百年清华

清华化工系校友中的4位“TR35”

2018-01-31 | 来源 清华大学化学工程系学生微信公号“卡安”2018-01-22 |

TR35杰出青年创新人物评选是《麻省理工科技评论》为表彰青年创新人物而设立的固定评选制度,每年在全球范围内评选出35位35岁以下的青年创新家。上榜者皆是学术界和工业界的科技创新精英,通过他们在计算、通信、纳米技术、生物技术、材料、能源、医药等众多领域的研究和应用成果引领科技发展潮流,改变世界的未来。谷歌创始人拉里•佩奇、Facebook创始人马克•扎克伯格、苹果首席设计师乔纳森•伊夫、MIT历史上最年轻的华人教授张锋等人都曾入选该榜单。

从2013年起,清华大学化工系连续四年有四位本科系友入选(2013年张良方(1996级),2014年伍晖(2000级),2015年戈钧(2000级),2016年刁莹(2002级)),这在全球也非常罕见。同样的本科背景,巨大的研究跨度,四位学长学姐用他们的经历印证了化学工程作为基础工科所具有的改变世界的力量。

清华大学106周年校庆之际(2017年4月29日),“创新的名义:对话全球科技创新领军人物”主题活动在文科图书馆大同厅举办,四位年轻的TR35入选者与化工系的学弟学妹们就创新精神培养与大学教育展开了深度交流。化工系建系70周年系友访谈活动中,我们的同学也有幸面对面地采访到了张良方和戈钧学长。现将两次活动中的文字资料整合起来,为同学们讲述四位学长学姐的故事和感悟。

近年来,纳米医学的兴起给了科学家们新的武器——纳米粒子能够作为药物的载体,以前所未有的精度递送药物。然而,我们的免疫系统会将这些外来的纳米颗粒视为异物,并对它们展开攻击。在纳米粒子给药技术陷入僵局之时,张良方教授的团队做了一个大胆的尝试——既然挨个合成这些分子标记有着很大的难度,为什么不直接把细胞的外衣套在纳米粒子外头呢?在这个设想下,他们从人体的红细胞上分离出了细胞膜,并用它们把纳米粒子包裹了起来。如果一切顺利,免疫系统有望被这些纳米粒子的外衣“糊弄”过去。实验的结果令人振奋!由于有着与红细胞相似的外观,这些纳米粒子成功地躲过了免疫系统的监视。在动物试验中,它们的体内逗留时间从常规的十多个小时,提高到了40个小时,半衰期得到了显著延长。

1996年张良方从安徽省考入清华大学高分子科学与工程专业,而后本系直硕,跟随于建教授研究高分子复合材料。回忆起清华的生活,他充满了怀念和感激。清华提倡学生的多面发展,除了种类丰富的体育课还有许多有趣的文艺选修课,大二时张良方抱着拓展视野的目的选择了一门美声音乐课,“在蒙民伟楼,印象特深,那个老师必须要面试才决定能不能选他这门课,面试后他想尽办法劝我退,说这门课真的不适合你。后来那个老师还是让我上了这门课,那段经历真的挺不错,虽然我现在音乐还是不太好,但是让我明白只要坚持就会有收获,即使是你原本很没有信心做好的事情。”

硕士毕业后张良方选择了伊利诺伊大学香槟分校(UIUC)攻读博士学位,开始对生物细胞研究产生兴趣,到了四年级博士毕业时就发表了12篇学术论文。取得博士学位的他面临着两个研究方向的抉择,其一是生物能源,其二是生物医学,权衡之下他申请了麻省理工学院化工系Robert Langer教授的研究组进行纳米材料在医学方面的应用研究。在MIT博士后期间他发表了11篇学术论文,申请了7项国际专利,取得了十分耀眼的学术成果。

醉心于化工的张良方学长,最后却与医学结下了不解之缘。他非常感谢在化工系所受到的独特的高分子材料和化工基础知识的交叉培养,让他在研究中能做到新材料应用与过程控制及机理探索相结合,从而能做出好的成果。张良方学长在清华化工系硕士期间主要研究纳米颗粒,在UIUC化工系博士期间则与细胞膜打了很多交道,一步步走来看似跨了学科,其实是自然而然的研究领域的一步步延伸。化工思维与医学制药的碰撞,诞生的是全新的仿生纳米医学领域。

