近日，電子科技大學光電科學與工程學院2017級本科生薛國棟在中科院分區一區期刊《Chemical Communications》（《化學通訊》）上發表題為「Understanding the Nature of Quinoidal and Zwitterionic State in Carbazole-Based Diradicals」（探究咔唑雙自由基中醌式與內鹽共振結構的性質）的研究成果。薛國棟為第一作者，光電科學與工程學院鄭永豪教授、胡曉光博士為通訊作者。電子科技大學為第一完成單位。
這項研究成果解決了怎樣的問題？研究的背後他付出了怎樣的努力？研究完成後，又有怎樣的體會和感受？在與這位大三本科生的交流中，我們找到了答案。
在自然科學裡，分子中的未成對電子，被稱為「自由基」。如何有效調節它們的性質，成為一項富有意義但充滿艱難的任務：一方面，可控的自由基分子在有機電子學、自旋電子學等領域有著巨大的應用價值；另一方面，調控稍有不慎會使得分子失去穩定性而極易變質。面對這個難題，薛國棟給出了他的方案：改變自由基的位置，分子性質大不相同。
一場「與火焰的舞蹈」
魔術師常常向觀眾展示手中的火焰，它們看起來危險，同時也令人著迷。自由基就如同魔術師手中的火焰，處理不當就會使得分子失去穩定而變質，但是它們又擁有光電磁種種優異的性質，在有機太陽能電池、自旋電子學以及非線性光學等領域有出色的應用價值。
特別是擁有兩個自由基的分子，存在「開殼」與「閉殼」兩種共振形式，在穩定性方面表現突出，令無數科學家「觀眾」心向神往。怎樣高效調節含有自由基的分子特性，成為這個領域所研究的熱門話題。
薛國棟近日發表在Chemical Communications上的研究成果提出了他對於這場「火焰舞蹈」的獨特見解：將自由基所在位置改變，改變「兩團火焰」相會的路徑，將產生兩種性質迥異的分子。一種表現為更為「溫和」，另一種則表現為更為明顯的自由基性質，從而它們的光電磁性質得到了有效調控。
據薛國棟介紹，這項研究更為偏重基礎性，從實驗和理論兩個角度出發驗證結果，對於當下快速發展的自由基分子研究具有重要意義：「在雙自由基分子中，通常存在醌式與內鹽式兩種『路徑』，他們對於分子的性質有很深刻的影響，雖然過去一些已發表工作對這兩種『路徑』有做過探討，但是始終缺少對二者系統性的研究。」
「我們的工作就是針對這一點設計合成，通過理論計算的方式，從自旋-自旋耦合作用，開殼-閉殼結構能量差和分子偶極矩三個方面，對兩種『路徑』的差異做了詳細分析，最終提出了普適性的結論。這對未來自由基分子的設計以及化學鍵內在性質的理解具有指導意義。」
審稿人對於這項工作予以很高的評價：「兩種分子的物理性質得到完整的表徵與詳細的分析，並最終將結論推廣到碳基、氮基和氧基咔唑雙自由基分子中。這是一項完整總結的，對於當下高速發展的開殼分子領域有著重要意義的工作。」
一場「痛並快樂的旅途」
本科期間就在國際高水平期刊發表研究成果，讓許多人對薛國棟刮目相看。但在開展研究的過程中，卻充滿了艱難。從項目開始到論文發表，整整經過了兩年時間，對於這段歷程，薛國棟說：「做科研的過程是一個痛並快樂的過程。」
薛國棟所在的實驗室位於沙河校區，薛國棟上課與住宿則在清水河校區。兩年多的時間，幾乎每個周末，他都需要坐校車或者396路公交車來回奔波，一個來回就需要2、3個小時。「很多時候周末比上課更累。」薛國棟說。
前沿材料探索實驗室團隊合影
談起最艱難的時刻，他說：「最灰暗的時候並不是身體上的疲勞帶來的，而是實驗失敗或結果不理想等項目沒有進展的時候。」
從分子的設計、合成到表徵，再到論文的寫作，對於他而言，沒有一個過程是輕鬆的。面對這些困難，薛國棟說：「要始終保持一顆甘坐冷板凳的心，科研是一場修煉，也是一場歷練心路的旅程。每一個人的經歷都具有不可複製性，所謂可能與不可能之間並沒有嚴格的分界，要將其他人的議論拋在耳後，不斷學習完善自己，將『慢工出細活』幾個字銘記於心。」
越過陰霾，必然會有柳暗花明。在論文的核心部分不斷完善，實驗也取得很大進展的時候，收穫就在眼前：「最開心的時候就是當我揭示了現象背後的潛在規律的時候，這才是科研真正的樂趣所在。在得知論文被接收的那一刻，我並沒有感到很震驚，因為在我看來這就是一個水到渠成的過程。」
一場「入門科研的修煉」
從大一加入課題組，到大三在國際高水平期刊發表研究成果，這個過程離不開鄭永豪教授的幫助與鼓勵。「鄭老師教導我的不僅僅是怎樣完成整個項目，更重要的是一種對待科研的方法態度。」
大一時，鄭永豪教授就督促薛國棟廣泛閱讀外文文獻並定期做匯報，這為後來論文寫作和知識面拓展打下了紮實的基礎。對於科研，鄭老師更強調的是興趣導向。在薛國棟印象裡，「有很多次我都與鄭老師探討學術問題到很晚，哪怕是一些腦洞大開的想法。後來在我最心灰意冷的時候，他會用個人的經歷勸導我要甘坐冷板凳，只有不斷地磨礪自己，才能在科研的道路上走得更遠。」
談到未來的規劃，薛國棟說：「我在科研方面才剛剛入門，有很多不足，還有很多東西等著我去學習。在老師與師兄師姐們的幫助下，我種下了科研的小樹苗，這項研究只是這棵樹上結下的一顆果實。我不能滿足於現在所收穫的成績，也堅信自己能夠始終保持對於學術理想的不懈追求，獲得更有深刻意義的成果，讓自己的科研之樹枝繁葉茂，碩果纍纍。」
薛國棟說，鄭老師的課題組保持著活躍的氛圍，這段研究經歷將是自己一生中最為難忘的一段時光。「我很喜歡南仁東先生的一句話：大自然以他的廣袤與無垠，召喚我們跨過平庸。我希望自己能夠保持對科學的初心，踏踏實實地走下去。」
作者介紹
薛國棟，電子科技大學光電科學與工程學院2017級本科生。以第一作者身份在Chemical Communications發表研究成果。另外，以共同作者身份分別在Journal of Materials Chemistry C和Chemical Communications上發表研究成果。
鄭永豪，電子科技大學光電科學與工程學院副院長，教授，博導。2011年於英國杜倫大學取得博士學位，2011年至2016年先後在美國加州大學聖芭芭拉分校（合作導師：Fred Wudl教授）和美國萊斯大學（合作導師：James M. Tour教授）做博士後。2016年11月，加入電子科技大學，並成立前沿材料探索實驗室。鄭永豪教授主要從事自由基材料和有機共軛材料的設計與合成以及相關器件的研究。在Science、Advanced Materials、Angewandte Chemie、Journal of the American Chemical Society等期刊發表研究成果。
來源：電子科技大學