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吴骊珠:科学家让童话成真!

来源:中国妇女作者:文/张素军
巾帼风采 2020-12-23 17:04:06

吴骊珠从事光化学的研究,取得了人工光合成突破性进展,成功模拟了自然界光合作用的复杂过程,推动了太阳能的高效化学转化,为解决能源短缺和环境污染开辟了新的途径。

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《中国妇女》封面人物:吴骊珠


吴骊珠的名字是随着2019年中科院新晋院士的名单热起来的。作为一名年轻的院士,吴骊珠珍惜这份至高的荣誉。


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吴骊珠  中国科学院院士,中国科学院理化技术研究所研究员,博士生导师。第十届中国青年科技奖、第七届中国青年女科学家奖、第三届中国化学会——赢创化学创新奖获得者


临近年末,她格外忙碌。前不久启动的“人工光合成”国家基础科学中心,让她又多了一个主战场。习近平总书记在科学家座谈会上强调“科学家要面向世界科技前沿”,党的十九届五中全会又提出,把科技自立自强作为国家发展的战略支撑。吴骊珠所从事的光化学研究恰处在世界科技最前沿,其中已获突破的“人工光合作用”对实现氢能的绿色应用及二氧化碳的有效减排,对国家经济、能源发展都有深远影响。


吴骊珠说自己很幸运,赶上了科技强国的好时代。国家的科研投入、仪器设备、人才配备等都与当年不可同日而语。“如果没有国家发展的强大后盾,没有团队的精诚合作,不会有我今天的成绩。”


摘取化学的圣杯


吴骊珠人很随和,采访她是个愉快的过程。每次谈到那些高深的化学理论,她总是稍停一下,略带歉意地问一句:我说明白了吗?不会把你绕糊涂了吧?


对她研究的“人工光合作用”人们确实有高深莫测之感:这种研究有什么意义?与我们的生活有什么关系?未来有怎样的前景?


“大家都知道太阳能利用正在成为解决能源短缺和环境污染的理想途径,而自然界的光合作用是地球上最重要、规模最大的化学反应,是地球上最为有效固定太阳能的范例。”采访时吴骊珠指着窗外的树向记者介绍,“比如此刻,虽然我们感受不到它的变化,但在光照下,它正在与空气中的水和二氧化碳发生着化学反应——将水裂解释放氧气,同时将二氧化碳固定。”假如实现人工光合作用,就能有效储存太阳能。因此,“人工光合作用”一直被视为“化学圣杯”。


在能源短缺和环境污染的双重倒逼下,氢能被纳入各国科学界的重点突破领域,虽然光合细菌中的氢化酶能够温和高效放出氢气,但直接提取和纯化氢化酶的难度很大,一旦脱离其赖以生存的生物体环境,暴露于空气,氢化酶的催化活性迅速降低。令人欣喜的是,生物学家通过蛋白晶体解析了它的分子结构。


那么,能否利用化学合成方法构建人工模拟的氢化酶,看看人工合成的催化剂能否产生氢气呢?


一位从事生物氢化酶研究的朋友听到吴骊珠这个设想瞪大了眼睛:生物学家手里摇动的是生命,而化学家摇的是试剂,这其中真有联系吗?“我永远记得她当时那不可思议的表情。”


但化学家不就是和分子打交道吗?了解了分子元素构成,就如同明晰了一道菜的食材配比,关键是你如何还原这道菜的色香味!2008年,“人工光合作用”成了吴骊珠的研究课题。


因为最初使用的试剂无法长途运输,第一步合成实验需要在有试剂的地方进行。同学们计划两周完成实验,但两个月都没结果。无奈之下决定回撤,返程票都买好了,又有点不甘心。再做最后一次实验!居然成了!原来是试剂出了问题。退票!继续做!


终于做出了第一批人工催化剂。小心翼翼接入吸光单元,氢气出现了!“这说明我们的设计没错,人工光合成真的可以模拟自然界放出氢气!”


可问题是精巧合成的氢化酶模拟物在有机溶剂中光照不到10分钟就完全失活,催化转化数TON只有0.1。换句话说,即一个催化剂分子只产生0.1个氢分子。模拟光合作用制氢看上去很美,但如此“娇嫩”的催化剂能用吗?


