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【专稿】张秋禹教授团队:吸附分离功能高分子材料的开拓者

作者:吴秀青  来源:宣传部  发布时间:2018年01月14日 12:59  

西工大新闻网1月14日电 (记者 吴秀青

12年铸一剑。这个奖拿得不容易。

2018年1月8日,是西北工业大学理学院教授张秋禹及其团队成员终生难忘的日子。张秋禹团队因在吸附分离功能高分子新材料研发与应用领域取得重大突破,其主持完成的“吸附分离聚合物材料结构调控与产业化应用关键技术”荣获2017年度国家科技进步二等奖。在中共中央、国务院隆重举行的2017年度国家科学技术奖励大会上,张秋禹作为项目第一完成人,受到党和国家领导人的亲切接见。

瑞雪兆丰年。2018年西安的第一场雪铺天盖地,来得正是时候。走在采访张秋禹团队的路上,漫天飞舞的雪花给记者带来无尽的遐想。记者不禁追问:张秋禹团队创造世界领先技术的奧秘究竟何在?

从喜欢到痴迷:深入堂奥探究高分子材料的秘密

“热爱是最好的老师。”爱因斯坦的这句名言,道出了一个人何以成就一番大事业的真谛所在。因为热爱,能激发人的潜能;因为热爱,能使人创造奇迹;因为热爱,即便遭遇千难万苦,也能让人自感其乐无穷。 

健康元应用示范

——正是对化学的一腔热爱,成就了今天的张秋禹。在她的心里,热爱就是从中学时代开始,一路走来,一路攀登,对“化学之巅”的一路仰望。

长江学者特聘教授、“全国巾帼建功标兵”的张秋禹,来自美丽的松花江畔。她的故乡吉林松原素有“粮仓、林海、肉库、鱼乡”之美誉,也是“化工之乡”。

1983年的“前郭”高考状元张秋禹,是可以上清华大学的,然而,她却走进了北京化工学院(北京化工大学)。谈起当年上北化的因缘,张秋禹笑着说“很有意思”。考前填报志愿时,班主任老师对成绩一直优秀的张秋禹说,“你看你特别喜欢学化学,清华的化学与化工系与北化相比,是一个系和一个学校的比拼,你好好考虑一下”。张秋禹觉得班主任说的有道理,“听话”的她便毫不犹豫地将“北化”作为高考的第一志愿。“成绩揭晓后,我自己倒没啥,班主任却后悔了。”张秋禹说,因为喜欢化学,上北化后学习很轻松,成绩一直排在前头。当年北化全校只有7个保研生,张秋禹便是其中之一。

刚走向工作岗位的张秋禹,“心气很高”。当她来到西工大材料系405教研室(高分子教研室),发现只有一些陈旧的塑料、橡胶加工设备,以前用过的那些高档的分析仪器都没有,心理落差很大。然而,条件虽然简陋,但她深受李郁忠、兰立文等老教授们的赏识和支持。“连实验室工作的老师傅都特别好,记得当时我要做实验,需要设计搭建一些小装置,自己不会弄,只要我提出想法,于师傅、唐师傅等老师傅很快就帮我把装置搭好了。”张秋禹感恩地说,“我的成长,与同事们和实验工作人员的支持是分不开的。”

张秋禹的硕士论文做的是“多核核磁共振与含磷有机物的反应动力学研究”,是非常基础的理论问题。来到西工大,融入这所“三航”特色学校的环境,了解到“三航”学科对高分子材料的迫切需求后,她很快将自己的方向调整为化学和材料的交叉学科方向,从基础研究转变到应用基础研究。1999年,张秋禹在西工大材料学院材料学专业获工学博士学位,她的博士论文的主题内容是高分子加工。这无疑为她的“转型”做了强有力的“充电”。

