孙呈郭:四年登上超高能含能材料领域最高峰

 


 


  他是辽宁科技大学化学工程学院的一名青年教师,无论是求学亦或是工作,他始终在导师、南京理工大学胡炳成教授的团队里从事科学研究,历经数百次实验失败,终于成功合成世界首个“全氮阴离子盐”,破解了困扰国际含能材料研究领域长达半个多世纪的世界性难题。


  1月27日(大年三十)凌晨1点,辽宁鞍山,寒冷静寂,大多数人早已进入梦乡,孙呈郭博士却毫无睡意,始终关注着美国《科学》杂志的网页。此时,远在千里之外的师弟章冲也未入睡,正和他一样期待着……
     
  倏地,由他们作为共同第一作者的论文出现在网上,孙呈郭长出一口气,脸上现出灿烂的笑容。电话骤响,传来师弟章冲兴奋的声音:“师兄,咱们的论文发表了!是网络在线和杂志同步发表!”“太好了,现在可以把后续的研究论文投给《德国应用化学》了。天亮了就向导师报喜,给他送上这个特别的春节礼物!”孙呈郭开心地说。

     
  导师胡炳成:“是个适合搞科研的人!”
     
  1983年,孙呈郭出生于安徽省颍上县的一个小镇,2008年从四川师范大学化学专业毕业,直接考取了南京理工大学胡炳成教授的硕士研究生,迈开了追寻“科研梦”的步伐。
     
  入学手续刚刚办好,孙呈郭就走进实验室,找到同门博士师兄恳请带着做实验。“本科时不懂做实验,好多仪器设备都不知道,搭些装置都是老师告诉怎么做就怎么做。研究生需要根据实验需求独立搭好特别的反应装置。”他要尽快进入状态,补齐短板。
     
  从此,孙呈郭的生活变得简单而忙碌,除上课外,只要有时间他就往实验室钻。许多人认为研究生生活应该轻松而丰富,周末可以逛逛街、旅旅游,晚上可以看电影、侃大山……孙呈郭却舍不得时间,他周末全天泡在实验室里,平时晚上11点以后才从实验室回宿舍。这样枯燥的生活,他乐此不疲。
孙呈郭的勤奋和阳光,深得导师胡炳成教授的欣赏,师兄也特别喜欢带他。两年时间,他对科学实验的理解深入了,思路开阔了,本领提高了,先后发表了核心期刊论文和SCI论文各1篇。胡炳成教授风趣地说:“看来你还是个适合搞科研的人!如果不是搞科研的人,两年时间怎么能发两篇文章?可能做实验都来不及呢。”
     
  快要硕士毕业,孙呈郭忙着找工作,导师却建议他:“要不你读博吧,你师兄博士毕业,你可以继续做他的催化仿生方向。”在胡炳成教授的支持和鼓励下,孙呈郭直接转博,继续跟随导师搞科研。

     
  青年博士孙呈郭:“抢先取得突破,就会占领这个领域的制高点。”
     
  在催化仿生方向,孙呈郭进步很快,2012年初他已发表SCI论文6篇。这时,胡炳成教授与人合作申请获批一项科研课题。该项目主要围绕全氮化合物开展研究。全氮类物质具有高密度、超高能量及爆轰产物清洁无污染等优点,是新一代超高能含能材料的典型代表。

  可该领域研究是世界性难题,许多读博的人都不敢问津,怕研究没进展拿不到学位。此时,孙呈郭发表的论文数量让他的博士毕业不成问题,胡炳成教授建议他改做全氮化合物研究,“虽然是半路改方向,但导师的信任,让我更加坚信科学研究往往是压力产生更大的动力。”他欣然答应,和导师一起向这个世界性难题发起挑战。
     
