一十六载铸重器 交叉学科谱华章

徐芳芳

在上海浦东张江高科技园区里，有一座宏伟壮观的银灰色建筑，占地达2万多平方米，像一只巨大的鹦鹉螺，它就是“上海光源”。上海光源也称上海同步辐射光源，是我国目前最大的大科学装置，经过漫长的10年立项和16年的设计、建设、应用，它已成为国家级综合科学研究平台，是各前沿学科和高新技术研究和应用不可或缺的重要工具，在诸多重要科研成果中发挥了巨大作用。

上海光源的建设成功，离不开国家的大力支持，也离不开成百上千名科研人员、建设者们十几年如一日的协同攻关。中国科学院上海高等研究院上海光源姜政研究员就是他们中的一员。自2005年作为首批科研人员参与上海光源设计建设工作算起，16年间，姜政带领团队担纲设计与建设了同步辐射X射线谱学线站，发展了先进的同步辐射X射线谱学方法，建立了对能源材料从单原子到团簇的系统研究体系，使上海光源形成了能源催化材料的综合性研究平台，填补了国内多项空白，并与众多同行一道，为铸就上海光源这一国家重器作出了重要贡献。同时，他还埋首科研，在化学物理这一交叉学科，做了大量卓有成效的基础性研究工作，为整个能源材料领域的基础研究水平提升作出了重要贡献。

有幸成为那颗最初的螺丝钉

1993年12月，丁大钊、方守贤、冼鼎昌3位院士提出“在我国建设一台第三代同步辐射光源”的建议，在科学界引发了一场关于建设第三代同步辐射光源的讨论。

彼时，姜政年仅16岁，还只是一名高中生。那时的他，还是个懵懂少年，爱瞎鼓捣，对任何事都充满着好奇。虽然数理化成绩优异，但对于什么是“同步辐射光源”仍一无所知，更不会想到自己的人生将会与这个孕育中的大科学装置产生深度联系。

高考前，一位中国科学技术大学（以下简称“中科大”）的老师到姜政所在的学校做招生宣传，他向同学们介绍了交叉学科和化学物理系，说“中科大化学物理系是全国唯一的，别的学校没有，而且还拥有两位中国科学院院士。当时我就觉得这个专业挺不错，也挺有意思。”姜政回忆。就这样，他放弃了原本属意的电子工程专业，迈入了化学物理的世界，开启交叉学科的大门。

少年的姜政不知道的是，中科大化学物理系有着悠久的办学历史，是由钱学森、郭永怀、柳大纲等老一辈科学家在1958年亲自创办的，旨在培养兼有化学和物理两方面知识的复合型人才。这一专业，不仅在国内首屈一指，在国际上，也是名列前茅。经过近半个世纪的发展，其已经成为国内著名、国际知名的物理化学（含化学物理）科研基地和高级人才培养基地。

交叉学科的专业性质，对学生培养也提出了更高的要求，既要懂化学，又要懂物理，还要能够分别从宏观、微观两个角度看待问题，在研究方法上也注重基础研究与实际应用的相互结合。经过5年的专业训练和系统学习，姜政以优异的成绩，被保送到中科大国家同步辐射实验室硕博连读，师从张新夷和韦世强两位教授。

张新夷、韦世强两位教授是我国较早从事同步辐射及其应用研究的专家，彼时，他们正着手用同步辐射的手段进行催化化学的研究。“同步辐射就是一个工具，然后可以用这个工具再去研究一些科学问题。当时就觉得挺有趣的。”姜政告诉记者。于是，在两位导师的指引下，在兴趣的驱动下，他开始接触同步辐射及其应用的相关研究，运用XAFS、XRD、XPS等手段研究Ni-B（P）纳米非晶态合金催化剂的结构和性能。这一钻研就是5年。

2005年，姜政出色地完成了博士论文，获得博士学位，他准备在同步辐射研究领域大展拳脚。此时，正值上海光源开建，亟需大量专业人才。在学校和导师的推荐下，他抱着试试看的态度，来到上海面试。“正好面试官也是科大的一位师兄，他就讲‘你在外面再怎么搞研究，也很少有机会给你那么多经费，让你从头建一个，我觉得确实是这样，就加入了。”姜政回忆。自此，开启了他与上海光源共同成长的序章。至今，故事仍在继续。

