打開殷亞東實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)站主頁，映入眼簾的不是最新的研究成果，而是一幅幅精美的“畫作”：有傲然挺立的梅花、有結(jié)滿果實(shí)的西瓜藤，還有高爾夫球、珊瑚礁、崇山峻嶺……

電鏡下的納米材料結(jié)構(gòu)圖像：梅花香自苦寒來

了解后才發(fā)現(xiàn)，這些五彩斑斕的畫作并非由畫筆繪成，而是顯微鏡下的納米粒子，它們經(jīng)過組裝后，呈現(xiàn)出了各種樣貌。

“科研有時(shí)候很單調(diào)，我希望大家能從中找點(diǎn)樂子。”因此，殷亞東總是鼓勵(lì)同學(xué)們，拍下實(shí)驗(yàn)中有趣的畫面，特別在實(shí)驗(yàn)不順利的時(shí)候。

殷亞東是美國加州大學(xué)河濱分校教授。17年來，經(jīng)他實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的碩博生、博士后、訪問學(xué)者中，有60位在國內(nèi)外高校、科研機(jī)構(gòu)中擔(dān)任正副教授、研究員。2011年，他入選湯森路透集團(tuán)發(fā)布的10年來“全球頂尖一百化學(xué)家榜單”，并且還在“全球頂尖一百材料科學(xué)家榜單”中排名第二。

近日，他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在Science雜志發(fā)表論文，首次證實(shí)磁場分布具有手性，開發(fā)出了利用納米粒子在磁場中組裝以創(chuàng)建手性結(jié)構(gòu)的新方法。這可以廣泛應(yīng)用于各類納米材料中。

“如果說這項(xiàng)研究有什么偶然性，那就是我遇到個(gè)優(yōu)秀的博士生——李志偉。”殷亞東對《中國科學(xué)報(bào)》說。

殷亞東（左）和李志偉

辛勤耕耘17年，研究結(jié)論6個(gè)字

在這篇Science研究發(fā)表之前，殷亞東已經(jīng)在納米材料磁性組裝領(lǐng)域耕耘了17年。

概括來說，他和團(tuán)隊(duì)一直在做兩件事：“制造士兵”和“排兵布陣”。

前者是不斷制備新型納米材料顆粒，如各類金屬和氧化物納米顆粒。后者即是組裝，根據(jù)材料特性和實(shí)際需要，將納米顆粒放置到合適的位置，使之形成新的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)特別的功能。

從化學(xué)角度出發(fā)，他們希望能夠?qū)崿F(xiàn)“自組裝”：制備出納米顆粒后，讓它們“自動(dòng)找到同伴”，按照abcd……排列整齊。

這也正是其困難之處。想象一下，讓兩條漂浮在太平洋上的小船互相找到彼此的難度。如果有n條小船呢，如何能讓它們根據(jù)指令排兵布陣？

磁性組裝就是個(gè)好辦法。“拿一塊磁鐵，可以把散落各處的釘子都吸起來。如果將不同的納米顆粒附著在氧化鐵材料上，納米粒子就可以被磁場排排坐。通過改變磁場大小，這些納米顆粒就會(huì)呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。”殷亞東說。

比如經(jīng)過磁性組裝的納米顆粒會(huì)形成具有周期性的長鏈，使光發(fā)生衍射，形成光子晶體材料。如果將其嵌入鈔票中，遇見磁鐵就會(huì)變色，這可以應(yīng)用于防偽標(biāo)識、防偽涂層中。再比如化學(xué)物質(zhì)檢測，將檢測液滴在相應(yīng)的光子晶體上，根據(jù)其顏色變化可以判斷是否存在某種物質(zhì)。

提到課題組最近發(fā)表的Science論文，其結(jié)論一點(diǎn)都不復(fù)雜，甚至6個(gè)字就可以概括：磁場是手性的。換言之，磁場沿中軸線的分布，就像我們的左右手一樣，互為鏡像，但又無法完全重合。

根據(jù)這一特性，研究人員就能通過磁性組裝，使任何材料在分子到納米的尺度上快速形成手性結(jié)構(gòu)。

這意味著，在短時(shí)間內(nèi)，太平洋上那無數(shù)條隨意漂浮的船只，可以在磁場作用下，按照手性分布排列整齊，無論是巨型游輪，還是小木船。

殷亞東

花5年把磁場刻進(jìn)腦子里，臨畢業(yè)迎來“靈光乍現(xiàn)”

既然是如此簡潔明了的結(jié)論，為什么大家都沒想到，偏偏是第一作者李志偉“吃”到了第一口螃蟹呢？

這還要從幾年前說起。2014年，李志偉從蘇州大學(xué)碩士畢業(yè)，來到加州大學(xué)河濱分校，跟隨殷亞東讀博。對于李志偉來說，從生物化學(xué)轉(zhuǎn)向純化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、聚焦于磁性組裝方向是全新的體驗(yàn)。