在西工大这个以“三实一新”校风享誉海内外的大家庭,在理学院历任领导和同志们的关心帮助下,张秋禹从一名普通教师成长为教研室主任、化学系副主任、理学院副院长等,2009年又被聘为教育部长江学者特聘教授,也是陕西省化学学科的第一个长江学者特聘教授。

2002年至2004年期间,张秋禹以英国皇家学会中国青年学者和访问学者的身份在英国拉夫堡大学开展合作研究,主要从事纳米高分子复合材料的研究工作。拉夫堡大学是世界著名的老牌公立研究型大学、英国的顶尖名校,拥有世界一流的科研水平。在2017年《卫报》英国大学综合排名第4名,仅次于牛津大学、剑桥大学和圣安德鲁斯大学。“高分子材料加工技术”也是拉夫堡的强势专业之一。

“一个人的成长,他(她)的经历的确是很重要的。”张秋禹深有感触地说,“在英国做访问学者期间,接触了很多高分子材料和化工界的国际一流学者,让我拥有了国际化的视野,也增强了国际学术交流的自信。”——正是拉夫堡的访学经历,引领张秋禹深入堂奥,探究高分子材料的秘密。

从“顶天”到“立地”:瞄准国家战略需求做科研

“现在科学研究工作者介绍自己的研究领域时喜欢用‘顶天立地’来描述。”张秋禹说,“正是到了西工大,让我了解到国防领域有这么多‘立地’的事情亟待我们去做,也让我明白如何围绕国家战略需求去切切实实做科研工作。”

材料生产线

“搞基础”出身的张秋禹,即使在做工程化项目时也喜欢提炼科学问题,然后想办法一个一个地攻克它。“我们承担的国防项目大都是硬骨头,很难啃,但我们注重前期新原理新方法的探索,最后都能找到有效的解决路径,有些发现和创造虽然不能公开发表,但具有广泛的推广价值。”

令张秋禹十分庆幸的是,从一开始她就为做“立地”科研找到了一条最佳的路径,那就是“产学研用”紧密结合。她先后与西安蓝晓科技新材料股份有限公司、中石油的一些企业和中核的一些企业建立了长期友好、互利共赢的合作关系。

本次的获奖项目“吸附分离聚合物材料结构调控与产业化应用关键技术”,就是“产学研用”结合的一个成功范例。“与西安蓝晓科技等公司十几年的合作非常顺畅非常愉快,合作单位对获奖项目技术上的贡献也都非常大。”张秋禹说。

该项目针对我国战略性资源镓的高效提取、头孢中间体酶法生产等领域亟待解决的吸附分离材料分离效率低、性能不稳定、应用工艺落后等问题,在国家973、863等项目的支持下,开展了12年产学研联合攻关,突破了制约材料性能提升的结构调控等10项共性关键技术,建立了集成新材料、应用工艺及成套装备的分离技术体系,建成140吨/年的提镓装置,使我国镓的产能提高约6倍,应用前景广阔;打破了头孢合成用吸附分离和负载材料的国外垄断局面,建成年产2000吨7-ACA酶法生产线,实现了头孢产业升级。

产品及应用

该项目面向国家重大需求,选题准确,技术创新突出,兼顾前沿性和实用性,显著提升了我国吸附分离材料行业的技术水平和国际竞争力,并在冶金、制药等行业获得广泛应用,使我国镓资源化提取技术实现了跨越式发展,使头孢中间体规模化合成实现了从化学法向绿色酶法里程碑式转变,节能减排效果显著。此外,该技术还在饮品深度净化、化工产品纯化、同位素分离、水处理、生物质分离等领域获得推广应用,展现了广阔的应用前景。

近年来,张秋禹作为课题负责人承担了国家自然基金重点项目及面上项目、973前期课题、863重大专向课题、国防基础科研、国防技术基础、国防军品配套等20余项科研项目。在学术上颇多建树,为功能高分子新材料的研发与应用做出了突出贡献。