上海光源是个极其复杂的大科学工程，包含有众多光学、电子学系统和先进技术，部件研制及系统集成难度极高，特别是需要在保证各系统性能的前提下，实现提供十几到几十小时的稳定束流、年运行5000小时以上的供光时间，设计、建设难度不可谓不大。

初到上海光源，姜政就受上海光源工程经理部总经理徐洪杰研究员委派，负责高性能扭摆器XAFS线站的设计和建设任务。“你放手干！”这是徐洪杰研究员经常对姜政说的话，既是信任，也是鼓励。于是，姜政一边审慎思考设计方案，一边与用户、团队探讨解决相关技术问题。前后用了两年左右时间，经过反复推敲、论证、研讨，终于设计出了符合研究需要的、高标准的设计方案。姜政却丝毫不敢停歇，立刻着手购买专业设备，以期尽快完成建设。

这时，一个科学难题挡在姜政面前：XAFS线站建设过程中，因为产生的热量极高，对仪器设备的要求也非常高，如果不能解决好，很容易使仪器发生形变，进而严重影响实验精度和后期用户研究。就在他一筹莫展之际，恰好得知同期建造的位于澳大利亚的同步辐射加速器正在开展同类设备的安装调试工作。“在全世界，如果要找一个地方也在进行类似的尝试，那就只有这个地方有这方面的经验。”姜政强调，为此，他主动请缨到那里参与设备仪器的装调，获得了宝贵的实战经验。

回国后，姜政博采众长、兼收并蓄，以力争一流、追求卓越的干劲顽强攻关，带领团队做了大量系统深入的工作。终于，功夫不负有心人，他们自主设计研制了光束线碳吸收器组装置、加长单色器第一晶体。这套装置采用了非傳统转轴位置及使用双孔薄铍窗，在兼顾光路稳定性的情况下，成功解决了由于扭摆器导致的光束线关键元件的高热负载问题。

2009年，XAFS线站通过了国家工艺验收，线站全部测试结果达到并优于设计指标。同行评价这条线站能够开展多种谱学方法，与原位手段相结合，实现动态数据采集，已经达到国际先进水平。在后续的运行中，它同样表现出色：近5年来，用户依托该线站共发表文章700余篇，多项成果入选各类科技重大进展，此外还有多项工作荣获各类省部级、国家级自然科学奖项，成果产出居国际同类线站首位，并且有部分成果已经开展工业化应用，为化学、催化领域整体水平提升作出突出贡献。

作为大国重器，上海光源具有建设60条光束线、上百个实验站的能力，按照国际惯例，首批建设10%～15%的线站，国内各学科领域的科学家对上海光源首批7条线站寄予极大的期望。为真正用好上海光源，改变“大马拉小车”的状况，姜政和团队又马不停蹄地投入后续线站工程的设计和建设工作中。

几年间，姜政和团队设计出了国际领先，国内首条软、硬X射线结合的能源材料线站（E-line）。这条线站不仅可以实现逐原子层元素深度分辨及化学态，还能实现发射和吸收的同时测量，明确元素在费米面附近的精细电子态分布探测，而且可以利用多段差分技术，跨越压力鸿沟，实现原位及工况条件下的特定原子局域结构探测。目前，线站已经进入全面安装调试阶段，预计今年就可实现对用户试运行开放。上海光源又多了一位“新成员”，科研人员也多了一个“新助手”。

作为硬X射线谱学工程分总体负责人，姜政还主持建设了动力学线站（D-line）、通用谱学线站及稀有元素线站3条谱学线站。其中，通用谱学线站今年已经正式对用户开放;动力学线站已于2020年年底通过工艺验收，并开始试运行。这些线站构成了研究能源材料的综合性平台，覆盖了从ps到s的时间分辨能力、从m到mm的空间分辨能力、多种方法耦合以及放射性样品的测量能力，同时填补了国内放射线元素SRXS测量的空白，对整个能源材料领域的基础研究水平提升作出重要贡献。