在讀博5年半的時(shí)間里，李志偉都致力于合成納米材料，再將不同形貌、不同大小的納米材料利用磁性組裝成復(fù)雜結(jié)構(gòu)，賦予不同的功能。用他的話說：“幾年的積累，讓我把磁場刻進(jìn)了腦子里，無論想到什么問題，都會(huì)自然地把它和磁場聯(lián)系在一起。”

臨近畢業(yè)，他終于迎來了“靈光乍現(xiàn)”的時(shí)刻。

當(dāng)時(shí)，李志偉讀到了一些關(guān)于手性現(xiàn)象的文獻(xiàn)，了解到手性在自然界中廣泛存在，比如DNA、氨基酸的分布等。有趣的是，如果某一手性分子結(jié)構(gòu)作為藥物療效很好，其鏡像分子結(jié)構(gòu)的化合物往往無法與目標(biāo)分子結(jié)合，對治療無效，甚至可能成為“毒藥”。

讀著讀著，李志偉自然而然地想到，“磁場會(huì)不會(huì)是手性的？”他隨即開始檢索文獻(xiàn)，卻發(fā)現(xiàn)一片空白。

很快，這個(gè)剛冒出來的念頭幾乎被消滅了：“這聽起來很簡單，又很不可思議。如果磁場分布也遵循手性，那這么多年，前人為什么沒發(fā)現(xiàn)？”

就這樣，在畢業(yè)答辯的壓力下，他將這個(gè)想法擱置下來。

時(shí)間來到2020年，受疫情影響，李志偉最終決定繼續(xù)在本實(shí)驗(yàn)室做博士后，空閑下來的他開始著手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

當(dāng)他用磁性納米棒復(fù)制了磁場的空間分布，很快測量到了圓二色（CD）光譜，這提示著永磁體的磁場分布具有手性。“我就像發(fā)現(xiàn)了新大陸一樣，非常興奮！”李志偉說。

后來，他們又將手性結(jié)構(gòu)通過納米粒子的磁性組裝轉(zhuǎn)移到了各類材料中，包括氧化物、半導(dǎo)體、聚合物、小分子和熒光納米材料等。

“通過對手性的調(diào)節(jié)，可以制造更復(fù)雜的光電器件，也可用于快速檢測與某些疾病相關(guān)的手性或非手性分子，例如癌癥和病毒感染。”李志偉說。

李志偉（左一）和家人在一起

享受單調(diào)的科研生活，給自己找點(diǎn)樂子

回顧李志偉的科研成長經(jīng)歷，殷亞東表示：“他讀博的前兩三年，都沒做出特別好的結(jié)果，一直處在打基礎(chǔ)、準(zhǔn)備起跑的狀態(tài)，和大家的差異也不明顯。但從第3年起，他便做出了一系列很有意思的工作。而且越到后來，他越表現(xiàn)出有獨(dú)特的思考和想法，而非僅僅完成某個(gè)任務(wù)。”

“只有將基礎(chǔ)打牢，不會(huì)犯基本錯(cuò)誤的時(shí)候，作為導(dǎo)師才可以為他搭上更高的平臺。如果學(xué)生在基本實(shí)驗(yàn)層面還需要導(dǎo)師幫著一點(diǎn)點(diǎn)分析的話，導(dǎo)師就很難有用武之地了。”殷亞東說。

因此，殷亞東多年來指導(dǎo)學(xué)生的一個(gè)秘訣就是：花時(shí)間去觀察學(xué)生處于哪個(gè)階段，在不同階段給予其相應(yīng)的指導(dǎo)幫助。

臨到畢業(yè)時(shí)，殷亞東還會(huì)和每個(gè)學(xué)生進(jìn)行一次“促膝長談”，細(xì)數(shù)他們擁有的武藝，如產(chǎn)生想法的能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、實(shí)驗(yàn)操作能力、完整表達(dá)結(jié)果的能力等。經(jīng)過剖析之后，學(xué)生對自己了解得更清楚，在未來的工作學(xué)習(xí)中也會(huì)更有針對性。

截至目前，經(jīng)殷亞東實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的碩博生、博士后、訪問學(xué)者中，有60位在國內(nèi)外高校、科研單位里擔(dān)任正副教授、研究員。

在殷亞東實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站主頁的最上方，“Science as Art”幾個(gè)詞赫然醒目。在他看來，大家做出的材料結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，在電鏡下會(huì)呈現(xiàn)出獨(dú)特之美，“很多時(shí)候我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能不盡如人意，但希望學(xué)生能留意到它展現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)之美。”殷亞東說。

電鏡下的納米材料結(jié)構(gòu)圖像：晶瑩剔透的花

這些年，學(xué)生們拍下了許多有趣的畫面，這些“畫作”也多次獲得美國材料學(xué)會(huì)“科學(xué)即藝術(shù)”獎(jiǎng)項(xiàng)。

“做科研并不容易，有的時(shí)候很單調(diào)，也很枯燥，但希望能盡量給自己找點(diǎn)樂子。無法享受過程的話，怎么能做出好東西呢？”殷亞東對《中國科學(xué)報(bào)》說。

相關(guān)論文信息：

DOI：10.1126/science.adg2657

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