——在多孔材料方面,除了拓展获奖项目的应用领域外,张秋禹团队还提出了利用非均相控制聚合技术、链转移剂控制聚合等解决在微纳米层面构筑高分子/无机物复合材料和纳米尺度多孔材料难题的新方法,成功构筑了磁性多孔材料、20-50nm尺度的多孔和空囊的聚合物纳米粒子、大介孔MOF等新型分离材料。研究成果被Nano Research、Molecular rapid communication等选作封面故事。

——提出了磁诱导聚合新方法,成功地制备了电磁复合纳米链。通过结构有效调控,其适宜的空心复合结构,可以从多个层面提高电磁吸收性能。可在较宽的频率范围内,有很好的吸波能力。揭示了这类新型结构材料的吸波机理,有望在隐身领域获得推广应用。研究成果发表在JMCA、Nano Research期刊上,并被选为封面论文。

——巧妙地将巯基-异氰酸酯等点击反应引入到多相聚合体系中,通过界面条件控制,实现了快速、高效、节能地构筑聚合物胶体粒子、胶囊及杂化微球。目前这些新材料已用于相变储能控制、自修复等领域,并在航天等部门获得了推广应用。

张秋禹团队发表SCI论文300余篇,引用4989次,影响因子IF大于3的100余篇。该团队目前申请国家、国防发明专利120余件,获授权50余件。

从研究生导师到团队带头人:追求创新卓越推动学科发展

“化学是一门实验性很强的学科,需要学生踏实肯干、埋头苦干,尊重规律、实事求是。”张秋禹说。作为研究生导师,她总是把学生创新思想和探索精神的培养看得很重。在研究方向正确的前提下,她总是鼓励学生勇于实践、积极探索,敢于创新、大胆发现。她寄望于学生自我激励、相互激励、追求卓越,希望学生都能超越自己,“青出于蓝而胜于蓝”。

张和鹏副教授是本次获奖项目的第三完成人。谈起十多年前第一次开发出“吸附分离聚合物材料”的情景时,他依然难掩当年的激动和喜悦。“记得花了将近两年的时间、经历了无数次的失败后,才把这种材料做出来。那时我还是张老师的硕士生,经常和张老师一起做实验一起吃饭。有一天晚上,当按照新设计的方案制备出来的材料各方面表征数据都达到要求时,真是让人太兴奋了!不顾夜深,当即我就给张老师打电话,报告了这一喜讯。”

张宝亮副教授是本次获奖项目的第四完成人,也是陕西省优博获得者。师从张秋禹,硕博连读,2014年毕业留校任教。“身在张老师团队,让你感觉到你不是一个人在战斗,有一个人一直在关注着你、关心着你,当你需要帮助的时候或遭遇学术‘瓶颈’的时候,一定会有一个人出现,这就是张老师,她会及时给你方向上的指导和指引。”张宝亮深有感触地说,“对团队刚入职的青年教师,张老师总是尽全力给予空间、平台、启动经费的支持,让我们有很强的归属感。”

田雷,张秋禹的直博生,重点参与了获奖项目中酶载体的研究工作,科学研究工作非常出色。读博期间以第一作者发表SCI论文9篇,其中SCI一区7篇、二区2篇,3篇论文选作封面文章被重点报道,多次获得国家奖学金、宝钢优秀奖学金等。“博一时,导师和我确立研究方向时,发现研究领域中有一个‘空白’,我想填补这个‘空白’,张老师非常支持我。张老师给了我很大的自由发展空间,让我博士期间围绕填补‘空白’做了一系列的工作,出了一系列的成果。我也越来越喜欢做科研了。”

“虽然我们在做大量的应用研究,但张老师对学生一直强调‘基础’的重要性,她要求我精读本领域所涉及的所有经典基础理论书。尽管她工作很多很忙,依然经常在微信群里与我们分享本领域的前沿动态、好文章,以及新理念、新方法等。”今年博三的顾慧敏说,张老师的产学研结合做得特别棒,她总琢磨着如何将课题组的科研成果推向产业化,为国家的战略需求和经济发展做贡献,这一点尤其值得我们学习和传承。