时间如白驹过隙，一晃，16年过去了。在姜政等科研人员、建设者的努力工作下，上海光源的建设任务得以全面、优质、按时完成，性能指标达到世界一流，已经成为多个学科领域前沿研究和高技术发展不可或缺的综合实验平台。

这16年，是上海光源从无到有、快速发展的16年，也是姜政在做中学、精益求精的16年。岁月如歌，16年间，姜政已经从初出茅庐的科研新人，成长为上海光源硬X射线谱学分总体负责人、材料与能源科学研究部主任，成为我国同步辐射研究及其应用领域的专家，在国际上享有较高声誉。

“在上海光源项目中，我就是一颗螺丝钉，但有幸的是，我是最开始时被拧上去的。”回想起在上海光源设计建设中度过的16载峥嵘岁月，姜政从容恬淡。这期间，不是没有诱惑，不是没有更好的机会，只是在“充实钱包和充实头脑”之间，他做出了自己无悔的选择。

在交叉中前行

在从事繁忙紧张的上海光源建设工作的同时，姜政还坚持开展科研工作，致力于应用物理的手段，去解决化学研究中面临的问题，在化学物理这一前沿交叉学科，着眼基础，面向应用，展开了一系列深入系统的研究，取得了多项开创性研究成果。

X射线吸收精细结构谱（XAFS），是用于描绘局部结构最强有力的工具之一。“第一，它波长短，可以测量比较精细的结构，可以对原子结构和电子结构做比较清晰的表征。第二，对材料的形态没有限制，各种各样的东西都可以研究。”寥寥数语，姜政就言简意赅地介绍了XAFS方法的优点。

作为上海光源XAFS线站的负责人，姜政很早就认识到它的优点，并将XAFS方法引入化学问题的研究中。比如在室温离子液体理化学性质的研究工作中，他就带领团队创造性地引入了XAFS手段，并结合XRD、电镜、差热、红外以及紫外等方法，分别研究了[Bmim][AuCl4]和[Bmim][PtCl6]类型离子液体在常态的结构和性質。经过3年多的努力，他们对离子液体结构、相变规律有了系统性的认识，拓展了离子液体结构研究的新手段及XAFS方法的应用范围，为离子液体结构理论的发展打下了坚实的基础。

为了让XAFS方法得到更好的推广和应用，姜政还发展了小波变换、原位和高分辨谱学方法，多次举办XAFS技术培训讲习班和研讨会，培养了一大批覆盖多学科领域的高水平用户。同时，他还多次受邀在国内外重要会议上作相关报告，向科研人员推介XAFS方法及其应用。现在，XAFS方法在国内得到了越来越多的关注和应用，为多学科的科学研究提供了新的路径，有力地推动了国内大科学装置和催化领域的交叉融合。

同步辐射快速XAFS（QXAFS）实验方法能够使采谱时间从小时缩短到秒量级，适合开展快速的时间分辨谱学研究，已经成为科学研究的大势所趋，各国都在加紧研发和应用。为了迎头赶上科技潮流，姜政和团队基于上海光源的XAFS线站，成功建立了秒级时间分辨XAFS方法平台，为国内催化研究提供先进手段。他们还将这一先进的研究方法应用于Cu基催化剂在CO2合成甲醇过程中的活性中心及其原子、电子结构的研究中，明确了反应机理，对今后的工业应用给出了理论指导依据。“如果我能对催化剂的性能做一点点的提高，它可能在经济效益上就会是几亿元的巨大回报。”姜政表示。

依托上海光源XAFS线站建立，他还完善了基于SRXS的先进原位动态表征技术，并发展了相关的谱学解析方法，突破了催化剂的小尺寸、复杂组分等因素限制，在原位工况条件下直接监测化学反应变化过程中的结构变化，为能源催化材料构效关系的理解和建立提供了直接证据。

