学科交叉、创新融合的发展理念,与不同领域的学术团队开展多方合作。如果在本领域陷入瓶颈,不妨了解一下其他学科,从交叉领域中找到新的研究方向,这也是一个不错的思路,因为如今很多的研究都存在交叉的现象。还可以通过新的学科,让自己有新的思路,在原来的研究基础上有新的突破。

MVC:科研压力大,不仅仅是针对研究生群体,导师往往也承担很大的压力,您是通过哪些休闲活动或者兴趣爱好来排解这些压力的呢?

YYL爱运动、爱旅行、爱拍照是我力争保持“年轻态”的秘籍之一。除了科研之外还有很多行政工作,几乎没有整块的娱乐时间,我会尽量利用各种碎片时间满足自己的“贪玩”,寄情于山水间,醉心于购物中。有一年暑假,刚从美国回到上海,下了飞机就马不停蹄地和孩子进行了一场痛快的甘南-川北长途旅行。最近一年,每周2-3天,无论多忙多累,晚上八点都会去健身,愉悦身心,减少压力,赶走负能量。

MVC:作为一名优秀的女性科研工作者,您对有志从事科学研究的女性科研工作者有什么建议吗?

YYL在自然科学面前,女生的资质一点都不比男生差。女性身上细致认真、善于合作、坚韧顽强的特质还显得颇有优势!面对我国科技事业迅猛发展的大好机遇,女生完全可以充满自信的踏入科研的大门。科研之路虽然辛苦,但一定会回馈你别人难以体验到的趣味,引领你走上更高的人生境界,成为更好的自己。

MVC:每个研究生都想要快乐而又充实的实验室生活,您可以用几个词简要说明一下此中关键吗?

YYL做学术,非常重要的就是要充满热情,真正意义上的成功不在于最后的结果,而在于前进的路程上,不断战胜每一个挫败,抵达每一次心目中的完美。做实验,其实就是把小事做细、把细事做透的过程,将简单的招式练到极致就是绝招。所以,要抓紧时间慢慢做,抓紧工作的每一天,“慢”不是三天打鱼两天晒网的懈怠,而是在做的过程中精雕细琢,把握好工作的节奏,将自己的能力发挥到极致,就能够体会到科研带来的愉悦感。