经典文献寻内核，实践本源求真谛—指导不相干材料相融的杂化策略是怎样形成的

江世亮

2018年，有一项获得上海市自然科学一等奖殊荣的工作，即用“有机-无机杂化策略构建多功能生物医用材料”，由东华大学材料科学与工程学院的朱美芳院士和陈志钢教授领衔的团队获得。在筛选上海市科委资助的“上海重大科研成果科普化探索”项目时，标题中的“杂化”一词一下子抓住了我的眼球。因为在过往几年里曾不止一次在东华大学的一些场合听到朱美芳院士提到“杂化”，所以这次看到“杂化”就很想约她谈谈这个项目，谈谈什么是杂化。朱老师知道我的想法后让我先提供一份采访提纲，我在提纲的第一条里就提出想了解这一技术涉及的“杂化”的概念和人们通常认识的“杂交”有何区别？材料科学家利用“杂化”可以做哪些事？或许是撞上了朱老师的学术兴奋点，她很快就让陈志钢老师安排了此次采访。

在差不多两个小时的采访时间里，“杂化”始终是主题，是主角。整个过程中，朱老师耐心地给我解释“杂化”一词及其概念，并不时手绘图表，对名词术语做通俗化解释。也差不多是在采访过半后我才豁然理解朱老师为什么愿意花这么长时间和我推究一个术语名词的来龙去脉，其深意或是想由此探讨当一个学科亟待寻求突破或者试图探求新的发展动力时，从领域内的世界级专家或者科学史上的经典文献那里寻求智慧指引是多么重要。而我的收获是比较完整地理解了一个科学（术语）概念的提出及指导科研的过程往往就是某种科学思想、方法形成和运用的过程。运用“杂化”这一思想理念可以指导包括新型材料、新型催化剂等在内的各种新材料的构建，也包括朱美芳他们这次获奖题目中提到的多功能生物医用材料的构建。显然“思想”更为重要。下面就让我们走近这个一等奖项目，了解直接推动这一获奖工作的“杂化”思想、策略形成过程及其价值。

杂化概念及思想源于鲍林

“杂化”概念是由美国理论化学家莱纳斯·鲍林（Linus Carl Pauling，1901—1994）在其20世纪30年代初出版的《化学键的本质》一书中提出的。鲍林在书中对“杂化”的概念做了这样的解释：原子在成键过程中，几个能量相近的原子轨道根据成键的需要也可以相互叠加混合成几个新的原子轨道，这种原子轨道成为“杂化轨道”，而轨道的混合过程称为“杂化”。鲍林强调“成键”是原子轨道杂化的原因和动力，并且只有在成键过程中才会发生轨道杂化。虽然鲍林的成键理论、杂化轨道较为圆满地解释了理论化学界的一些疑惑，但或许理论太超前，在《化学键的本质》出版后的一段时间里这本书并未获得足够的重视。差不多50年后的1981年，日本科学家提出“杂化材料”的概念，出了书、发了论文，但与纤维材料相关的杂化材料还没有出现。

朱美芳说她是在2002年第一次提杂化，虽然她早在1997—1999年间在德国合作做博士学位论文——关于有机纳米材料合成及其在聚合物纤维中的应用时，就已经多少涉及杂化。朱美芳想到杂化是因为她和同行当时在科研上遇到了难以逾越的瓶颈，即如何能把两个原来不相干的、不相融的材料结合起来，产生新的相干的正效应。这种不相干材料包括无机材料与有机材料，如有机材料中的高分子与无机材料中的金属氧化物、碳材料等的混合。

核心是原子轨道的杂化

如何把原本不相干的东西相干起来，使其发挥出正效应、产生正相干是当今新材料研发的核心与命门所在。但有一段时间，材料学界试图将两种不相干的材料合二为一的努力均不成功。同样经历了许多不成功也在努力探求突破点的朱美芳从与国际高分子界大家、美国工程院院士程正迪先生的交流中得到了启发，程先生建议不妨重读鲍林的《化学键的本质》。也是在研读科学大师的经典著作中，朱美芳对杂化的本质有了深层的理解：真正的杂化是原子轨道的杂化，是可控的相干；让能量相近的不同轨道交融起来才是杂化的要义，也即是鲍林提到的杂化轨道的原初概念。

在反复研读经典的基础上，朱美芳得出了：从A（合金等）、 B（共混方法）、C（复合物）到H（杂化）的模式，进一步理解了杂化是不同尺度的可控性；两种及以上的组分间的作用可以是强相互作用或弱相互作用，但必须是可控的、精准的。

