發(fā)布時(shí)間：2023年3月8日
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你可能沒聽說(shuō)過(guò)聚烯烴，但在日常生活中你肯定接觸和使用過(guò)它，比如塑料袋、礦泉水瓶蓋、薄膜等。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)科大）教授陳昶樂(lè)的工作就是研究如何讓這種材料性能變得更好。
變得更好，意味著這是一條向上的路，注定不那么輕松。“如果再選一遍，我一定還會(huì)選擇化學(xué)。化學(xué)科研的道路雖然辛苦，但我樂(lè)在其中。我?guī)缀趺刻於荚诠ぷ鳎聦?shí)上我不是在工作，而是在做喜歡的事情。”陳昶樂(lè)說(shuō)。日前，他獲得了2022年度中國(guó)科學(xué)院青年科學(xué)家獎(jiǎng)。
挑戰(zhàn)最后的“圣杯”
聚烯烴是世界上產(chǎn)量最大的合成高分子材料之一，占全部塑料的一半左右，全球平均每人每年使用量超過(guò)30公斤。聚烯烴材料被廣泛用于農(nóng)業(yè)、商業(yè)包裝、醫(yī)療防護(hù)等領(lǐng)域。
在20世紀(jì)60年代，聚烯烴是熱門領(lǐng)域，當(dāng)時(shí)全球多個(gè)團(tuán)隊(duì)參與了烯烴聚合的開發(fā)。1963年，德國(guó)化學(xué)家齊格勒與意大利化學(xué)家納塔因?yàn)橄N聚合催化劑方面的研究共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
經(jīng)過(guò)80多年的發(fā)展，很多人認(rèn)為，聚烯烴領(lǐng)域已經(jīng)很古老、體系很成熟了，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都有大量的研究積累。換句話說(shuō)，聚烯烴領(lǐng)域趨于“冷門”了。
“要知道，許多問(wèn)題前人早已研究出來(lái)，而剩下的那些幾十年都解決不了的問(wèn)題，一下子想要突破是非常困難的。”陳昶樂(lè)坦言。
聚烯烴一般是非極性的，這導(dǎo)致其印刷性、染色性等很多性質(zhì)比較差。為了改善其性質(zhì)，人們可以在聚烯烴主鏈中引入少量的極性單體。然而，這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)非常具有挑戰(zhàn)性，被認(rèn)為是聚烯烴領(lǐng)域最后的“圣杯”之一。這就是聚烯烴領(lǐng)域難啃的“硬骨頭”。
陳昶樂(lè)介紹，我國(guó)是全球聚烯烴生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。但是，目前我國(guó)聚烯烴產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了低端產(chǎn)品嚴(yán)重過(guò)剩、高端產(chǎn)品進(jìn)口依賴度高的矛盾。比如我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)了自主創(chuàng)新，但是用于光伏組件封裝的聚烯烴彈性體材料還完全依賴進(jìn)口，并且國(guó)外的生產(chǎn)工藝技術(shù)對(duì)我國(guó)嚴(yán)密封鎖。
從在中國(guó)科大獲學(xué)士學(xué)位，到前往美國(guó)芝加哥大學(xué)攻讀博士學(xué)位（其間獲得芝加哥大學(xué)化學(xué)系Nathan Sugarman教學(xué)獎(jiǎng)，是該校化學(xué)系歷史上第一個(gè)榮獲此獎(jiǎng)的中國(guó)人），再到前往美國(guó)西北大學(xué)從事博士后研究，陳昶樂(lè)始終聚焦于聚烯烴，并積累了10余年的研究經(jīng)驗(yàn)。
他意識(shí)到，“我們唯有通過(guò)科技創(chuàng)新，攻克關(guān)鍵核心技術(shù)，才有可能實(shí)現(xiàn)聚烯烴產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展” 。
2012年10月，當(dāng)時(shí)正在位列福布斯500強(qiáng)的塞拉尼斯公司工作的陳昶樂(lè)作了一個(gè)決定——回國(guó)，加入中國(guó)科大，向聚烯烴領(lǐng)域最后的“圣杯”之一發(fā)起挑戰(zhàn)。
他說(shuō)：“我希望進(jìn)入我國(guó)高速發(fā)展的快車道，為國(guó)家做一些事情。在聚烯烴這個(gè)傳統(tǒng)研究領(lǐng)域，如果我們能夠做出一些開創(chuàng)性的工作，將會(huì)起到推動(dòng)與引領(lǐng)作用，意義重大。”
“試試，再試試”
2013年1月，30歲的陳昶樂(lè)回到中國(guó)科大，成為該校一名年輕的教授。
他將研究?jī)?nèi)容分為兩塊：一塊是如何高效地在非極性聚烯烴里引入極性官能團(tuán)的基礎(chǔ)研究，另一塊是應(yīng)用導(dǎo)向研究，希望實(shí)現(xiàn)高端聚烯烴工業(yè)化的應(yīng)用。自此，一場(chǎng)“硬仗”開始了。
“聚烯烴的核心是催化劑，它可以把烯烴單體聚合起來(lái)。但是一旦引入極性官能團(tuán)，催化劑可能‘死掉’、失去活性。”陳昶樂(lè)介紹，發(fā)展新型高性能催化劑是拿下最后“圣杯”的關(guān)鍵所在。
研究初期，他們進(jìn)行了大量催化劑試錯(cuò)與篩選工作。陳昶樂(lè)笑稱自己做的是“勞動(dòng)密集型”工作。
