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化院百年专辑(一)| 砥砺漫漫,薪火相传

发布者:王天悦发布时间:2020-05-06浏览次数:41

      自1920年南京高等师范学校独立设置化学系以来,澳门电子化学学科已走过百年历程。秉承“诚朴雄伟,励学敦行”的校训,以及“严谨、求是、创新、奉献”的优良传统,由化学学科发展而来的澳门电子化学化工学院,已经成为蜚声海内外的人才培养和科学研究基地。百年砥砺,薪火相传,一代代化院人风雨无阻,勤勉前行,在中华民族复兴之路上留下了浓墨重彩的篇章。

      值此百年华诞之际,世界顶级科学期刊Nature推出澳门电子化学化工学院宣传特刊,于4月30日在线出版。专刊用6个版面全方位展示了学院在合成化学、理论计算、测量化学、生物医学、新材料、应用化学领域的重大科研进展及社会贡献,向国内外彰显了学院一流的科研水平。

      Nature院庆特刊专题链接: 

      Nature科研微信推送链接: 

   以下附原文的中文编译,内容难免有不准确之处,仅供参考。


探索创造复杂分子的新方法

      合成化学日新月异将复杂分子的设计与合成变为现实,推动了医药、材料和能源等领域的快速发展。碳氢官能团化反应是将分子中碳氢键直接作为反应位点,具有众多优点,是一类极具吸引力的化学转化方式。澳门电子化学化工学院致力于发展新方法推动合成化学的发展,特别是在碳氢官能团化领域。

烯烃作为一类大宗化学品,实现其区域选择性官能团化意义重大,但极具挑战性。朱少林团队发展了一种镍氢催化烯烃“链行走”策略,实现一系列烯烃远程的碳氢官能团化反应。该发现无疑将促进其它形式的远程官能团化,并开发出相关不对称催化模式。

      考虑到金属催化剂的价格与毒性,发展无金属碳氢官能团化势在必然。近期,史壮志团队在芳(杂)环无金属导向碳氢硼化方向取得重要突破,关键是发现了三溴化硼既作为硼源也是反应的催化剂。由于三溴化硼是一种廉价易得的化工原料,也是最便宜的硼试剂之一,可以公斤级的大量购买,因此该方法极具吸引力。反应可在温和条件下高效地合成各种硼试剂,用于天然产物和药物骨架的合成。

      朱成建团队致力于开发温和条件下的碳氢官能团化方式,发展出光催化诱导策略。与谢劲合作,他们也实现了羧酸和烯烃脱氧成酮,以及羧酸和氘水制备氘代醛的转化。这些方法在药物合成领域具有广阔的应用前景。此外,俞寿云团队基于光诱导羟胺衍生物产生氮中心自由基,发展了一系列转化。

      合成化学家在全合成以及金属有机领域也取得突破。姚祝军团队实现了一系列具有生物活性的复杂天然生物首次全合成。他们的策略在合成抗癌活性生物碱中显得高产高效,为相关药物的经济性合成指明了方向。此外,朱从青团队通过简洁策略实现了一系列含铀-金属多重键杂金属簇的合成,并发现了第一例具有f区金属-金属三键配合物。

挑战理论计算极限

      分子模拟和电子结构计算对于从微观角度理解化学体系的各种行为至关重要。但是,传统的理论方法由于计算量昂贵,目前尚难以大规模应用于大体系或者复杂体系的计算模拟研究。例如,传统量子化学方法只能计算几十到上百个原子的中等大小分子体系的基态电子结构。为了克服这样的困难,由黎书华、李伟、马晶教授牵头的团队提出了基于能量的分片方法和“分子中的簇”局域相关方法,使得高效计算几千个原子的复杂分子的结构、性质和反应性变得可能。马海波教授等人也实现了大分子体系和分子聚集体中的激发态高效计算,促进了有机太阳能电池等体系中光物理化学过程的微观机理研究。针对量子反应动力学,谢代前教授团队改进了耦合态近似,可以更好地描述分子碰撞动力学。他们的方法在不损失精度的情况下大大了节省计算成本。胡文兵教授团队发展了高分子结晶的分子模拟方法,并被用于帮助阐明高分子链折叠的基本原理。这为理解蛋白质的折叠、错误折叠与解折叠提供了一个理想的物理模型。

