陈昶乐：在“古老”领域挑战“圣杯”

本文转自：中国科学报

陈昶乐 受访者供图

■本报记者 王敏

你可能没听说过聚烯烃，但在日常生活中你肯定接触和使用过它，比如塑料袋、矿泉水瓶盖、薄膜等。中国科学技术大学（以下简称中国科大）教授陈昶乐的工作就是研究如何让这种材料性能变得更好。

变得更好，意味着这是一条向上的路，注定不那么轻松。“如果再选一遍，我一定还会选择化学。化学科研的道路虽然辛苦，但我乐在其中。我几乎每天都在工作，但事实上我不是在工作，而是在做喜欢的事情。”陈昶乐说。日前，他获得了2022年度中国科学院青年科学家奖。

挑战最后的“圣杯”

聚烯烃是世界上产量最大的合成高分子材料之一，占全部塑料的一半左右，全球平均每人每年使用量超过30公斤。聚烯烃材料被广泛用于农业、商业包装、军事、医疗防护等领域。

在20世纪60年代，聚烯烃是热门领域，当时全球多个团队参与了烯烃聚合的开发。1963年，德国化学家齐格勒与意大利化学家纳塔因为烯烃聚合催化剂方面的研究共同获得诺贝尔化学奖。

经过80多年的发展，很多人认为，聚烯烃领域已经很古老、体系很成熟了，在学术界和工业界都有大量的研究积累。换句话说，聚烯烃领域趋于“冷门”了。

“要知道，许多问题前人早已研究出来，而剩下的那些几十年都解决不了的问题，一下子想要突破是非常困难的。”陈昶乐坦言。

聚烯烃一般是非极性的，这导致其印刷性、染色性等很多性质比较差。为了改善其性质，人们可以在聚烯烃主链中引入少量的极性单体。然而，这一过程的实现非常具有挑战性，被认为是聚烯烃领域最后的“圣杯”之一。这就是聚烯烃领域难啃的“硬骨头”。

陈昶乐介绍，我国是全球聚烯烃生产和消费大国。但是，目前我国聚烯烃产业出现了低端产品严重过剩、高端产品进口依赖度高的矛盾。比如我国光伏发电产业技术基本实现了自主创新，但是用于光伏组件封装的聚烯烃弹性体材料还完全依赖进口，并且国外的生产工艺技术对我国严密封锁。

从在中国科大获学士学位，到前往美国芝加哥大学攻读博士学位（其间获得芝加哥大学化学系Nathan Sugarman教学奖，是该校化学系历史上第一个荣获此奖的中国人），再到前往美国西北大学从事博士后研究，陈昶乐始终聚焦于聚烯烃，并积累了10余年的研究经验。

他意识到，“我们唯有通过科技创新，攻克关键核心技术、打破垄断，才有可能实现聚烯烃产业高质量发展” 。

2012年10月，当时正在位列福布斯500强的塞拉尼斯公司工作的陈昶乐作了一个决定——回国，加入中国科大，向聚烯烃领域最后的“圣杯”之一发起挑战。

他说：“我希望进入我国高速发展的快车道，为国家做一些事情。在聚烯烃这个传统研究领域，如果我们能够做出一些开创性的工作，将会起到推动与引领作用，意义重大。”

“试试，再试试”

2013年1月，30岁的陈昶乐回到中国科大，成为该校一名年轻的教授。

他将研究内容分为两块：一块是如何高效地在非极性聚烯烃里引入极性官能团的基础研究，另一块是应用导向研究，希望实现高端聚烯烃工业化的应用。自此，一场“硬仗”开始了。

“聚烯烃的核心是催化剂，它可以把烯烃单体聚合起来。但是一旦引入极性官能团，催化剂可能‘死掉’、失去活性。”陈昶乐介绍，发展新型高性能催化剂是拿下最后“圣杯”的关键所在。

研究初期，他们进行了大量催化剂试错与筛选工作。陈昶乐笑称自己做的是“劳动密集型”工作。

“当时，我们大概改了三四十种催化剂，仍然没有找到合适的。”陈昶乐有些犹豫了，如果放弃，之前花费的时间就白费了，但是继续坚持下去的话，一两年内可能还是不出结果，那该怎么办？

实际上，这也代表了目前整个聚烯烃领域的研究现状——虽然有一定的理论指导，即文献报道了成千上万种烯烃聚合催化剂，但要从中得到高性能的催化剂，极其耗时耗力且成功率很低。

陈昶乐决定“试试，再试试”。“在实验室里，陈老师手把手指导我们做实验，不够好就改，还不够好就再改，一直到改好为止……从早上8点到深夜12点，陈老师经常与我们共同‘作战’。”陈昶乐实验室成员邹陈说。

正是这种坚持不懈、坚定不移朝前走的精神，使他们成功发展了一系列全新的催化剂设计策略并制备了全新的催化剂体系。

同时，针对催化剂设计领域主要基于试错法，效率低、成功率低的特点，陈昶乐课题组设计并发展出了一系列新型、通用的调控手段，可以实现对烯烃聚合反应过程的更好调控，这在国际上具有引领性。

国际学术界认为，引入极性单体是“好事”，可以改善聚烯烃性质、提升性能。但是国际上从来没有人系统地研究过这会“好”到什么程度、怎么好、具体的性质是什么。陈昶乐带领团队率先对功能化聚烯烃材料的一系列宏观性质以及可能的应用方向进行了“普查”。

在以上一系列工作的基础上，陈昶乐又开始新型催化剂以及功能化聚烯烃材料工程应用放大方面的探索。

陈昶乐曾说：“在聚烯烃研究道路上遇到的最大挑战，是如何将自己的研究与文献中大量的聚烯烃相关研究区别开来，形成自己的学术标签。”

“勇敢走出舒适区”

2020年5月，科技部等九部门印发《赋予科研人员职务科技成果所有权或长期使用权试点实施方案》。这进一步激发了科研人员的创新热情，促进科技成果转化。

在这一大背景下，原本就有意将科研成果推向工业化应用的陈昶乐，在2022年顺利成立了合肥中科科乐新材料有限公司，并且成功获得了2600万元的风险投资，用于推进高端聚烯烃弹性体的工业化制备。

“目前，市场上的聚烯烃弹性体都由国外生产，国内没有生产商能够生产。它的主要用途是光伏封装、汽车车用塑料的改性，以及制备锂电池的隔膜等。”陈昶乐介绍，比如聚烯烃弹性体可以把光伏的组件封装起来，这样光伏发电在野外恶劣的环境中，也能更好地起到阻隔和透光作用。

当真正开始与市场对接时，陈昶乐和团队成员发现，市场的需求和自己的研究方向有很大不同。“大学里研究和关注的是更新更好，市场还要考虑成本问题、接受度问题。不是你的产品好，市场就会买账。”陈昶乐说，真正要把原创的聚烯烃弹性体材料推向市场，还有很长一段路要走。

如今，中科科乐新材料的发展逐渐步入正轨，正在做十吨级聚烯烃弹性体的放大实验。下一步，他们准备建设万吨级的生产线，进行批量生产。

对于未来，陈昶乐充满信心。“我的目标是要用国际原创的催化剂做国际原创的高端聚烯烃产品，比如聚烯烃弹性体、环烯烃共聚物、超高分子量聚乙烯等。”

谈及给青年学者的建议，陈昶乐表示：“我希望青年学者尽早找到自己真心热爱的领域并坚定地走下去，同时需要勇敢地走出舒适区，挑战新的研究方向。”