他在元素周期表上為硫代言 看這位教授對化學的新理解

2020-12-15 人民網四川頻道

原標題:他在元素周期表上為硫代言

  IUPAC官方公布的姜雪峰代言硫元素的照片

  姜雪峰

  「氫氦鋰鈹硼,碳氮氧氟氖……」看到這些,你有想起那張化學元素周期表嗎?不過,無論你記得多少,一定還記得其中的硫元素,因為它的氣味實在讓人「過鼻難忘」。

  華東師範大學有那麼一位教授,他誓要通過自己的研究為「硫」除臭,讓它從「灰姑娘」變成「白雪公主」,他提出綠色硫化學理論已經在國際上引起反響。最近,他本人被世界上最權威的化學組織——國際純粹與應用化學聯合會(簡稱「IUPAC」)選為化學元素周期表上「硫」的代言人。

  他就是華東師範大學化學系教授姜雪峰,一位在高考志願表上霸氣註明「學校可以服從調劑而專業不服從調劑」的化學痴男。

  文、圖/廣州日報全媒體記者周裕嫵 實習生邵文清

  姜雪峰1980年出生於蘭州,家裡兩代人都從事與化工相關的工作,這樣的家庭環境讓他從小對化學有一種特殊的感情。「化學反應會發生顏色和形態變化,這讓我覺得很神奇,也很喜歡」,這大概就是姜雪峰對於化學的「初體驗」。

  「專業不服從調劑」

  在初中階段開始學習化學後,姜雪峰對化學的喜愛便一發不可收拾,雖然數理化都經常拿滿分,不過在填報高考志願時,姜雪峰毫不猶豫地選擇了化學專業,並且註明「學校可以服從調劑而專業不服從調劑」。「我就是想學化學,我的第一志願就是化學。」姜雪峰說,家人對於他的選擇非常支持。

  就這樣,姜雪峰進入西北大學化學系,正式開啟了對化學的「科研之路」。在本科4年學習中,姜雪峰對有機化學產生了濃厚的興趣,「有機物就是和生命體有關係的,我很想知道為什麼有生命現象,為什麼會有病痛,我想了解它的規律,這樣才不會懼怕未知,這也培養了我分析化學反應過程背後機理的習慣。」姜雪峰如是說。

  本科畢業後,他以全年級第一的總成績保送進入中科院上海有機化學研究所,開始了為期5年的碩博連讀。在上海有機所,他對化學的認識也更加深入,「我選擇了麻生明老師課題組的金屬有機方向。」

  對化學的新理解

  2008年博士畢業後,姜雪峰選擇到美國聖地牙哥的斯克利普斯(Scripps)研究所做博士後研究,作為美國頂尖的生命科學研究機構,斯克利普斯研究所裡有多位諾貝爾獎得主。姜雪峰可以與世界頂級學者經常見面,當面探討問題。姜雪峰選擇了天然產物全合成領域,「我在上海有機所學到的各種知識在這裡都得到了充分的運用,就像原來是一個一個孤立的零件,在這裡需要學習整合組裝成一個機器人。」

  在「十九元環內酯天然產物合成」研究項目中,他的導師、被稱為「天然產物合成之王」的尼科拉烏教授(K. C. Nicolaou)將研究任務分成了4份,由來自英國劍橋大學、法國巴黎大學、美國佛羅裡達大學的學者和姜雪峰4人分頭進行,姜雪峰通過自己的努力逐漸成為整個研究的帶頭人,並最終攻下了全部的關鍵實驗。2011年,研究成果發表在了《德國應用化學》(ANGEW)上,姜雪峰是該文的第一作者,《自然化學生物》雜誌高度評價了項目的意義。

  美國的求學經歷讓姜雪峰對化學產生了新的理解,「在美國,學者會強調化學和生物學打通,和材料學打通,和物理學也要打通。隨著人類需求的豐富,學科的界限應該越來越模糊,前沿科學家應該有廣博的知識。即使我研究硫化學,也要熟知其他學科的需求,從而帶來新的解決思路。」

  為「硫」除臭

  在美國的博士後研究工作結束後,姜雪峰毫不猶豫地選擇了回國工作,「我在出國之前就想得很明白,我是一定要回來的,民族和親情都讓我無法割捨。」

  姜雪峰說:「剛從美國回來時,確實有點眼花繚亂,有的領域很好發文章,但我還是想選擇一個可以研究20年、30年,甚至一輩子的領域,剛開始我也嘗試過其他的研究方向,後來才逐漸地明晰了硫這個研究方向,是因為我覺得它的研究迫切性更強烈。」

  已經被學界深入研究的「硫」還有迫切需要解決的問題?姜雪峰說:「是的!」在他心裡,對硫進行深入研究的種子早在碩博學習期間就已經埋下了。他回憶說,那是因為「硫」的氣味實在太難忘,如果做了硫的實驗,硫的氣味甚至會在衣物上存留一兩周之久,導致同學們都躲著他走,所以印象極為深刻。

  此外,在化學研究領域,硫也是非常棘手的東西,「它會毒化金屬,影響金屬催化的效率,甚至導致不反應、不發生轉化,這些原因導致在學界中硫化學一直處在比較尷尬的境地,屬於緩慢發展的小眾研究領域。」姜雪峰認為,這種尷尬只是表面上的,實際上硫是一種非常有用的元素,它不僅是人體中不可缺少的常量化學元素之一,也是構成胺基酸的重要組成部分;同時,它廣泛存在於有機光電材料中,比如現在比較常見的LED燈;而在藥品中,比如青黴素、頭孢等消炎藥中都含有硫;含硫的食物也非常多,比如氣味不好聞的大蒜和洋蔥,大蒜素的活性成分就是硫,也正是因為硫,大蒜素的抗氧化能力特別強。

