循序渐进求知路 纳米仿生探索人——华南理工大学邓文礼教授的奋斗历程侧记

本刊记者 刘之灵 徐芳芳

循序渐进求知路 纳米仿生探索人
——华南理工大学邓文礼教授的奋斗历程侧记

本刊记者 刘之灵 徐芳芳

2003年邓文礼与白春礼院士在美国西雅图合影

1995年7月26日, 中国科协第二届青年学术年会在北京人们大会堂隆重开幕, 当年身为电子科技大学博士研究生的邓文礼参加了年会, 在大会开幕之前与所有参会代表一起受到党和国家领导人江泽民、胡锦涛、温家宝等领导的亲切接见并合影留念,那次盛会给邓文礼的印象终生难忘, 在他的办公室至今还悬挂着当年合影的巨幅照片。

邓文礼, 1963年10月生于四川省云阳县(现属重庆市)的一个乡村家庭, 现任华南理工大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，纳米技术和分子科学实验室以及纳米材料和表面工程研究团队负责人。

他是如何从普通的农家子弟，怀揣儿时成为老师的梦想，在工作中继续学习求知，如何连续攻读硕士、博士、博士后，然后留学日美，并最终成为纳米材料领域的领军人呢？是什么力量能够支撑他一直保持如此高的热忱和斗志？回顾他一路走来的汗水和光环，也许就可以找到答案。

儿时的梦想——成为诲人不倦的优秀老师

1981年, 17岁的邓文礼从乡村中学考入四川省万县高等师范专科学校(现重庆三峡学院), 化学是他最喜欢的专业, 当老师是他儿时的梦想。邓文礼的祖辈和父辈都是农民,家处偏僻和经济相对落后的乡村,虽然父母都没有上过学、没有文化,但父母经常给他讲当老师是多么的好,他从小在父母的教育和影响下,喜欢老师,高考填报志愿时选择了师范院校。

在四川省万县高等师范专科学校的三年期间, 他学习了化学专业的所有主干课程, 而且对每门化学专业课程的实验相当重视, 另外他还重视教育学和心理学等课程。同学给他的评价是“斯斯文文, 少言语, 但偶尔一言发出,四座皆惊, 有‘教授’之称”，这似乎预示着他将会踏上一条科研创新探索之路。

1984年邓文礼毕业时被分配回到母校——云阳县江口中学担任化学教师。任教期间, 邓文礼对工作认真负责、兢兢业业,教学效果好,深受学校领导、学生和学生家长的好评, 所担任教学班连续三年在四川省全省初中毕业会考、高中招生和中专预选三结合考试中平均成绩名列全县前列,每个年级的教学班都有多名学生的化学课考试成绩为满分100分。在中学的5年教学工作中,他自始至终尽职尽责,既严格要求自己,又对学生高标准严要求,并尝试进行课堂教学改革,收到了良好的效果。

2005年邓文礼与姚熹院士的合影

工作中继续求知——用心攻读硕士博士

在教学工作之余,他充分利用时间有计划和系统地复习大学化学专业的各门主干课程以及英语和政治课程,并于1989年考取四川大学有机化学专业的硕士研究生,在单书香教授的指导下从事天然产物和精细有机化学合成。在攻读硕士学位期间,邓文礼对科研工作就有浓厚的兴趣,在实验工作中十分投入，所取得的研究结果分别在《有机化学》1993、《结构化学》1993和《化学研究与应用》1992等杂志发表论文4篇。

1992年7月邓文礼获得硕士学位后又报考电子科技大学的博士研究生, 导师是中国科学院院士、西安交通大学的姚熹教授, 副导师是电子科技大学的杨大本教授。1993年,在电子科技大学开展分子自组装研究工作的实验条件相当简陋, 没有扫描探针显微镜(SPM),实验中用到的Au(111)薄膜基底材料还得去重庆永川的44研究所制备,所在实验室用于分析表征分子膜样品的接触角测量仪和椭圆偏振仪都没有。尽管条件简陋,可邓文礼已经充分了解到分子自组装研究课题很有发展前景,国内研究也才刚刚起步,只要克服困难,仍然可以做出象样的工作。另外,刚入学不久,姚熹院士专程从西安交大到电子科技大学为学院老师和博士生作了一次专题学术报告,姚老师根据他自己在美国的科研经历,要求他在电子科技大学的博士生和听报告的青年教师热爱科研工作。他对待科学研究的态度是:“不做则罢,要做就要做到最好,做到世界第一”。

