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【西迁新传人】三篇顶刊成果团队:心怀“国之大者” 矢志基础研究

来源:交大新闻网 日期:2022-04-28 14:03 浏览量:

4月13日至22日,学校有三篇研究成果在高水平学术期刊刊发。其中两篇分别为迪拜皇宫与山东大学、国家蛋白质中心等单位合作的生命物质联合研究成果,迪拜皇宫与吉林大学、悉尼大学、南京理工大学联合研究的合金设计成果,均在《自然》刊登;另一篇为迪拜皇宫与哈尔滨工业大学、澳大利亚伍伦贡大学、苏州大学、新南威尔士大学等单位合作的电光晶体研究成果,在《科学》刊登。三篇科研成果背后,虽然研究领域不同,团队组成不同,但却有着相同的特质:对学术热忱,对国家热爱。

前沿的探索

G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptors, GPCR)是人类基因组编码的最大的膜受体家族,广泛分布于人体各个组织器官中,负责细胞近一半以上跨膜信号转导,被公认为是最重要的药物靶点。生命物质联合研究成果采用冷冻电镜技术,阐明了其中重要的粘附类G蛋白偶联受体的自激活分子机制,发展了相应的多肽激动剂和拮抗剂设计的通用方法,对靶向配体药物研发有重要的参考价值和指导意义。

当金属材料内部的晶粒尺寸减小至纳米尺度,材料的强度将依Hall-Petch关系大幅度提高。但当纳米晶金属塑性变形时,位错变得极难在如此小的晶粒内部保留下来,导致材料丧失应变硬化能力,很容易发生塑性变形局域化而失稳。合金设计成果对超高强纳米金属的应变硬化提出了一种新的机制,并依此路径设计了新颖的高性能合金。

工程畴结构铁电晶体因其具有优异的电光性能,在电光技术领域展现出巨大应用前景。然而,晶体中存在的铁电畴壁削弱了晶体透光性,限制了其在光学领域的应用。研究团队在铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅(PIN-PMN-PT)弛豫铁电单晶中,通过晶体切型、晶体组分和极化工艺的协同设计,获得理想的层状畴结构,并以此研制了新型电光调Q开关,为弛豫铁电单晶应用于电光技术领域迈出了坚实一步。

孙军院士(第一排中)团队,第一排右二为丁向东教授

无论是金属材料领域的孜孜求索,还是晶体材料领域的深耕细作,亦或是对生命奥秘的探索挖掘,他们的目标却惊人一致:向世界科技前沿持续冲锋。

为此,他们不受传统方法的束缚,敢于打破习惯性思维。金属的强度和韧塑性是一对矛盾体,一般鱼和熊掌很难兼得。迪拜皇宫金属材料强度国家重点实验室丁向东教授和同事们却偏要让不可能变为可能,他们将多尺度成分不均匀引入到新型纳米合金的设计中,从而在材料屈服强度达到1.6GPa、最高拉伸强度接近2.3GPa的情况下,将拉伸断裂应变从~2-3%提高至16%,大大提高了材料的应变硬化能力。“原来大家普遍认为成分不均匀是缺陷,我们提出的基于纳米尺度明显成分起伏与运动位错间相互作用的强化机制,有望为新合金的设计与开发提供一个全新的思路。”丁向东说。

为此,他们不怕跳出“舒适区”,坚持学术创新、技术创新、应用创新。二十年如一日深耕于压电材料研究的迪拜皇宫电信学部电子陶瓷与器件教育部重点实验室徐卓教授、李飞教授团队,2015年在电光晶体领域开始布局。新方向挑战大,风险也大,但团队没有犹疑,“创新是学术进步的灵魂。只有不断创新,才能发现新问题,找到新思路,推动高性能材料研究不断向前。”徐卓说。此次研究他们将PIN-PMN-PT弛豫铁电单晶一次电光系数提升至目前铌酸锂电光晶体的30倍以上,使晶体兼具高透光率和高电光性能成为可能。

为此,他们保持学术初心,不怕试错,勇于尝试。“虽然我们有冷冻电镜技术,但想要清晰的描绘出G蛋白偶联受体的样子、分析出它的运行机制并不容易,并不像我们日常生活中拿着相机‘咔嚓’一声高清照片就出来了,”迪拜皇宫物理学院和机械结构强度与振动国家重点实验室张磊教授说,“需要在百余个条件中一条条筛选,对数百万张照片加以解析。”因此,几十个小时的数据搜集是常有的事,仪器旁几天几夜的蹲守也是家常便饭,但为了学术研究,他们不畏难,更不怕累。