  「很反感但又繞不開,這不就是我們應該做的事情嗎?做科研本身就應該迎難而上,我們的研究就是希望建立方法來為『硫』除臭,讓它從灰姑娘變為白雪公主。」姜雪峰說,「這是將『硫』確立為自己科研方向的最初的想法。」

  「3S綠色硫化學」

  2015年前後,對「硫」的研究開展了三年多,姜雪峰發現,自己的研究豁然開朗起來,「就像在一座廢氣的老礦裡發現了新的洞天,突破最初的障礙之後,硫化學的多元性在不斷地被挖掘。」

  目前,姜雪峰課題組運用「從無機硫向有機硫」轉化的理念,構建起了「3S綠色硫化學」的全新硫化學體系,在他看來,取得硫化學研究的突破是一種幸運,也是姜雪峰的勤奮所至,在面對挫折、面對看起來沒有太大希望的未來時,他還能堅守下來,而這確實是值得他花一輩子去研究的領域。

  近年,姜雪峰發表獨立通訊論文60多篇(影響因子大於10的有10 篇),外文邀請專著6章,申請發明專利43項(其中國際專利有2項),已授權21項,並數次受邀出席各種國際會議。正是這些年在硫化學上的堅持和突破,讓國際化學界注意到了姜雪峰,從而讓他來代言硫元素。回首往事,姜雪峰感慨道:「每一次人生面對選擇時我都會有不一樣的感受,但心裡種下的對化學的好奇和熱愛卻從來沒有改變過。」

  未來化學體系

  將更為精細和綠色

  廣州日報:什麼是「3S綠色硫化學」?現在的研究進展如何?

  姜雪峰:「3S綠色硫化學」是對傳統硫化學的一種反轉,是全新建立的硫化學,是從源頭開始提出一個全新標準的硫化學,3S指無臭(smellless)、穩定(stable)和可持續發展(sustainable),它代表著硫化學未來的方向。一個傳統的觀念要扭轉還需要時間,傳統的觀念對這一塊還是有誤解和不認知,從實驗室到工廠也還有過程,科研不是一蹴而就的,認知是螺旋式的,每一次感覺像是倒回到了原點,實際都是在不同的研究高度上重新優化、改造建立的模型。「3S綠色硫化學」要真正獲得國家和世界更廣泛的關注,就要解決未來在工業和產業上運用的問題,目前我們有不同的研究小組在跟進醫藥產業、農藥產業、有機材料和香精香料產業等,我也有一半的時間都花在和產業的溝通上,但產業的改進是有周期的,有的還需要等待,還需要進一步挖掘硫化學的本質。

  廣州日報:大眾其實有點談化學色變,很多時候化學和汙染相伴相生,在你眼中,未來的化學是怎樣的?

  姜雪峰:談化學色變,其中有大眾對化學的誤解,其實現代生活的衣食住行有很多都建立在化學的基礎上,比如住的房子的塗層、各種各樣的藥品等等都離不開化學,在人類的發展中,化學也是一直扮演著非常重要的作用,為什麼大眾會對化學有誤解?新一代的科學家也要反思,化學在帶來科技進步、給大眾的生活帶來便利和美好的時候,確實存在廢水、廢氣等汙染的問題,一些化學反應確實是有汙染的。原來建立的科學體系可能需要重新審視,需要重新建立一套新的標準體系,尤其是化學體系,新的體系將更為精細和綠色,新舊體系的轉換是一個循序漸進的過程,也希望能有更多的人可以認識到這一點。

  廣州日報:關於硫,有什麼可以讓大眾有直觀感受的前沿的科學探究嗎?

  姜雪峰:比如說,空氣的四大汙染物之一就是二氧化硫,然而二氧化硫在有機功能分子裡是非常重要的,比如藥物中碸的結構,看起來好像是通過二氧化硫嵌入,如果我們能把空氣中的二氧化硫轉換成藥物中的重要的功能分子,那就可以變廢為寶了。

  小知識

  2019年是國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)成立一百周年,同時,化學元素周期表也將迎來它的150周歲生日,為了給它「慶生」,聯合國還宣布2019年為「國際化學元素周期表年」(International Year of the Periodic Table of Chemical Elements,簡稱IYPT)。

  為了慶祝2019年這兩場國際化學界的盛事,IUPAC與International Younger Chemists Network (IYCN)決定以「青年化學家元素周期表」的形式,向世界介紹118位優秀青年化學家,並最終形成一張「青年化學家元素周期表」。入選的青年科學家將覆蓋與化學相關的多種工作崗位(科研、教育、科普等)和創新領域,代表化學學科在下一個百年的發展方向,體現IUPAC的使命與核心價值觀。

(責編:袁菡苓、高紅霞)

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    年獲化學博士學位;1866年任彼得堡大學普通化學教授,1867年任化學教研室主任;1893年起任度量衡局局長,1890年當選為英國皇家學會外國會員。門捷列夫在批判地繼承前人工作的基礎上,對大量實驗事實進行了訂正、分析和概括,總結出這樣一條規律:元素(以及由它所形成的單質和化合物)的性質隨著原子量(現根據國家標準稱為相對原子質量)的遞增而呈周期性的變化,既元素周期律;根據元素周期律編制了第一個元素周期表,把已經發現的63種元素全部列入表裡,從而初步完成了使元素系統化的任務。
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