在面对复杂催化体系中，多物相、键长相似、临近原子序数配体原子难以区分等问题时，姜政和团队引入了WT方法，辅助SRXS解析，成功解决了这些难题。“小波变换方法（WT）是一种能同时展示出不同散射路径在k空间和R空间的贡献的研究手段，适用于对多散射路径体系的分析，且具有方便、快捷、直观等优点，此外还能解决由于原子序数相近的散射原子，如C、N、O等不容易区分等问题。”姜政进一步解释。此后，他还进一步优化了WT处理方法，并编写了相关软件，供国内外科研人员免费使用，累计下载量达上百次。可喜的是，在姜政2018年发展了WT方法之后，利用WT辅助SRXS解析的学术论文大幅增加，到2020年，相关论文已达130多篇，极大推动了整个催化研究的发展。

搭平台、建方法、搞研究，通过研究，再发展方法，进而完善平台，再反馈到研究中去。从点到面，从个人到整体。十几年来，这已经成为姜政科研的一个回旋上升的研究链条，一环扣一环，助推着整个学科不断向上发展。迄今为止，姜政已在Nature、Science、Nat Commun、JACS、Angew等国际高水平期刊上发表学术论文达300余篇，SCI他引达4745次。2020年，姜政入选科睿唯安全球高被引科学家（交叉学科），科研水平受到了国际同行的高度认可。

很多做交叉学科的科研人员，都会纠结“我到底属于哪个学科”的问题。这个问题也曾经困扰过姜政。但很快他就悟出了一个道理：“不管属于什么学科，只要能够真真正正地做出一些有推动作用的事儿，就都值得了。”现在，姜政正带领团队就如何清晰地从原子及分子水平上分析碳化钴在费托合成活性变化过程中对应的结构变化，并在此研究基础上构筑新型钴基催化剂展开攻关，希望能够明确钴基催化剂在费托反应过程中的活性中心及反应过程中形成的碳化钴的原子、电子结构变化对催化性能的影响，为设计和构筑下一代新型催化剂提供实验基础和理论指导。

追求卓越 再攀高峰

作为一名科研工作者，姜政早已习惯了直面挑战、迎难而上。但同时，他又是上海光源整个大团队的一员。“这个团队特别强大，只要多沟通，多商量，最后困难都能解决。”姜政回忆。做大项目，就要求科研人员既能单打独斗，又能与团队密切配合。现在，他正把这些优良传统传递给身边的年轻人。在他的团队中，大家劲往一处使，互相配合、互相合作，有问题共同讨论，没有等级，更多的是平等的沟通和交流。在姜政身边，早已汇聚起一群敢于追求卓越、勇攀科技高峰的年轻人。

严师，方能出高徒。姜政一方面为学生创造平等沟通的氛围，另一方面也对他们有着严格的要求。“我基本上每周都会找他们开会，让他们汇报工作进展，并且制订好下一步的工作计划。这个计划既然是学生認可的，那么如果完不成，我就要批评的。”姜政说。在他的团队里，甚至有女生被说哭过。正所谓，严是爱，松是害。学生也都能体会老师的良苦用心，一个个都扎扎实实地做研究工作。所以，姜政培养出的学生，在毕业时都很抢手。

近年来，硬X射线自由电子激光作为当前最为先进的X射线光源，具有比以往任何X射线光源都无可比拟的优点，将为多个前沿领域提供前所未有的研究手段。世界主要先进国家都在争相建设各自的硬X射线自由电子激光装置，以掌握新历史时期的科技发展主动权。

2018年，我国第四代X射线光源大科学装置——硬X射线自由电子激光装置建设工程正式开工。整个项目计划投入资金达百亿元，工期超10年，是我国科技领域的又一“重器”。作为研究骨干，姜政出任光束线站的副总师，深度参与项目的技术讨论，助推项目的有序开展。“这个项目很复杂，时间跨度也很长。”对于项目的难度和要付出的精力，姜政有着清醒的认知，但他义无反顾。

有人说，第三代同步辐射光能为科学家拍摄“分子照片”，X射线自由激光就能够对生物活体细胞展开三维全息成像和显微成像，能够拍摄“分子电影”。未来已来，姜政正和团队以饱满的热情和充足的干劲，向着世界一流水平进军。