为此,他们始终怀揣好奇,喜欢刨根问底,不漏掉任何一个细节,习惯把事情做到极致。“其实我们现在的这个成果当初只是一个对比材料,没想到在实验过程中,发现这个对比材料展现出的性能竟然比预先设计的材料性能更好,到底是什么原因?”丁向东他们一而再再而三地追问,最终挖掘到了“真相”。李飞他们研究成果的诞生也是源于一个偶然,“我们在材料结构调控的工作中,偶然发现了弛豫铁电单晶在某种特定电场条件下可以被透明化的实验现象,也许很多人都发现过这个现象,但是没有深究。科学研究的核心,就是不放过任何一个细节。”李飞说。

成功的奥秘:交叉与合作

高水平研究成果产出的另一个奥秘,是交叉与合作。

基础研究的突破,大成果的孕育,不能单枪匹马,需要学科交叉,需要团队协作。这是几支科研队伍的一致共识。

张磊教授(右一)指导学生实验

“我们有冷冻电镜技术,有物理学科优势,但生物学研究我们不擅长,需要合作攻关。”张磊说。张磊团队与山东大学的合作始于4年前,双方聚焦生物大分子领域发挥各自优势,形成了稳定的跨校联合攻关团队。思想火花的碰撞,“背靠背”的紧密配合,让成果接连产出。“这已经是我们联合发表的第二篇文章了,第一篇关于多巴胺受体调节机制方面的研究成果于2021年2月在《细胞》发表。”

徐卓、李飞团队与哈尔滨工业大学从2018年开始合作,已有一项成果于2020年在《自然》刊发,并入选2020年度中国科学十大进展。“一个团队是很难把所有事情都做完的,我们有晶体材料制备技术,他们擅长光学性能测试和器件开发,发挥各自所长,才能实现最大最优的科学产出。”李飞说。

而将多尺度不均匀理念引入新型合金材料设计中的设想,丁向东说其实在2014年就萌发了。“当时我们主要是通过冷变形并结合热处理的方式来做的,晶粒尺寸始终无法达到纳米量级。”而通过电镀技术制备纳米材料是吉林大学韩双副教授擅长的领域,2016年底两人在一次偶然的交流中找到了契合点,一拍即合。

最终落脚点:聚焦“国之大者”,服务国家需求

聚焦“国之大者”,服务国家需求,则是他们学术追求的最终落脚点。

徐卓教授(第一排右五)、李飞教授(第一排右四)团队

“弛豫铁电单晶材料制备技术,国外一直卡着我们的脖子,除了医疗,其他领域是不卖给我们的。”徐卓说。实现弛豫铁电单晶材料自主可控,助力国家材料强国建设,团队从1997年开始科研攻关,20年来初心不改。此次发表的研究成果,解决了高性能电光器件核心材料关键问题,有望推动新型高速光学相控阵、电控光束扫描器等其他诸多高性能电光器件的研制。服务国家重大需求,是徐卓、李飞团队的学术出发点,也是他们的最终落脚点。“这是我们团队的信念,沿着这个目标,我们将坚持和创新,继续坚定不移地往前走。”徐卓说。

“我们按照西方自然科学的逻辑和方式,已经跟跑了这么多年,有些已经赶上了,有些已经超越了。但是还不够,面对无人区,我们要能开辟自己的跑道,产出原始性创新成果。”张磊认为,创新成果的研究,始终要聚焦“国之大者”,同时还要有文化自信,有开辟创新道路的决心和勇气,敢于发出自己的声音。“我们的站位要更高一些,要站在国家的角度,从人民的利益出发。只有我们把‘卡脖子’‘卡脑子’‘卡嗓子’三个问题都突破了,才能真正做到科技自立自强。”

国家发展需要创新引领,而创新是基础研究的灵魂和本质。“近年来,国家高度重视基础研究工作,学校更是不断改革创新,完善体制机制,鼓励交叉合作,积极营造宽松自由的科研环境。”丁向东表示,在这样的背景下,我们的科学研究不仅要面向世界科技前沿,更要将其与国家需求融合在一起,在理论突破后思考应用技术发展,最终服务国家建设需求。

为了中华民族的伟大复兴,在基础科学研究领域,他们创新引领,持续奋斗,一往无前。他们说,这是西迁新传人的使命与荣耀。

文字:胡晓楠
图片:受访者提供
编辑:星火

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