“在癌症治疗中,药物需要被精准地‘快递’给癌变组织并清除它,但人体免疫系统会阻止药物这个外来者的进入,使药效无法发挥。我们注意到红细胞可以在血液里循环很长时间而不被破坏,就提出了把红细胞的外衣——细胞膜取下穿到纳米药物上的思路,并用化学工程师的方法成功实现了这个思路,由此成为国际仿生纳米医学方向的先行者,投资者的跟进也非常迅速。”张良方团队通过给纳米药物穿上红细胞外衣的创新性想法取得了医药领域的重大突破,经过临床试验,这项技术将药物在血液中的半衰期从15h提高到了40h。

“执行力非常重要。新颖的想法经常不容易做,有很多困难,要坚持做下去。难的课题就像登山,一小步一小步地走,回头看会很惊讶,自己已经走过这么多?”在他看来,创新的过程可能很枯燥,自我激励非常重要,即使失败也能学会很多。

多年的实验室经历使张良方学长积累很多了经验。每一次做实验之前,他会反复思索实验的各个步骤,操作细节,各个控制变量,可能结果等方面并记录在笔记本中,并与他人的做法进行对比不断琢磨。若是实验结果与预期成果不同,这时他会更深入地了解,找出这背后的玄机所在。他坦言自己发表的一些论文并不是一开始想做的成果,而是在实验出现偏差之后不断探索的产物。他认为,实验如果做得一帆风顺,往往学到的知识很有限;当遇到挫折时,如果能坚持下去,不断地改变环境和条件从而找出问题所在,反而不会浮于研究问题的表面,而是了解到更多更为具体的知识。

现今的消费电子和电动汽车最常用的锂离子电池,其中锂离子在充电和放电过程中的电极之间移动;负极通常由石墨制成。理论上,用硅取代石墨可以大大提高功率密度,给电池同样重量的寿命更长。但硅膨胀量超过 300%,因为它的电荷,使它不稳定。在斯坦福大学时,伍晖帮助弄清了如何使用多孔聚合物凝胶来封装微小的硅粒子,使它们在聚合物基体的空间中无害地扩张。他说:“我不想制造出只在实验室里可行的材料。我有兴趣利用科学来解决我们日常生活中的实际问题。”

2000年考入清华大学化工系的伍晖学长现在已经成为了材料学院的副教授,在化工系的本科学习生活仍然历历在目。“清华有个很好的传统就是鼓励和支持我们本科生,甚至低年级本科生就很早在实验室里做工作。我从大二开始就在杨睿老师的实验室做一些科研工作,后来在胡平老师的实验室做纳米纤维的研究,两位老师都是我的科研引路人。当时,很幸运的是让我们独立调研并设计方案,后来申报了挑战杯。印象很深的是我答辩的时候真的拿着酒精灯、打火机和我们的材料去了现场演示。”

伍晖学长也和我们分享了研究中的趣事:“开发高性能锂离子电池对于利用好清洁能源非常重要,实现这一点的途径之一是把电池材料纳米化,比如做超薄的金属。我和博士生一起在清华南门吃拉面时发现这个做拉面的过程很有意思,通过反复折叠就可以得到非常细的面条。回去后,我们就用这个思路,通过二十多次对折和延展,把双层金属的厚度控制在两三个纳米,得到了一个性能很好的材料。”这样吃出来的科研灵感竟促成了一种新材料的诞生。

制药通常是一个凌乱的过程。催化必要的化学反应往往需要有毒溶剂和大量的能量。戈钧希望用酶这个大自然的催化剂来完成这项工作,以此来使这个过程清洁化。但是酶在工业过程中往往不会保持良好,而且为了保护它们常常把他们附加到其他材料上,这大大降低了酶的活性。戈钧教授极具洞察力,早在斯坦福大学从事博士后科研工作时,他就有一种预感,即将铜离子添加到含有某种酶的溶液中,可以帮助激活和稳定它。但是他没有料到会发现极其奇怪的结构,很快沉淀在他的试管底部:“非常漂亮的结构,像是由蛋白质和水晶制成的花朵。”重要的是,这种非凡的“纳米花”形状中的酶是稳定的,比它们自由漂浮在溶液中的活性七倍还高。这项研究结果也登上了2012年的NatureNanotechnology