重新定义高分子的讨论影响深远

程正迪先生本人也是杂化概念的践行者、推动者。早在2005年，时任美国阿克伦大学高分子科学系主任的程先生提出要重新定义高分子，并发起了持续一段时间的学界讨论。这一讨论的效应及其影响已经超越了高分子化学本身。要知道发端于20世纪20年代的高分子学科形成不久就带动了高分子产业的勃兴，开始了用化学方法制备合成高分子的时代。历经80余年的学科演进，高分子及其相干的科学技术门类已臻成熟。而对学科稳态一直持有强烈警惕的程正迪院士那段时间和一批同行都在思考高分子的未来之路，这正是2005年程先生等发起国际高分子界重新定义高分子讨论的背景。朱美芳说尽管高分子重新定义的讨论与杂化并不直接相关，但这种要打破现状，探求新路的举动深深触动了她。特别是程先生提出的“学科就如同一个人一样，也是有生命周期的，有它的幼年期、成长期、相对成熟期到衰老期”的认识深深影响了朱美芳：只有勇于打破稳态，才有望找到学科得以继续蓬勃发展的新生点。朱美芳由此想到无机材料、有机材料历经这么多年，其实也都到了其生命周期的稳态期，如何打破这样一种学科稳态是很值得思考的。正如程先生所说：人（物种）的最稳定态就是死亡了。

前瞻性、包容性和应用性引领学科发展

朱美芳说，在高分子重新定义讨论中，程先生提出过高分子科学未来的发展应着眼三个性：前瞻性、包容性和应用性。如何理解这三性？她在和程先生讨论中议论了蜘蛛并得到了启示。蜘蛛这一生物早在距今4亿多年前的泥盆纪时代就存在了，可谓这个星球最长寿的生物之一了。蜘蛛为什么能这么长寿？有人说这很可能与其品类极为丰富有关。已知蜘蛛品种有4万多种（中国就有4 000多种），正是物种如此的多样，与环境及其他物种的包容，它才能应对无数的自然灾变而幸存至今。学科的发展其实也和物种的存续有共通之处——只有不断保持多样性、包容性才能使学科之树常青。

而对前瞻性，朱美芳认为关于高分子定义的讨论及其引出的一些结论都是具有前瞻性的。朱美芳进一步谈到2021年年初她和程院士交流时程院士对前瞻性的洞见：不能只是考虑现在的卡脖子问题，要有前瞻性，要有自己的想法，不能只是从paper到paper，要从现实中找问题。与此直接相关的是，程正迪和朱美芳两位院士都认为本本主义是现今阻碍创新的一大痼疾。说到这里，朱美芳再次回溯经典。有效对抗本本主义的一个范例是17世纪英国最杰出的科学家之一的罗伯特·胡克（Robert Hooke，1635—1703）。他在力学、光学、天文学等多领域都有重大成就。胡克定律的提出不是从文献到文献的产物，他的许多发明都是从显微镜中观测得来的，而且他会把显微镜中看到的东西都手绘出来。

回到本源，回到杂化的机理上

回到这次获奖工作的核心杂化策略本身，朱美芳归纳为：求诸“杂化”，盖因两种不相干材料混合后性能上不去。各种尝试后（如高分子加氧化亚铜、二氧化钛、二氧化硅等）毫无起色，后来做到纳米级时有些苗头了，但又发现只能做一个体系，换一下就不行了。多方碰壁后最终还是回到本源，回到对化学键、对杂化机理的重新认识上，也就是上文讲到的朱美芳及其团队成员重读鲍林《化学键的本质》一书的来龙去脉。而“有机-无机杂化策略构建多功能生物医用材料”获得2018年上海市自然科学奖一等奖至少表明他们运用杂化策略，把不相干的两种材料合二为一这条路走通了，这也成为杂化思想提出近百年后的一次具有标志性意义的案例。或许这是认识和理解这一科研成果价值和意义的要旨所在。

杂化策略指导下的创新实践

顺着这个要旨，接受采访的陈志钢老师给我介绍了他们运用杂化策略在构建多功能生物医用材料方面的实践及进展。首先该项目希望研制出针对癌症、细菌感染等疾病急需的新型生物医用材料。针对传统高分子生物医用材料功能单一而无机功能材料生物相容较差、功能与缺陷难以调控，限制了其生物医学应用等瓶颈性难题， 项目组提出用有机-无机杂化方法来制备兼具高分子与无机材料本征特性的新一代多功能生物医用材料。具体创新点是：提出了用纳米材料构筑高性能高分子水凝胶——以无机纳米材料构筑高分子网络，制备具有高力学性能的水凝胶材料，这种材料已证明在人工韧带、人工肌肉等仿生领域有很强的应用前景；发展了电场诱导构筑无机-高分子双载体杂化功能纤维的新途径——利用静电纺丝技术实现了药物和无机载体的简单快速封装制备，得到了双载体杂化功能纳米纤维，这种材料可广泛应用于组织工程和药学领域；建立了高分子限域内原位生长无机纳米诊疗平台的新方法，研发了一系列可用于肿瘤模型诊断治疗的新型纳米诊疗试剂。