突破化学测量极限

      澳门电子的研究人员致力于改进化学测量工具,以鉴定细胞内未知的分子事件。通过测量细胞中的分子事件,为癌症的诊断和治疗做出贡献。细胞是生命结构和功能的基本单元。细胞中的有序性和复杂性类似于一个小宇宙。了解物质和能量如何在“单细胞宇宙”中的转移和转换,将扩展我们对生命起源和进化、疾病机制等重要问题的认知。分析化学提供了由测量而得的实验数据,提高了对化学世界认识的精度和深度。改进化学测量工具是澳门电子一支多学科团队的研究目标。由中国科学院院士、美国化学会会士陈洪渊、澳门电子长江特聘教授徐静娟领导的研究团队开发出了一种全新的“单细胞时空分辨分子动态分析系统”,用于解读单个活细胞内的分子事件。“我们已经整合了我们在电化学、光学光谱和质谱方面的优势”,陈洪渊院士介绍。团队成员江德臣开发了一种用于单细胞电化学分析的“纳米试剂盒”,能够测量单细胞和亚细胞器内的活性生物分子。另一团队成员康斌首次测量了单个活细胞内的热量传递和耗散,有望揭示驱动活细胞内分子运动的热力学规律。陈洪渊院士还因其杰出的科研成就和激励年轻科研人员的卓越贡献,荣获2015年度Nature杰出导师奖。这些实验结果得到了徐静娟教授及同事所开发的具有超高空间分辨率的单细胞成像质谱仪的支持。

      发展原位分析方法来测量细胞内的生物分子事件是澳门电子长江特聘教授鞠熀先所领导团队的主要目标。经过几十年的电学分析、纳米生物传感、生物成像、生物分析化学和信号放大策略设计的积累,鞠熀先团队现在专注于细胞功能分子的原位分析,以提高癌症的诊断和治疗水平。鞠熀先教授和他的同事已经开发了一系列的方法来原位定量检测细胞表面的多糖以及细胞中的基因和酶,这些分子介导了各种各样的生物过程。结合局部重塑和分层编码策略,他们创造了多种蛋白质特异性糖型的活细胞图像,对于理解生理或病理过程有至关重要的意义。

      澳门电子的电化学专家龙亿涛教授致力于纳米孔电化学,专注于单分子的电化学测量。龙亿涛教授介绍:“单一生物分子界面可以设计出具有原子精确性的电化学纳米限制来识别单一分子”。经过多次试验,他的团队创造了具有可控区域的溶血素纳米孔的独特传感界面,以快速实现高空间和高时间分辨率。通过这些成孔界面,利用创新的纳米孔传感机制和先进的电化学仪器,可以直接检测、鉴定和定位重要生物分子。龙亿涛教授和他的同事们还在电光单分子传感和测序方面发现了令人兴奋的可能性。

      单分子水平上的电子转移测量技术是生物过程原位研究的关键。朱俊杰团队开发了一种超灵敏的电化学显微镜来降低检测极限,从而能够在单分子水平上测量电子转移。

 生物医学的发展促进化学研究,产生化学新工具

      化学及其与生物学融合的快速发展见证了生物医药创新的巨大飞跃。在澳门电子化学化工学院,研究人员通过对金属化学生物学、生物传感与诊断分子探针以及药物递送生物材料等方面的研究,促进了生物医学新工具的发展,从而推动了基础与临床转化研究。

      金属离子参与了生命体中许多重要的生理和病理过程。精确检测生物体内的内源性金属含量并了解它们的生物学功能,能极大的推动金属药物的开发。鉴于铂类药物在肿瘤治疗中广泛应用,中科院院士、澳门电子化学化工学院教授郭子建率领的研究团队通过研究这些铂类药物在肿瘤细胞内的作用机制,设计、合成了具有新颖结构的金属铂配合物,其中一些能够选择性靶向到线粒体并引发肿瘤细胞死亡,这些新化合物将有助于提高抗肿瘤药物的疗效并克服顺铂等化合物的耐药性问题。郭子建院士的团队还开发了一系列荧光探针用于检测活细胞中锌、铜、铁等金属离子的含量,从而能够实时追踪金属物种在细胞内的定位和动态分布。近期,郭子建院士创立了澳门电子化学和生物医药创新研究院,通过整合化学、生物、医学等不同学科的课题组,开展化学基础与生物医学应用研究,从而加速生物医学的发展。