姚老师的那次报告给邓文礼的启发和影响相当大,他在完成博士学位论文课题时克服了种种困难,仔细回想他的学位论文实验工作有80%是在校外完成的,有一半的工作是在成都以外的地区如北京、重庆市和重庆永川等地进行,他经常回到四川大学利用分析测试中心的大型仪器设备如X-射线光电子能谱、扫描电子显微镜、X-射线四园衍射仪、质谱、核磁共振仪等。为了学位论文的高质量完成,邓文礼在1994年和1995年两次从成都到北京进行实验工作,每次都得花半个月时间,分别到中国科学院化学研究所、北京大学、中国科学院电子学研究所分析测试自组装分子膜样品的微观结构、薄膜厚度、表面润湿性等。在校外进行实验的过程中,邓文礼结识了一些学术界的前辈如中国科学院的白春礼研究员、北京大学的蔡生明教授和刘忠范教授等。邓文礼后来又成为白春礼研究员在中国科学院化学研究所的博士后。

邓文礼在电子科技大学攻读博士学位期间,为出色完成学位论文,他克服了种种困难,由于经常到校外或者外地做实验, 当时学院的另一位老师陈艾教授给他取了一个外号叫“流浪科学家”。每当邓文礼向杨老师汇报实验条件上的不足时,杨大本教授经常回答的一句话是“遇到的困难越多,取得的进步越大”,杨老师的这句话对邓文礼后来的事业发展有很大的影响作用。邓文礼用了不到三年的时间就完成了博士学位论文, 学位论文工作先后在《中国科学》B集、《化学物理学报》等杂志发表系列论文,在IEEE的多次国际会议交流了研究结果。在读期间, 分别在1994年和1995年获得电子科技大学“赛格”和“长城”特别奖学金。

进一步充实提高——进博士后站深造

早在1994年, 邓文礼从成都专程到北京做博士论文的相关实验, 他征得白春礼研究员的同意, 在中国科学院化学研究所STM实验室进行了为期两个星期的实验, 利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜观察硫醇分子在Au(111)表面的自组装分子膜的微观结构, 获得了预期的结果。

从1996年1月，邓文礼在中国科学院化学研究所进行博士后研究，在STM实验室, 合作导师白春礼经常给实验室成员介绍国际国内的最新研究进展, 特别是纳米科技和扫描探针显微技术方面的最新研究成果, 白老师对博士后的工作有严格的要求, 研究课题必须具有创新性,通过完成课题必须提高博士后的研究水平和科研工作能力, 同时要求博士后要参与国际国内学术竞争。邓文礼的博士后研究工作主要围绕扫描探针技术和分子组装与纳米构筑, 这两方面的课题在国际国内都是研究热点, 邓文礼正好利用攻读博士学位期间在分子自组装方面奠定的基础,把实验室在扫描探针技术方面的优势充分利用起来。

邓文礼现在回想在博士后期间所完成的一个较满意的工作是利用烷基二硫醇双功能团链形分子在固态表面进行分子组装,将形成的单层分子膜再进行表面化学修饰, 最终形成多层异质纳米结构, 在这类纳米构筑过程中双功能基链形分子起到桥梁作用,因而提出了“分子桥”概念,研究结果在Applied Physics A等杂志发表, 论文发表后引起了同行的广泛关注。

进入博士后流动站, 邓文礼觉得更要努力提高自身的学术水平和科研工作能力, 要增长学术见识, 更要有国际学术视野。另外,他认为自己仅在国内接受教育,所有学位都是在国内获得,应该有国外的研究工作经历, 应该接受具有国际水准的检验, 应该参与国际学术竞争。在当时年代, 大多数想出国的人首选美国, 其次选西欧、加拿大和澳大利亚,再才选日本、新加坡等亚洲国家, 他也跟其他人的愿望一样。可在联系的过程中,日本国立材料科学研究所(NIMS)最先同意接受,他抱着去日本看一看的心态,于1998年9月从北京去到日本筑波科学城。

增长见识和接受检验——留学日美拓展视野

从到日本的第一天开始, 他对日本的印象非常好，特别是所去实验室的仪器设备相当齐全。去日本之前, 怀着看一看的心情,可去了之后一看就是四年。日本的NIMS可算得上具有世界水平的研究所, 邓文礼在这个研究所进行的研究课题是在超高真空条件下观察有机共轭分子在固态表面的吸附组装以及单个分子在电场作用下的电-光转换特性,在1998年代这种研究课题只有美国和欧洲以及日本的少数几个实验室可以开展。邓文礼与实验室的日本研究人员组成一个课题小组,研究有机金属卟啉分子在Cu(100)表面的吸附组装,在超高真空条件下利用隧道电子诱导分子发光,探索单分子在电场作用下的电-光转换特性,他们在J. Chem. Phys., Surface Science等国际刊物发表了系列论文, 研究工作受到了同行的广泛关注。