本科就读于高分子材料专业的戈钧学长在推研时选择了生物化工方向,所以大四的时候选择旁听了骆广生老师的化工传递课。“每次做作业的时候,就会发现,每道题好像都缺条件,条件不全都没法做,就会非常困惑,非常头疼。后来逐渐在骆老师的培养下学会了合理假设和估算一些条件,也体会到这其实是化工非常重要的工程思维方式。在解决很多实际问题的时候,不太可能是所有条件都全的,必须要学会合理假设和估算。这种化学工程的思维方式一直到后来做研究对我都有非常大的帮助。”戈钧认为系内学科交叉令自己受益良多。

“博士期间,我的导师刘铮老师非常强调工作的创新性。刘老师常说,做科研就像在路上开车,我们要在后视镜里看到很多车跟着我们,而前面没有什么车。这样的理念影响着我的科研,我也是这样要求自己的学生的。”戈钧眼中,创新精神是值得坚守和传承的。“我的导师总会想办法调动学生研究的积极性。后来,我在指导学生的时候,我也是不管做的好不好,都要鼓励学生,创新中一时的灵感和长期的坚持都是分不开的。突然有灵感,也要及时沟通,看到一些好文章,一个好的ppt,我会第一时间和同学分享。

本科在高分子材料专业,博士在生物化工方向,博士后在化学专业的戈钧学长对学科交叉和科研合作的重要性深有体会。多学科交叉的背景使得他在做科研工作的时候能够从一些比较新颖的角度去考虑问题。回顾自己做科研的经历,他说:科研探索本身就是一个不断失败,最终才可能获得成功的过程,遇到失败是必然的。失败是整个研究过程中的常态。”在科研中,越是一开始失败很多,做不出来的东西,往往做出来后得到的成果越大。戈钧学长将材料和化学领域的最新发展与生物技术相结合来构建高效的酶催化剂,提出了酶-无机晶体复合催化剂提高酶在应用环境下的稳定性和活性,研究成果发表在Nature Nanotechnology。也正是因为这方面的创新工作,戈钧学长入选了2014年的TR35青年创新人物。

柔性太阳能电池是廉价的,可以被“印刷”在许多物体的表面,甚至是窗户上。但是,对将日光转化为电能的过程中所必须的聚合物的研究一直处于低迷状态。一个原因是,与硅这样的更有效的太阳能电池不同,聚合物基材料有一个凌乱的分子结构,看起来很像是煮熟的意大利面条。但是刁莹正在创造印刷技术,使其秩序混乱的塑料分子组装。她已经使有机太阳能电池具有双倍的效率。她提出用一个微观的“梳子”,控制分子的流动,让他们在印刷过程中组装有序的结构。

2002级的刁莹学姐在回忆起化工系的课程时说道:“印象最深的课是骆广生老师的传递过程原理,骆老师鼓励我们观察生活中的传递现象。期末报告时一位同学给我的印象特别深,是讨论天安门广场上的口香糖怎样除去,这是个很有意思的传递过程。我现在也在教传递过程原理,借鉴了骆老师激发同学主动性、扩散思维、提高观察能力的教学方法,非常感谢骆老师的这门课。”

对于清华本科生的科创工作和学科的交叉融合,刁莹学姐也表示十分支持:“清华本科有越来越多的机会参加前沿的科学研究,而且海外的机会也有很多,这是非常好的现象。我非常喜欢和本科生在一起工作,可以让本科生尝试挑战性课题,他们很有热情,面对困难敢闯敢做。现在在工作中,组里有材料系的,也和生物系同学一起工作。本科就开始学科交叉,对他们的成长确实非常有利,通过交叉可以扩展他们的视野,培养发散思维和创新能力。”

本文整理自:

《在不到35岁的年龄影响世界,他们是如何做到的——从入选TR35看创新人才培养》,光明网记者靳晓燕,2017-5-3

《张良方:我的科研之路》,学生通讯员江健,美丽化工网站

《戈钧:在宁静的心态中追寻理想》,学生通讯员贯嘉坤,美丽化工网站


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