几经研制,新的催化剂被放在水里,“这是第一个在水里进行产氢实验的人工氢酶分子,随着光照进行氢气呼呼直冒,TON从0.1变成了500,提高了5000倍!在国际上率先突破了人工模拟氢化酶稳定性差、催化效率低的瓶颈,实现了太阳光驱动人工模拟氢化酶的高效产氢。”


接下来催化剂不停优化,TON也在不停上涨,500、8000、20万、40万、80万……“连续六年,我们一直在创新纪录,也一直在刷新纪录!催化剂连续工作数百小时,“光照氢气就产生,光停氢气也停止,再照氢气又出来。”


高效、稳定、耐用、廉价的人工光合成催化剂终于研制成功!从0.1到1600万以上的数据令人激动:这是否意味着不久的将来利用太阳能制备的绿色氢气就能用了呢?“是的,我们将与有关单位合作,再往前走一步,探索太阳能光化学转换的实际应用。”


逼着自己也要优秀


去年8月,吴骊珠团队一篇“人工光合作用让二氧化碳变废为宝”的相关论文刊登在《细胞》杂志子刊Chem上。《细胞》是世界最权威的学术杂志之一,论文的发表是对研究成果的肯定,对此一向内敛的吴骊珠也满是自豪。


二氧化碳是温室气体的元凶,减少排放及降低浓度一直是现代工业的顽疾。通过人工光合作用固定二氧化碳,使之合成为有用的化学品,有效治理温室气体便有了新的方案,最大程度地实现太阳能到化学能的转换。


这些年吴骊珠率团队在人工光合作用领域深耕细作,惊喜连连。心无旁骛、专注做事、并把事情做到最好是她的个性。可她说,这其实是“逼”出来的。


读博士时的吴骊珠和她的导师、中国光化学领域的主要学术带头人之一佟振合先生(左)

从兰州大学毕业时,老师告诉她,要推荐你到一个特别厉害的地方跟一个特别厉害的老师继续学习。学什么?光化学。什么是光化学?老师拿了一个装着无色液体的石英池,在灯下一照,立刻闪出耀眼的蓝色荧光,“光化学就是研究物质与光相互作用的科学。”


“特别厉害的老师”是从美国哥伦比亚大学学成归来的中科院感光化学研究所的佟振合教授。“中科院人才济济,身处这样的环境,身边都是优秀的人,逼着自己也要优秀。”


五年后,吴骊珠博士毕业留所工作。1997年,香港回归前夕,为加强内地与香港的学术交流,中科院与香港大学成立了新材料合成与检测联合实验室,吴骊珠作为首批派驻学者前往香港,一边协助实验室的搭建,一边师从香港大学支志明教授学习。支教授从事无机化学研究。先后师从两位学界顶尖的科学家让她受益匪浅。


吴骊珠说,当你把书本上懵懂的知识通过实验做出来并活起来的时候,你自己就成长了。当然,成长也是裂变,收获的背后是付出,科学研究并不是舒服地待在象牙塔里,很多时候都是坐冷板凳,“每一次坚持,都会离你探知的奥秘更近一步。”


她至今记得大学时做过的一次实验:将一种物质在坩锅中烧成恒重后进行实验,从早上8点进实验室,她一遍遍地做,感觉差不多了,可一拿出来就吸水了,只好再做,午饭也没吃,一直做到晚上9点,终于成功完成了全部实验内容。


那是一个冬日的周六,家住兰州的她晚上要回家。站在寒冷的街头等车,车总也不来。等到家上楼时,腿都不会打弯了。一开门,看到满桌等她的饭菜,眼泪突然就止不住了。父母以为她受了委屈,赶紧细问端详,她一边说“没事”,眼泪一边流得更欢,“那是我从小到大第一次知道什么叫累。”


做一个小小实验尚且如此,何况从事科学研究呢?那一刻,她比任何时候都懂得做好一件事的不易。


机会不是机缘巧合


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吴骊珠最珍爱的一张全家福,右一为大学时代的她


吴骊珠出生于书香门第,受家庭影响她自幼酷爱读书,成绩优异,爱好广泛。父母都是大学教授,很重视孩子习惯的培养。当时家住在学校,父亲做班主任,每天早上带着学生们跑操,每当经过自家楼下时便吹两声哨子,她知道这是起床的哨声,“父母要求按时起床,所以我们从小都不睡懒觉。”在大学,遇到一位严格的老师,仍然要求每天起早跑操。大学四年,雷打不动。“冬天冷,真是不想起床,但8点上课,7点之前必须完成晨跑。”