孙桐：杂化思想乃康庄大道

朱美芳院士对我说，以上工作都还是前几年的，随着对杂化本质的进一步理解，这两年他们对杂化的认识又进入一个新的层面：从以组分为主的杂化到不同形状、尺度、维度、组分的杂化；从有机-有机杂化到无机-有机、有机-无机的杂化。实际上就是物种多样化的反映。

朱美芳回忆起2005年向她的本硕导师孙桐教授汇报杂化工作及其前景时，孙老师的一番话她时在心头。孙老师说，杂化材料可以做50年，甚至还可以拿诺贝尔奖，因为杂化材料是有包容性的，杂化思想是康庄大道。杂化及杂化材料相当于道和器的关系，可以不断延伸出去。朱美芳说，导师的这番话一直激励她和团队不停歇地把“杂化”这座富矿深耕下去。

杂化思想及策略指导下的实例

催化过程大大加快知道我想要杂化思想引导下构建新材料的案例，朱老师把材料学院项目组的两位年轻人叫来一起讨论。一位是主攻催化剂材料研发的左伟伟研究员，一位是更年轻一点的从事杂化材料研发的王瑞莉讲师。左伟伟告诉我，他们希望研制的新型催化剂会在制药原料合成、石油天然气转化、材料可循环利用等方面有更优异的表现。传统催化剂的核心材料铂、铑等贵金属催化效率高，但费用高、毒性强，而钾钙铁等便宜的金属毒性低、电子轨道低、性能相对差。左伟伟他们利用无机-有机杂化的思想，根据催化性能来设计新的催化剂。由于单一无机成分性能很差，课题组就用有机来补充。后续实验效果显示，利用无机-有机协同成分杂化的催化剂显示出1+1远大于2的效果。例如：在纤维材料的循环利用中，如用便宜的毒性低的金属加上有机的成分形成无机-有机杂化催化剂，可大大加快纤维材料的降解速率，显示出可与贵金属催化剂媲美（甚至更好）的活性。这也是迄今任何单一有机或无机材料都达不到的催化效果。左伟伟告知，之所以有这样的效果就是因为无机有机的这两种物质在分子轨道层面上实现了杂化，也就是这两种材料在两种轨道间能根据反应需要进行转移。正是基于这样的科学原理，使得从大分子降成小分子，或小分子聚合成大分子的催化过程大大加快。

开发出可替代进口的齿科材料王瑞莉提供的案例来自口腔材料，具体来说，即传统补牙的树脂材料如何借助杂化手段制备出更具耐磨性、力学性能更好的齿科填充材料。王瑞莉介绍，这个口腔材料研发需求来自上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔修复医生。当时（2010年）齿科树脂材料基本上是国外进口材料一统天下，收费很贵，使用中还时有问题，医生希望有国产的材料替代进口。经近10年的研发，并先后得到863项目、国家重大研发项目支持，目前王瑞莉他们研制的齿科杂化材料已进入临床前审批。王瑞莉告诉我，通常使用的无机相是大颗粒加小颗粒，他们借助杂化策略，用多种小颗粒有效聚合成外观尺寸和传统大颗粒接近的材料，但其核心由多组分、多功能的小粒子聚合，如此可以避免大颗粒易整体脱落的问题。这种齿科填充料以往都是某国外著名公司一统天下，东华-正海-九院等合作研制的杂化齿科填充材料综合性能与国外进口复合树脂性能持平，但在力学性能、美观性、耐磨性等指标上都胜过对方，而价格只是进口材料的1/3。

后记

此次有机会了解2018年上海市自然科学奖一等奖的工作——“有机-无机杂化策略构建多功能生物医用材料”，特别是对主要完成人的采访让我非常兴奋，因为这是一次不同以往这类访问的访谈，受访人朱美芳院士没有多述及这项工作的技术细节及其效应，而更多探讨了指导他们这项工作的科学思想、理论的源头所在：正是科学大师及经典文献给予了他们理解问题真谛的理论滋养，进而在不断实践探索中寻求到破除瓶颈之道。相信这样一种创新感悟及治学之道不仅是当今在创新之路上努力探求的人们所需要的，也会给各行各业的工作者带来些许启示。感谢程正迪院士、朱美芳院士不同凡响的学术高度让我有机会通过采访接近了真理。这是一位科学记录者的荣幸。