研制科学工具度量复杂世界

2021-05-11刘新华

科学中国人 2021年7期

刘新华

化学测量学，是国家自然科学基金委对化学学科基础研究的重要布局，旨在通过建立测量方法获取化学信息，从而解释复杂的化学世界。化学测量学研究范畴很广，既包括基本的原理，也包括仪器装置的研制。以细胞体系的热动力学测量为例，首先要有测量的理论依据，然后要有合适的仪器装置。“自主研制实验仪器和装置，是我们研究工作的常态。”南京大学化学化工学院副教授、博士生导师康斌说。

通过化学测量获取新的化学信息，一方面有望拓展人们对化学世界的基本认知，另一方面也可促进先进技术的转化应用。“有的研究短期可以看到成果，有的研究却需要较长时间来体现价值。”在这个极度考验耐心和定力的领域，康斌深耕了近十年。

深于一行，仍应广通

康斌出生于山西偏远山区，自幼家境贫寒。高中时期，康斌在全国化学竞赛中获奖，恰逢南京航空航天大学对竞赛得奖学生有特殊的招生政策，于是他去了南航读书。提起求学经历，康斌对国家的培养心怀感恩、刻骨铭心。他激动地说：“我的大学有点不太一样。从一入学就获得了本硕博的特殊培养机制。每年还有1万块钱的特别奖学金，基本可以自给自足。”

2007年，康斌（右）和陈达院士（左）在“中子物理学”课后留影。

怀着这份感恩之心，康斌开启了从本科到博士的求学之路。在硕士阶段，康斌被我国著名核技术专家陈达院士选中，从应用化学转到了核物理。主修核物理期间，他广泛汲取了多种学科的知识，不仅有物理和化学，还有工程数学、信号处理等。这种交叉学科背景，为他后来的科研工作打下了坚实的基础。康斌说：“当年这种理工结合的多学科训练，迄今让我受益良多。”事实上，让康斌受益良多的还有一个在他学术方面，甚至人生方面都扮演重要角色的导师——陈达院士。康斌回忆说，陈达院士将自己的一生都奉献给了祖国的核事业。这种“干惊天动地事，做隐姓埋名人”的奉献精神和家国情怀，对他影响至深。

为了未来能在重要岗位发挥作用，在国家留学基金支持下，康斌赴美国佐治亚理工学院进行博士联合培养。在美国科学院院士Mostafa El-Sayed教授的指导下学习飞秒激光测量技术。康斌介绍说：“飞秒激光是一项非常有用的技术，不仅在化学、物理领域应用广泛，甚至也用于核工业领域。比如美国的国家点火装置，就是用激光约束来控制核聚变。”

这段留学经历促进了康斌科研风格的转变。康斌解释说：“出国以前，我还习惯于追随国际最先进、最热门的方向做研究。但El-Sayed教授似乎不太关心什么热门，他只关注未来科学发展过程中可能需要解决的问题。这种超越现在、着眼未来的科学视野，对我的科学品位影响深远。”在佐治亚理工完成博士后研究后，康斌回国在南京大学化学化工学院任职，正式开启化学测量学研究之路。

2018年，和陈洪渊院士（左）讨论仪器研制方案。

嚼得菜根，做得大事

在多年的专业研究中，陈达院士和El-Sayed教授的一言一行，潜移默化中影响着康斌。凭借多年的学习、研究经验，康斌在领域内不断闯关。他举例说：“在美学习时，我和El-Sayed教授一致认为，生命系统中的能量涨落和热动力学一定是未来非常重要的研究领域。然而从普利高津的耗散结构理论之后，生命热力学一直没有重大突破。所以对诸如，‘简单有机物是怎么形成细胞的？热力学规律在其中起什么作用？’等非常基本的科学问题，依然知之甚少。在微观尺度上，传统维象的热动力学理论可能不再适用，还需要考虑量子现象。”

除了理论的不完善，要回答以上问题，更重要的是要基于实验验证。康斌介绍说，如果能在维持生命结构功能的基本单元，即单个细胞里面，把一些热动力学参量和过程准确测量出来，将有助于问题的理解。“但当时在美国我们做不到。一是受限于当时的仪器测量水平；二是没有足够的科研经费支持去研发一套专用仪器设备。”

