「明星」pi-分子養成記｜「率先行動」計劃

2020-09-04 中國科學報

作者 | 甘曉

大多數分子中，電子的運動總會束縛在原子周圍，就像地球總是在固定軌道上圍繞太陽運動。

「pi-分子」是特殊的一類，碳原子之間或者與雜原子之間通過一定方式互相連接後，讓電子能夠在「離域軌道」上自由「奔跑」。

對科學家而言，pi-分子的這一特點，為創造各式各樣新奇性質，提供了無限可能。

在中國科學院「率先行動」計劃支持下，中國科學院化學研究所（以下簡稱化學所）聯合長春應用化學研究所、上海有機化學研究所以及微電子研究所等多家單位，圍繞pi-分子體系開展深入研究，創造出一批「明星」分子，引領了分子材料和器件研究，奠定了柔性光電子應用的核心物質基礎。

今年8月，這項成果入選中國科學院「率先行動」計劃第一階段59項重大科技成果及標誌性進展。

勇攀科學高峰

2014年5月22日，中國科學院戰略性先導科技專項（B類）「功能pi-體系的分子工程」（以下簡稱先導專項）在化學所啟動，由中國科學院院士朱道本和萬立駿擔任首席科學家。

當時，「率先行動」計劃啟動實施不久，先導專項是其中一項重點工作。

「從事基礎研究要勇於開展原始創新，瞄準別人沒有做過的新方向。」朱道本經常這樣鼓勵後輩。

上世紀80年代，朱道本帶領化學所研究團隊與德國科研人員通力合作，研究了二維有機導體的熱電性質。

和已經投入應用的無機熱電材料不同，有機熱電材料具有溶液加工性、柔韌性和低熱導率等優勢，能夠極大地拓展這類材料的應用範圍。

多年來，研究人員在不同歷史方位下，不斷開拓有機熱電材料研究的新疆界。

在「率先行動」計劃支持下，他們多次刷新代表熱電性質的「熱電優值（ZT值）」紀錄，並製備出ZT值最高的n型分子熱電材料。

同時，率先研究了共軛分子熱—電可逆能量轉換關係，首次實現了有機熱電薄膜的自供電傳感和帕爾貼製冷。

石墨炔是碳材料家族中冉冉升起的明星成員。

2010年，化學所研究員、中國科學院院士李玉良帶領課題組創造性地採用化學合成的方法，成功製備出石墨炔薄膜。

這是世界上首次通過化學方法設計合成獲得的全碳二維材料，也是地地道道的「中國牌」碳材料。

當前，圍繞pi-分子科學前沿，有機拓撲絕緣體、有機熱電、有機超導等新方向的藍圖已經繪就，研究人員勇攀科學高峰的決心更加堅定。

「21世紀的化學，將呈現多元化和高度交叉的發展趨勢，中國學者應充分把握好分子電子學領域自主創新的機遇。」朱道本強調。

打造酷炫未來

pi-分子體系能輕鬆實現光電轉換、電光轉換、熱電轉換、分子螢光、化學信號響應等功能，有著極具想像力的未來應用。

在「率先行動」計劃和先導專項的支持下，研究人員大開腦洞，圍繞有機半導體、有機光伏、有機納米雷射、有機薄膜電晶體等打造酷炫「黑科技」。

例如，基於高載流子遷移率的有機/聚合物半導體，研究人員創造出一批多功能有機場效應電晶體（OFET）——實現超靈敏壓力感測的新型柔性浮柵OFET（SGOFET）有望應用於可穿戴醫療設備和壓力測繪技術，仿生物突觸的壓力傳感器OFET則在人工智慧元件中顯示出廣闊前景。

這些材料器件可被做成化學傳感器、壓力傳感器、光電探測器等，用在不同場景下的感知系統中。

而在有機光伏材料上，研究人員則針對室內應用的低功耗、離網電子產品的能源供應研發出新的有機光伏電池，在室內光源連續照射超1000小時的情況下，依然可以保持其初始效率。

對有機納米雷射材料的未來，科學家的目標是「視覺革命」。

化學所研究員趙永生介紹，在掌握有機納米雷射在化學反應層面的規律後，他們克服了傳統半導體材料在同一基板上生長和圖案化的困難，製備了具有像素化微雷射陣列的全彩色雷射顯示面板。「全色域、高亮度、極限高清、真3D——未來不是夢。」他說。

此外，中科院微電子所科研團隊在新的遷移率模型下，製備出在商業上具有重要價值的有機射頻標籤。

在科學家們看來，這些基礎研究成果形成了一批具有自主智慧財產權的柔性器件製備和集成技術，有望引導我國有機電子產業的興起。

營造寬鬆氛圍

許多參與先導專項的科研人員的體會是，立足世界科學前沿，同時以未來應用為牽引，是先導專項能夠獲得成功的關鍵。

不僅如此，他們還在從事基礎科研的寬鬆、穩定環境中大獲裨益。

化學所研究員狄重安深有體會。他從2010年開始從事有機熱電方向的研究，由於該領域的前沿性，使其面臨相關科研儀器缺乏的困境。

「朱道本先生常說，做基礎研究要先有方向，再開展研究，並且強調要面向未來而不是面向當下去部署方向。」

他說，「所以我開始做有機熱電時它是非常前沿和極具挑戰的方向，很多研究設備都沒有。」

從頭開始搭建平臺、研製儀器，研究工作不得不緩慢進行。

2010年開始的一項研究，直到2015年才得以完成並發表。

幾年下來，狄重安感受到研究所層面對他所從事的創新研究的大力支持。

「所裡以儀器設備研製等形式對新方向予以重點資助，讓我們沉下心來做研究。」他告訴《中國科學報》。

化學所所長張德清表示，化學所一直堅持原始創新的初心，已經形成利於基礎研究的良好風氣和氛圍。

「世界新科技革命發展的勢頭迅猛，作為重要基礎科學的分子科學，正在孕育新的重大突破，我們力爭為實現核心pi-分子體系的跨越發展提供一片沃土。」

《中國科學報》 （2020-09-04 第1版 要聞）

編輯 | 趙路

排版 | 郭剛

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