她不理解:学习跟跑步有什么关系?老师的回答是:这是身体和意志的锻练,会让你终身受益。“现在想想很感恩这段经历,让自己变得特别自律。”直到现在,吴骊珠仍是做事严谨的人,“每天的工作必须完成,否则下面的事就进行不了。”


母亲是她成长中的榜样。母亲美丽、聪慧、优雅,是那个年代少有的知识女性。遗憾的是博士毕业前夕,正在忙于毕业论文的她得知母亲病重的消息,匆忙回到兰州,日夜守在母亲身边。手术后,母亲略好,清醒后对她说的第一句话却是:你应该回到学校,完成你的毕业论文。“这个时候母亲惦记的不是她自己,而是我的学业。”吴骊珠止不住自己的泪水,她不走,要继续陪伴母亲做后续治疗。答辩可以延期,不行明年再来。但母亲不答应,她说,我不希望因为我的身体原因影响你的学业,影响你的博士论文答辩。


因为化疗,母亲身体虚弱,待稍稍恢复,便努力坐在病床上谈笑风生,以此告诉女儿:我没事!我能行!在母亲的催促下,吴骊珠又回到学校,连夜改写论文,“我不能不全力以赴,否则会辜负母亲。”在母亲身上,她看到了女性的坚韧与坚强。


母亲走后,吴骊珠无法从失去母亲的痛苦中走出来。一天,偶然一档对话节目,给她心里打开了一条缝:虽然无法留住母亲,却可以做母亲喜欢的人!这意味着在某种程度上又可以和母亲在一起了,也许,这就是生命的意义!从此,像母亲一样,“努力做好每件事”成了她的信条。


科学家的简单幸福


在别人看来,吴骊珠太顺了,一切似乎都是水到渠成。能在自己的专业领域做到世界领先,吴骊珠无疑是一个成功的人。然而离成功越近,她对成功的理解越简单:工作开心,家庭幸福,孩子快乐成长,老人健康长寿。


工作之外的吴骊珠有着平凡人的日常。虽然忙,但她并不缺席孩子的成长。儿子小时候学钢琴,刚开始坐不住,吴骊珠就陪儿子一起练。那时,每天晚上坐在钢琴前听儿子弹琴就是她的幸福时刻。儿子很有天赋,掌握技巧之后进步神速,只考过钢琴三级的他却能熟练弹出十级的曲子,引得邻居都大为惊叹:是他弹的吗?


生活中的她有一个美满幸福的家,丈夫与她有着同样的理念,无论做人还是做事,都希望尽力做到最好。夫妻性情相投,三观一致,彼此一个眼神就能读懂对方。


儿子正在读大学,一家三口工作学习忙得不亦乐乎。闲暇时全家一起散步、聊天、就某个问题展开讨论……“儿子最活跃,想法也最多,经常安排好多有趣的活动。”


公益科普是吴骊珠生活中另一项内容,她应邀做客果壳网,为大家讲述未来光的世界,种种奇妙的构想让听众脑洞大开;她启动并参与“女科学家进校园”活动,用朴素的语言解读深奥的化学,让同学们感知化学改变世界的力量。


对于女性从事科学研究的优势,吴骊珠很自信,“女性做事一般都更有耐心,观察力也更敏锐,面对挫折更乐观更坚韧,这些都是成功不可或缺的素质。”她告诉在校的女大学生们,如果选择科学作为事业,就要坚持下去,只要不轻言放弃,定会有所成就。


采访结束时,吴骊珠向记者描述她想象中的未来:不再有冒着浓烟的工业聚集区;玻璃管如同森林般遍布大地,随处可见高效进行着光化学反应的玻璃建筑。人类不但掌握了在现在看来仍然神秘的植物光化学过程,并且知道如何比自然更加高效地获取所需产品。倘若如此,即使在遥远的将来,煤炭石油的供应完全枯竭,人类文明也不会因此而受到影响,因为只要太阳照常升起,生命和文明将会继续!“为了这个目标,我和团队会一直努力!”