  孙呈郭从查阅文献资料入手,了解到当时从事全氮化合物研究的机构——国外主要是美国爱德华兹空军基地研究室,国内主要有西安近代化学研究所和北京理工大学,大部分研究文献来自前者。该领域的研究热点之一是“全氮阴离子的合成”,即“五唑阴离子”。由于制备全氮阴离子的前驱体芳基五唑稳定性较差,加上全氮阴离子自身不稳定,导致采用常规方法获取全氮阴离子非常困难。1956年芳基五唑被首次合成以来,制备稳定存在的全氮阴离子及其盐的研究就一直没有取得实质性进展。
     
  怎样开展下一步研究呢?孙呈郭满眼迷茫。迷茫也要坚持,既然选择了就要坚持,国内国外那些专家都迷茫半个多世纪了还在坚持嘛,何况自己才刚刚起步。“能和这些牛人在同领域竞争,真痛快。”孙呈郭开始一步步尝试着进行科学实验。

  2013年,章冲考取了胡炳成教授的研究生,加入到全氮化合物研究团队中来。孙呈郭与这位同样热爱科研、勤奋上进的师弟非常投缘,两人整天泡在实验室里做实验,“一次次地尝试,一次次地失败。甚至每一次做实验,都可以感觉到肯定是失败的”。孙呈郭说:“最迷茫的是我们必须要用氧化剂切断碳氮键。当时用了一个三价铁离子,结果氮五环被破坏掉了,这让我们特别失望。稍微有一点氧化性的物质都能把它破坏掉,说明这个化合物太不稳定了。怎么办?根本找不到方法,用其他方法感觉更不可能。”

  到弟子们情绪低落,胡炳成教授便召集大家,为他们鼓劲加油,帮助他们分析原因,探讨方法,提出宝贵意见,并给予他们足够的实验经费。胡炳成导师带着他们俩亲自操作液相色谱质谱联用仪和气相色谱质谱联用仪,一起搞起实验。“导师的支持和鼓励让我们感动,也让我坚定了信心,绝不放弃。国外的专家们也都迷茫,我们坚持住了,抢先取得突破,就会占领这个领域的制高点,为国争光。”看似谦逊温和的孙呈郭,骨子里充满不服输的劲头。

  三价铁离子不行,就试用二价铁离子。二价铁氧化性要差一些,实验结果显示要好一些,那就再尝试加一点氧化剂……2014年,全氮化合物研究有了新进展。他们将成果写成论文,发表在美国《含能材料》期刊上。这一年,孙呈郭博士毕业,来到我校化工学院工作,其师弟章冲转成硕博连读,继续做全氮化合物研究方向。

     
  副院长安百钢:“他科研上思想敏锐,积极主动,一丝不苟,乐于助人。”

  2014年10月,孙呈郭应聘到我校化工学院工作。这个拥有一级学科博士点的学院,云集一批具有博士学位的青年才俊,学术氛围十分浓厚,孙呈郭很快就融入其中,并加入到副院长安百钢教授的能源材料与电化学团队。“小孙进入工作状态非常快。他科研上思想敏锐,积极主动,一丝不苟,乐于助人。我们经常在一起讨论研究思路和研究方向,大家都很喜欢他。”安百钢对这位爱将赞许有加。

  我校与中科院金属研究所的成会明院士和国家“杰青”李峰教授保持很好的合作关系,他们在碳材料及其电化学应用领域的研究处于世界前沿。这几年,他们对我校青年教师成长给予了较大帮助和支持。学院看到了孙呈郭的能力和潜质,推荐他到成会明院士和李峰教授的课题组做博士后,推动他进一步在科研领域遨游搏击。

  虽然孙呈郭参加了新的研究工作,但他攻克“全氮化合物研究”的梦想并没有动摇。他和导师胡炳成教授保持着密切联系,每天晚上都要和师弟章冲通过电话、网络一起分析探讨实验情况。尽管不在南理工实验室,却丝毫不影响他对实验的设想和判断。他像熟悉自己一样熟悉那里的实验仪器。他们仍一遍一遍地尝试着进行实验,每一次失败都是排除错误方法开启新方法的探索过程。

  历经数百次科学实验的失败,2015年年底,他们终于成功用化学方法切断了碳氮键,通过质谱仪看到了符合氮五环的分子量峰。“哎呀,当时真是高兴!可我们仍不知道这是五唑阴离子(cyclo-N5-,即氮五环)还是五唑(N5H),也不知道它能不能稳定。后来就是一点一点摸索,提纯、分离,这条路走了3个月。”孙呈郭说,为了证明是哪一种,他和师弟经常争论,有时互相“抬杠”,并通过电话征求胡炳成教授的意见,与导师探讨。最终决定下一步做培养“单晶”的实验。

     
  《科学》审稿人:“这篇文章的成果真是令人震惊!”