这个在美国没能实现的梦想后来在中国实现了。康斌回国的时候，南京大学陈洪渊院士正在为其主持的国家重大科学仪器专项“单细胞时空分辨分子动态分析系统”招贤纳士。康斌带着沉淀多年的思考和技术特长加入研制团队，全身心投入到仪器的研制中。自主科学仪器研制周期长，涉及学科知识复杂，康斌和项目团队夜以继日、攻坚克难、大胆尝试，解决了一个又一个的技术难题。历经5年的不懈努力，项目团队完成了从0到1的突破。“我们的仪器在复杂体系测量中具有非常高的时间和空间分辨能力，非常适合研究微观尺度如细胞里面的物质运动和能量涨落，有望在单细胞热动力学测量上有一些新的突破。”康斌欣喜地说，“而且这还只是一个开端，未来还有更多可以突破的方向。”

谈起和陈洪渊院士的奇妙机缘，以及在陈先生麾下耳提面命的几年，康斌有颇多感慨。他说，回国之初，在科研方向选择上心存顾虑，是做“短平快”还是做“原创”？“原创研究需要时间和过程，不可能一蹴而就；青年教师考核压力大，三五年过去一无所获怎么办？”了解到康斌的两难境地，陈洪渊院士多次在午饭时间鼓励他。康斌回忆说：“陈老师跟我讲他个人学术生涯的故事，讲南大分析学科发展过程经历过的困难时期，回顾科学史上重大突破经历的‘黎明前的黑暗’，从辩证法、方法论上帮我理清头绪。同时，在科研经费、仪器设备、研究生配备上给予我大力支持。”慢慢地，康斌吃下“定心丸”，决定“啃”这块“硬骨头”。

回头来看，当时的选择无疑是正确的，在当前复杂的国际形势下，我们国家更加需要原创研究。几年过去，康斌和研究团队完成了仪器的研制，开始了细胞内能量涨落的探索研究，并有了原创的科学发现。康斌说：“记得一句话：‘成功并不在于你所处的位置，而在于你所前进的方向。’对于年轻科研人员而言，前进的方向远比所处的位置要重要得多。”

2012年，和Mostafa El-Sayed院士（右）讨论飞秒测量技术。

这可以看作是一场颇有隐喻性的成功。在无数位“坐得冷板凳、啃得硬骨头”“嚼得菜根，做得大事”的科研人员的默默努力下，整个中国化学测量领域已悄然发生了巨变。康斌感慨道：“最近三五年，我们国家正处于飞速发展时期。如果说我们之前主要还是跟随国际前沿；那么近几年，我们已经慢慢达到了并行；甚至在某些领域做到了超越引领。”

当然也有不足。比如，科学仪器的自主研制还有待更多突破。康斌说：“我们国家在基础科学研究投入的经费，一大部分购买了进口的科研设备。有一些前沿领域对高端进口设备的依赖程度非常高。面临特殊的国际环境，就容易发生被‘卡脖子’的问题。科学仪器作为科学研究的工具，自主研制能力非常重要。这样在引领研究前沿的时候，自己的脖子才能自己做主。”

目前，在国家的布局和引导下，高校和企业都在设法突破这种封锁，共同推出可取代国外高端科学仪器的产品。康斌在校企合作方面始终保持着开阔的视野。他说：“只要能够促进国内科学仪器的自主研发水平，有些具体的问题，可以暂时放在第二位考虑，首先要看其中的主要矛盾。”值得一提的是，康斌和卓立汉光在瞬态荧光测试领域的合作已有多款产品推向市场，瞄准与国际品牌竞争。

重视传承，教书育人

“我的本职工作是一名人民教师，”康斌说，“我非常热爱教学工作，教研结合、教学相长，促进了我对很多科学问题的重新思考。”他认为，高校教师的本职工作就是为国家培养后备人才，教师不仅要做好知识的传授，还要重视文化的传承。为此，他在南京大学开设了面向本科生和研究生的“化学测量前沿”课程，不仅用化学测量学前沿领域螺旋式上升的跌宕起伏来启发学生创新思维，还用老一辈科学家的奋斗历史来培育学生的科学精神、文化自信和家国情怀。