      受到金属酶作用机制的启发,澳门电子化学化工学院赵劲教授通过设计人工酶来模拟金属酶促催化反应,发展了一种新颖的生物无机混合系统,实现有氧条件下的光催化制氢。

      刘震教授的研究聚焦于分子印迹聚合物,这类聚合物能够识别从单糖和蛋白质到翻译后修饰蛋白质等生物分子。刘震教授发展的分子印迹聚合物在模拟天然抗体和凝集素功能的同时,提高了其稳定性、特异性和可重复性,并降低了成本,实现了从单细胞分析、疾病诊断到癌症纳米治疗的一系列重要生物医学应用。

      能够实现组织乏氧状态检测的化学探针对于肿瘤及其他疾病的早期诊断和治疗效果的评估具有重要意义。蒋锡群教授率领的团队基于具有较强磷光特性的铱配合物和生物相容的聚合物,发展了非侵入性成像肿瘤乏氧微环境的探针,能够高灵敏地检测原发性和转移性肿瘤。该探针甚至能够在小鼠模型中检测早期形成阶段的肿瘤病灶,为癌症早期诊断提供了有力的工具。这些探针能够进一步应用于成像引导的肿瘤手术与治疗效果监测。利用生物相容性的铁电高分子聚合物,蒋锡群教授和沈群东教授合作开发了全有机柔性仿生视网膜。该视网膜已经被植入兔子、大鼠和恒河猴体内以替换受损的感光细胞层,并被证明能够实现光强识别、颜色认知,甚至实现夜视和超分辨成像。沈群东教授表示:“希望我们的人工视网膜能够为无数患有眼部疾病的患者带来光明”。

构建一个更美好的纳米世界

      材料是人类文明的基石。要了解材料的结构和组成,以便改进它们的合成方法和实现它们更广泛的应用,就需要创新的化学研究。澳门电子化学化工学院的化学家们致力于开发具有最佳物理或化学性能的新型功能材料,并将其应用于实际生产和生活。

      能源功能材料的设计是以胡征教授为首的澳门电子化学化工学院物理化学小组的研究重点。他说:“由于其多样化的结构和取向,碳材料在能源生产、转化和储存等方面得到了广泛的应用。在过去的35年里,纳米碳从富勒烯发展到石墨烯,最近环碳又成为了纳米碳研究的热点。胡征教授的团队以碳基纳米材料为核心,开发了一系列性质独特的介观结构碳纳米笼材料。与其它常规多孔纳米碳不同,他们开发出来的纳米笼具有大的内腔、高的比表面积和可调的电子结构,使其成为电池中电极的理想选择。其分层多孔结构和导电支架有利于物质传输和电荷转移。这些碳基纳米笼及其衍生物复合材料在能源转换和储存中显示出巨大的潜力。

      信息技术的飞速发展激起了人们对多功能光电材料的需求。兼具电性和磁性的材料由于其在分子自旋电子学中的潜在应用更是备受关注。由左景林教授领导的分子光电材料研究团队已经制备出了新型的共轭配体。利用该配体可以进一步制备可望用于分子电子学器件的金属配合物。例如,他们制备了具有氧化还原活性和超质子导电性的金属配合物,并证实这类材料存在一种新的“离子/赝电容耦合”导电机制。左景林教授的团队还开发了基于氧化还原活性配体的Fe(II)配合物。该配合物可用于制备光控和电控的自旋转换材料,为新的分子电子学和磁性器件奠定了基础。