“精致的利己主义者是走不远的。”这句话给博四的陈欣印象极深。他说,张老师一有时间就找学生讨论,探讨如何做人做事做学问,聊学术前沿动态和热点,聊学生的科研问题和科研进展。张老师经常说,只有先做个“有德的人”,才能做成事,才能做好学问。张老师还特别重视国际合作与交流,课题组与美国南卡罗来纳大学、英国赫尔大学、比利时根特大学、美国加州大学欧文分校等多所国外名校建立了长期的合作关系,经常互访交流或互派学生。

“我的确喜欢和学生讨论,只要有时间,我就去找他们聊一聊,讨论是思想碰撞交流的最好方式,也是一个相互启迪、相互学习的过程。”张秋禹说,“对研究生的培养我一向‘抓大放小’,重在对研究方向上的把握,帮助他们顺利度过最初的学术‘迷茫期’。”

“您对研究生发表高水平论文有怎样的要求?”记者问。

“这方面我的观点可能与有些导师不同。我虽然希望我的学生都能发表高水平的文章,但我认为这不是目的,我更看重的是学生科研上有实质性的突破。文章只是展示自己探索发现的结果。”张秋禹欣慰地说,虽然我对发表论文没有刻意的要求,但课题组发表论文的整体水平还是比较高的,今年就有影响因子7点几和9点几的多篇文章发表。

提起研究生在本次获奖项目中所发挥的作用时,张秋禹感触很深。她说,估计先后有10多位学生参与了本次获奖项目的研究工作。“虽说他们每人只是涉及其中的一个问题,但这些问题分别解决以后,对完成整体项目目标作用是非常大的。虽然该项目已结题获奖,但这个方面的研究还在不断深入,其中还有很多新问题需要解决,还有很多新理论有待拓展。”

张秋禹团队目前共有教师11人,其中教授5人、副教授4人、讲师2人。这样的团队规模在西工大理学院化学系来说,算是阵容强大的了。

“其实化学系过去是没有什么团队的,因为我接军口的项目比较多(60%以上的项目是国防项目),逐渐意识到一个人做的事情延续性会很差,所以我就开始注重团队建设,有意识地往一起‘拢’一些人。”张秋禹说,“化学系空间非常紧张,新进的年轻人希望到我团队来,我都欢迎,哪怕与学生站在一起挤呢,也得让他们有一个干事的地方。”

张秋禹笑言,团队的管理还处在一个探索期。如何让大家心往一处想劲往一处使?这无疑是一个团队建设的重要“课题”。在她看来,一个团队目标的一致性固然重要,但她更重视的是学科交叉、成员相互间的交叉补充。希望大家都能兼顾“两块”,即对团队原有方向有所贡献,更要想办法长好“自己的点”。“我会在国家大的需求背景下,在国家产业结构发生巨大变化的过程中,去把握一些‘新的点’,我希望团队新人能从这些点上找到新方向、找到自己的突破口。”

周凤涛副教授是张秋禹团队的新成员。“小周是做有机的,我是做高分子的,非常希望未来我们在方法学上有所突破。小周在日本做了两站博后,有着良好的学术训练,刚来西工大,起步很困难,我就全力支持他,希望他把有机这一块带出特色来。”张秋禹说,作为一个团队的好处是,这个方向暂时没有钱了,团队可以支持它继续长,长几年就有自己的“造血”功能了。这一点对年轻教师来说是非常需要的。

张秋禹不仅是团队的带头人,身为理学院分管科研的副院长,她还要考虑各学科的平衡发展。她希望团队在开拓创新追求卓越的同时,推动西工大化学学科飞跃发展。

(审稿:乔彩燕)

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