2002年8月,邓文礼从日本到华盛顿州立大学, 与Kerry W. Hipps教授合作,继续从事分子科学领域的基础性研究,同样在超高真空条件下研究金属卟啉衍生物分子在Au(111)表面的组装构筑, 以单层分子膜为介质, 考察扫描隧道显微学中针尖与样品的分离, 寻求针尖与样品的距离变化随隧道电流和样品偏压改变的依赖关系, 测试了研究体系的轨道媒介隧道谱, 实验结果在J. Phys. Chem. B发表, 研究工作被论文评审专家评价为对扫描隧道显微学的一个新的重要的贡献, 论文发表后被多次引用。

邓文礼在日本和美国的六年时间内, 增长了许多见识，拓展了研究视野，亲自体会和感受了日本和美国的科学研究氛围, 了解到日本和美国的科学家如何踏踏实实地进行研究工作, 另外还了解学习了日本和美国的多元文化。在邓文礼看来, 能够到日本和美国的高水平实验室参加研究工作, 从一个侧面反映在中国本土接受教育和获得学位的人具有一定的研究水平和科研工作能力。换言之, 出国是对中国本土培养出的人才的检验。

一切从零开始的心态——纳米材料领域领军人

2004年5月, 邓文礼从华盛顿州立大学回到广州, 被华南理工大学以高层次人才引进并聘为教授, 同年12月被评为博士生导师。他从6月2日起在材料科学与工程学院开始新的工作。加入华南理工以后, 尽管学校和学院都提供了一定的支持, 但一切都得从零开始。从此，华南理工大学的纳米技术和分子科学实验室开始组建并发展壮大, 两年后实验室成员增加到包括博士后、博士生、硕士生和外国访问学者在内的12人小组, 2009年实验室研究团队发展到包括教师7人和流动人员25人的研究集体。实验室团队的研究工作涉及基础研究和应用开发两大块, 研究课题方向主要有分子设计组装构筑、纳米仿生制造、金属材料表面功能化。

邓文礼回国后的研究课题必须根据自己的专长和研究条件进行适当的调整, 继续开展分子组装和纳米构筑, 设计合成具有特定结构和性能的有机分子，借助大气环境条件的扫描探针显微镜观察合成分子在固态表面的自组装结构，通过外界条件的改变调控纳米结构的构筑。在三年多时间内这个课题方向的工作已经在Chem. Commun., J.Phys. Chem. B, ChemPhysChem等国际刊物发表了一系列研究论文, 尤其是最近在主-客体纳米构筑和光开关方面的STM研究工作取得了显著的进展。他们的工作在2008年和2010年的两届全国扫描隧道显微学学术会议都被大会特邀报告, 在2010年北京国际真空大会(IVC-18)等国际会议的分会上也报告了他们的部分研究结果。

在2005年邓文礼开始关注国际上已经广泛开展的纳米仿生研究, 对爬行动物壁虎的仿生学研究颇有兴趣, 对攀沿植物爬山虎吸盘的粘附更是情有独钟。他率先提出了研究攀沿植物爬山虎吸盘粘附作用的新策略，从材料科学与工程、纳米仿生、化学生物学以及基因组学等视角重新审视爬山虎吸盘及其粘附作用, 并且亲自进行了许多重要的初步实验和显微学观察。他首次测量了单个吸盘的质量、粘附接触面积、粘附力、粘附强度，系统地观察了吸盘的微结构，提出了信号隧道新概念，从细胞和分子层次分析吸盘具有粘附作用的机理。实验研究初步结果在Nature Precedings (2008, 1, 15)网站公开，随后《自然科学进展》（2008）和Pure &Applied Chemistry (2010) 杂志发表了他们的部分结果。目前, 课题小组在吸盘的化学组分分离与组分结构测定、金属元素种类及其含量、仿吸盘结构制造及其表面功能化与粘附作用等方面都取得了新进展。研究小组还打算联合国内相关优势实验室从化学生物学以及基因组学方面进行系统探索。

邓文礼每当回想当初开展爬山虎吸盘粘附作用的研究时就有诸多感慨,一是研究经费奇缺, 二是研究条件不足, 而且研究课题本身具有相当大的难度, 要想取得一定的进展必须克服许多困难,“遇到的困难越多,取得的进步越大”，这种信念鼓舞着他克服种种困难，仍然坚持探索。

邓文礼教授是一位对工作执着追求、做事严谨、为人正直的人, 工作上表现出精力充沛、乐观向上、不畏艰难。他自己认为, 工作和事业始终都有压力, 但又有源源不断的动力。邓文礼目前正带领他的团队和学生在分子设计合成和组装构筑课题方向进行系统深入的创新探索, 相信邓教授及其领军的团队一定会沿着循序渐进之路执着前行，并将产生更多更好的研究成果。

邓文礼研究小组的部分成员