  孙呈郭他们想尽各种办法尝试着培养“单晶”,培养出来后就到各相关高校和科研院所找人测试。开始时测不出来,后来测出来了又解析不出来。这个过程也挺熬人,但毕竟是黎明前的黑暗,大家已意识到曙光即将到来。2016年4月15日晚7点半,孙呈郭正在整理资料,章冲传来解析出来的“单晶”结构图,确定是五唑阴离子结构。他看后兴奋得眼睛湿润了,“哇塞,第一次真正拿到了氮五环结构,真是太美了!”他难以抑制激动的情绪,和师弟聊了好久,两人把前面的数据从头开始又分析了一遍。

  6月中旬,他们就撰写了名为《五唑阴离子(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的合成及表征》的论文,投给世界顶级期刊美国的《科学》杂志。两个星期后,《科学》杂志就给回信了,两个审稿人均表示:“这篇文章的成果真是令人震惊,文章成果非常值得在《科学》上发表,这一点毋庸置疑。”他们提出了一些具体意见,如数据欠缺完美等,希望尽快修改。

  经过两个多月的修改,孙呈郭第二次向《科学》投稿。这一次,两个审稿人都帮助修改规范了论文的语言,其中一人在回复中说:“作为审稿人,我是从来不给别人改英文的。但鉴于你们文章的重要性,我给你们文章的语言从头到尾改了一遍。”《科学》的编辑根据审稿人的意见,也帮助把论文的语言通篇做了润色,怕把意思改偏差了,最后又让孙呈郭他们再确认一遍。

  “《科学》上发表的论文,合作单位均为中国高校的很少,南理工和辽科大做到了。更难能可贵的是,《科学》上的论文通常都要先在线发布,再排队等待杂志出版。这篇文章于今年1月27日在线发布的同时就得到了正式出版,这也是我国在《科学》上发表的含能材料领域的第一篇研究论文”。孙呈郭不无骄傲地说。

  他和章冲又向国际顶级学术期刊《德国应用化学》投出另一篇论文,名为《二价钴离子捕捉五唑阴离子制备一种对称的高氮化合物Co(N5)2(H2O)4·4H2O》,这篇论文是前几个月胡炳成教授科研团队取得的又一突破性成果。

  孙呈郭说,《科学》上那篇论文的重点是创造性地采用间氯过氧苯甲酸和甘氨酸亚铁分别作为切断试剂和助剂,通过氧化断裂的方式首次制备成功室温下稳定的全氮阴离子盐,热分析结果显示这种盐分解温度高达116.8摄氏度,具有非常好的热稳定性。《德国应用化学》上的这篇论文是在此前基础上,做具有一些爆炸威力的“五唑化合物”,即把氮五离子用金属离子的方式捕捉到,做一些真正所谓的炸药和火箭助推剂。

  论文投出一个月便得到回复,两位审稿人的意见都是“直接予以接收,希望尽快发表”。3月23日,该论文在《德国应用化学》上在线发布,合作单位为南理工和辽科大,孙呈郭是通讯作者之一。

  4年时间,从无到有,从失败迷茫到坚定信心探索前行,再到实现全氮类物质研究领域历史性突破,为“全氮阴离子高能化合物的制备”奠定坚实基础,胡炳成教授科研团队创造了科研奇迹,而年轻的孙呈郭博士也攀登上了新一代超高能含能材料研究领域的最高峰。
文/刘国良