“當(dāng)時(shí)，我們大概改了三四十種催化劑，仍然沒有找到合適的。”陳昶樂(lè)有些猶豫了，如果放棄，之前花費(fèi)的時(shí)間就白費(fèi)了，但是繼續(xù)堅(jiān)持下去的話，一兩年內(nèi)可能還是不出結(jié)果，那該怎么辦？
實(shí)際上，這也代表了目前整個(gè)聚烯烴領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀——雖然有一定的理論指導(dǎo)，即文獻(xiàn)報(bào)道了成千上萬(wàn)種烯烴聚合催化劑，但要從中得到高性能的催化劑，極其耗時(shí)耗力且成功率很低。
陳昶樂(lè)決定“試試，再試試”。“在實(shí)驗(yàn)室里，陳老師手把手指導(dǎo)我們做實(shí)驗(yàn)，不夠好就改，還不夠好就再改，一直到改好為止……從早上8點(diǎn)到深夜12點(diǎn)，陳老師經(jīng)常與我們共同‘作戰(zhàn)’。”陳昶樂(lè)實(shí)驗(yàn)室成員鄒陳說(shuō)。
正是這種堅(jiān)持不懈、堅(jiān)定不移朝前走的精神，使他們成功發(fā)展了一系列全新的催化劑設(shè)計(jì)策略并制備了全新的催化劑體系。
同時(shí)，針對(duì)催化劑設(shè)計(jì)領(lǐng)域主要基于試錯(cuò)法，效率低、成功率低的特點(diǎn)，陳昶樂(lè)課題組設(shè)計(jì)并發(fā)展出了一系列新型、通用的調(diào)控手段，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)烯烴聚合反應(yīng)過(guò)程的更好調(diào)控，這在國(guó)際上具有引領(lǐng)性。
國(guó)際學(xué)術(shù)界認(rèn)為，引入極性單體是“好事”，可以改善聚烯烴性質(zhì)、提升性能。但是國(guó)際上從來(lái)沒有人系統(tǒng)地研究過(guò)這會(huì)“好”到什么程度、怎么好、具體的性質(zhì)是什么。陳昶樂(lè)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)率先對(duì)功能化聚烯烴材料的一系列宏觀性質(zhì)以及可能的應(yīng)用方向進(jìn)行了“普查”。
在以上一系列工作的基礎(chǔ)上，陳昶樂(lè)又開始新型催化劑以及功能化聚烯烴材料工程應(yīng)用放大方面的探索。
陳昶樂(lè)曾說(shuō)：“在聚烯烴研究道路上遇到的最大挑戰(zhàn)，是如何將自己的研究與文獻(xiàn)中大量的聚烯烴相關(guān)研究區(qū)別開來(lái)，形成自己的學(xué)術(shù)標(biāo)簽。”
“勇敢走出舒適區(qū)”
2020年5月，科技部等九部門印發(fā)《賦予科研人員職務(wù)科技成果所有權(quán)或長(zhǎng)期使用權(quán)試點(diǎn)實(shí)施方案》。這進(jìn)一步激發(fā)了科研人員的創(chuàng)新熱情，促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化。
在這一大背景下，原本就有意將科研成果推向工業(yè)化應(yīng)用的陳昶樂(lè)，在2022年順利成立了合肥中科科樂(lè)新材料有限公司，并且成功獲得了2600萬(wàn)元的風(fēng)險(xiǎn)投資，用于推進(jìn)高端聚烯烴彈性體的工業(yè)化制備。
“目前，市場(chǎng)上的聚烯烴彈性體都由國(guó)外生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)沒有生產(chǎn)商能夠生產(chǎn)。它的主要用途是光伏封裝、汽車車用塑料的改性，以及制備鋰電池的隔膜等。”陳昶樂(lè)介紹，比如聚烯烴彈性體可以把光伏的組件封裝起來(lái)，這樣光伏發(fā)電在野外惡劣的環(huán)境中，也能更好地起到阻隔和透光作用。
當(dāng)真正開始與市場(chǎng)對(duì)接時(shí)，陳昶樂(lè)和團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)的需求和自己的研究方向有很大不同。“大學(xué)里研究和關(guān)注的是更新更好，市場(chǎng)還要考慮成本問(wèn)題、接受度問(wèn)題。不是你的產(chǎn)品好，市場(chǎng)就會(huì)買賬。”陳昶樂(lè)說(shuō)，真正要把原創(chuàng)的聚烯烴彈性體材料推向市場(chǎng)，還有很長(zhǎng)一段路要走。
如今，中科科樂(lè)新材料的發(fā)展逐漸步入正軌，正在做十噸級(jí)聚烯烴彈性體的放大實(shí)驗(yàn)。下一步，他們準(zhǔn)備建設(shè)萬(wàn)噸級(jí)的生產(chǎn)線，進(jìn)行批量生產(chǎn)。
對(duì)于未來(lái)，陳昶樂(lè)充滿信心。“我的目標(biāo)是要用國(guó)際原創(chuàng)的催化劑做國(guó)際原創(chuàng)的高端聚烯烴產(chǎn)品，比如聚烯烴彈性體、環(huán)烯烴共聚物、超高分子量聚乙烯等。”
談及給青年學(xué)者的建議，陳昶樂(lè)表示：“我希望青年學(xué)者盡早找到自己真心熱愛的領(lǐng)域并堅(jiān)定地走下去，同時(shí)需要勇敢地走出舒適區(qū)，挑戰(zhàn)新的研究方向。”
（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 2023-02-24 第1版 要聞）