      自修复材料能够自动检测和修复裂纹,因而能够延长材料的使用寿命,提高安全性,并减少废弃物。其重要的研究价值引起了由李承辉教授领导的研究小组的兴趣。受天然生物材料本征自修复特性的启发,李承辉教授的团队利用配位键的独特性质,设计合成了许多具有优异力学性能和自修复性能的高分子材料。这些新型自修复高分子具有高弹性、高韧性和刚性,可广泛应用于电子、航空航天或国防工业中的粘合剂、密封剂、涂层、以及封装材料。

      基于超分子自组装的功能材料是澳门电子化学化工学院研究人员的另一个关注点。王乐勇教授和胡晓玉教授领导的研究团队致力于应用超分子化学开发智能材料。他们开发了一种超分子纳米复合水凝胶膜,可用于热致变色智能窗。该膜可自动调节环境温度,加热时可由透明变为不透明,从而保持舒适的室内温度,同时节约能源。研究小组还设计了一种模拟自然光合作用的采光系统。

化学研究成果正转化为节能技术、提升效益

      从石油炼制到医药开发、废水处理等各个工业领域,化学反应是最核心的驱动力。澳门电子化学化工学院开发了许多加速反应进程的技术,为系列工业过程提升了生产效率、并产生了巨大的效益。

      化学化工学院张志炳教授开发的微界面强化反应技术(MIRT)充分展示了具有应用化学背景的科研人员如何将研究成果转变为对社会和工业具有重要价值的技术。化学化工学院院长黎书华教授评价道:“我们通过推进绿色化学及节能相关的基础研究及技术开发,创造了社会效益。”

      在石油炼制领域,渣油的催化加氢通常是在高压浆态床中进行(压力:16-25MPa),实现这一过程需要巨大的设备投资、大量的能量消耗,同时工业生产面临严重的安全风险。张志炳教授团队开发的微界面强化反应技术可以显著提升反应速率,以此实现了极低压力(4-6MPa)下百万吨级渣油高效加氢。相比传统工艺,过程节能降耗超过10%,减少CO2排放20%。微界面强化反应技术在非均相反应体系仍然适用,包括烷基化反应、羰基化反应、以及废水处理。目前,以上技术已经在许多化工企业得以合作推广。

      化学化工学院丁维平教授致力于开发介尺度催化剂来加速反应过程。基于酶催化的原理,丁维平教授团队开发了许多适于工业应用的高效催化剂,包括选择性氧化或加氢催化剂、低铂燃料电池催化剂。

      化学化工学院开发的另一个节能技术带来了高效的聚合过程。在材料加工领域,聚合反应是仅次于金属冶炼的第二大能源密集型工业过程。为了获得流动性,塑料聚合物通常需在高温下进行处理。举个例子,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)需经过吹塑成为各种容器,比如饮料瓶制作需红外线加热。可是,PET几乎不吸收红外光,从而限制了加热效率。

      由薛奇和周东山教授领导的研究团队设计了一种中空的、具有高红外吸收能力的微颗粒,经过适当的颗粒亲水性修饰,这种微颗粒能牢牢的粘附在PET聚合物链上。仅需在PET中添加少量这种微颗粒,就可以显著提高加热效率,从而降低过程能耗25%、缩短过程时间26%。以上饮料瓶通过了FDA认证,使得这一节能型PET获得许多跨国公司的广泛使用,包括可口可乐、百事可乐等。考虑到世界范围内每年会使用大量的PET饮料瓶,这种新型PET的开发将带来显著的节能效果、并大幅减少全球CO2排放。

      化学化工学院研究人员开发的技术也被应用到电子工业。由孙祥桢和潘毅教授领导的团队开发了一系列高纯有机金属化合物,这些有机金属化合物中碳原子直接和金属或类金属元素成键。由于此类化合物具有几乎100%的纯度,他们开发的化合物在半导体工业中被广泛用作电化学材料。学院将自主知识产权成果转移,成立江苏南大光电材料股份有限公司,已在深交所创业板成功挂牌上市。

      承继百年卓越与使命,开启学科建设新征程。化学化工学院将继续弘扬传统,开拓创新,朝着研究型、国际化的目标迈进,争取早日进入世界一流学科的前列!

       (文字来源:南大新闻网   责编:发展委 吴迪)