耕耘17年，结论6个字

本文转自：中国科学报

①殷亚东（左）和李志伟。

②电镜下的纳米材料结构图像：梅花香自苦寒来。受访者供图

■本报记者 刘如楠

打开殷亚东实验室的网站主页，映入眼帘的不是最新的研究成果，而是一幅幅精美的“画作”：有傲然绽放的梅花、有结满果实的西瓜藤，还有高尔夫球、珊瑚礁、崇山峻岭……

了解后才发现，这些五彩斑斓的画作并非由画笔绘成，而是显微镜下的纳米粒子，它们经过组装后，呈现出了各种样貌。

“科研有时候很单调，我希望大家能从中找点乐子。”因此，殷亚东总是鼓励同学拍下实验中有趣的画面，特别是在实验不顺利的时候。

殷亚东是美国加州大学河滨分校教授。2011年，他入选汤森路透集团发布的10年来“全球顶尖一百化学家榜单”，并在榜单中名列第二。

近日，他领导的团队在《科学》发表论文，首次证实磁场分布具有手性，开发出利用纳米粒子在磁场中组装以创建手性结构的新方法。该方法可以广泛应用于各类纳米材料中。

“如果说这项研究有什么偶然性，那就是我遇到一名优秀的博士生——李志伟。”殷亚东对《中国科学报》说。

他们只做两件事——“制造士兵”和“排兵布阵”

研究发表之前，殷亚东已经在纳米材料磁性组装领域耕耘了17年。

概括来说，他和团队一直在做两件事——“制造士兵”和“排兵布阵”。

前者是不断制备新型纳米材料颗粒，如各类金属和氧化物的纳米颗粒。后者是组装，根据材料特性和实际需要，将纳米颗粒放置到合适位置，使之形成新结构，实现特别的功能。

从化学角度出发，他们希望能够实现“自组装”：制备出纳米颗粒后，让它们“自动找到同伴”，按照a、b、c、d……排列整齐。

这也正是困难之处。想象一下，让两条漂浮在太平洋上的小船互相找到彼此的难度。如果有n条小船，如何能让它们根据指令“排兵布阵”？

磁性组装是个好办法。“拿一块磁铁，可以把散落在各处的钉子都吸起来。如果将不同的纳米颗粒附着在氧化铁材料上，纳米粒子就可以在磁场‘排排坐’。通过改变磁场大小，这些纳米颗粒就会呈现出不同的结构和性质。”殷亚东说。

比如经过磁性组装的纳米颗粒会形成具有周期性的长链，使光发生衍射，形成光子晶体材料。如果将其嵌入钞票中，遇见磁铁就会变色，这可以应用于防伪标识、防伪涂层中。再比如化学物质检测，将检测液滴在相应的光子晶体上，根据其颜色变化可以判断是否存在某种物质。

这篇论文得出的结论一点都不复杂，甚至用6个字就可以概括：磁场是手性的。换言之，磁场沿中轴线的分布，就像我们的左右手一样，互为镜像，但又无法完全重合。

根据这一特性，研究人员就能通过磁性组装，使任何材料都能在分子到纳米的尺度上快速形成手性结构。

这意味着，在短时间内，太平洋上随意漂浮的无数船只，可以在磁场作用下，按照手性分布排列整齐，无论是巨型游轮，还是小木船。

把磁场刻进脑中，终于迎来“灵光乍现”

既然是如此简洁明了的结论，为什么大家都没想到，偏偏是第一作者李志伟吃到了第一口“螃蟹”呢？

这还要从几年前说起。2014年，李志伟从苏州大学硕士毕业，来到加州大学河滨分校，跟随殷亚东读博。对于李志伟来说，从生物化学转向纯化学实验研究、聚焦于磁性组装方向是全新的体验。

在读博的5年半时间里，李志伟一直致力于合成纳米材料，将不同形貌、不同大小的纳米材料利用磁性组装成复杂结构，并赋予不同的功能。用他的话说，“几年的积累，让我把磁场刻进了脑子里，无论想到什么问题，都会自然地把它和磁场联系在一起”。

临近毕业，他终于迎来了“灵光乍现”的时刻。

当时，李志伟读到了一些关于手性现象的文献，了解到手性在自然界中广泛存在，比如DNA、氨基酸的分布等。有趣的是，如果某一手性分子结构作为药物疗效很好，其镜像分子结构的化合物往往无法与目标分子结合，若对治疗无效，甚至可能成为“毒药”。

读着读着，李志伟自然而然地想：磁场会不会是手性的？他随即开始检索文献，却一无所获。

很快，这个刚冒出来的念头几乎瞬间泯灭了：“这听起来很简单，又很不可思议。如果磁场分布也遵循手性，那这么多年，前人为什么没发现？”

就这样，在毕业答辩的压力下，他将这个想法搁置下来。

时间来到2020年，受疫情影响，李志伟最终决定继续在本实验室做博士后。空闲下来的他开始着手进行实验验证。

当他用磁性纳米棒复制了磁场的空间分布，很快测量到了圆二色光谱，这提示永磁体的磁场分布具有手性。“我就像发现了新大陆一样，非常兴奋！”李志伟说。

后来，他又将手性结构通过纳米粒子的磁性组装转移到了各类材料中，包括氧化物、半导体、聚合物、小分子和荧光纳米材料等。

“通过对手性的调节，可以制造更复杂的光电器件，也可用于快速检测与某些疾病相关的手性或非手性分子，例如癌症和病毒感染。”论文第一作者李志伟说。

享受单调的科研生活，给自己找点“乐子”

回顾李志伟的科研成长经历，殷亚东说：“他读博的前两三年，都没做出特别好的成果，一直处在打基础、准备起跑的状态，和大家的差异并不明显。但从第3年起，他便做出了一系列很有意思的工作。而且越往后，他越有独特的思考和想法，而非仅仅完成某项任务。”

“只有将基础打牢，不会犯基本错误的时候，作为导师才可以为他搭更高的平台。如果学生在基本实验层面还需要导师帮着一点点分析的话，导师就很难有用武之地了。”殷亚东说。

因此，殷亚东多年来指导学生的一个秘诀就是：花时间去观察学生处于哪个阶段，在不同阶段给予其相应的指导帮助。

临到毕业时，殷亚东还会和每名学生来一次“促膝长谈”，细数他们拥有的“武艺”，如产生想法的能力、实验设计能力、实验操作能力、完整表达研究结果的能力等。经过剖析之后，学生对自己了解得更清楚，未来的工作学习中也会更有针对性。

截至目前，经殷亚东实验室培养的硕博生、博士后、访问学者中，有60名在国内外高校、科研机构中担任正副教授、研究员。

在殷亚东实验室网站主页的最上方，“Science as Art”几个词赫然醒目。在他看来，大家做出的材料结构千变万化，在电镜下会呈现出独特的美。“很多时候我们的实验结果可能不尽如人意，但希望学生能留意到它展现出的结构之美。”殷亚东说。

这些年，学生们拍下了许多有趣的画面。这些“画作”多次获得美国材料学会“科学即艺术”奖项。

“做科研并不容易，有的时候很单调，也很枯燥，但希望能尽量给自己找点乐子。无法享受过程的话，怎么能做出好东西呢？”殷亚东对《中国科学报》说。