中国科学报头版头条丨用10纳米“超级放大镜”揭开催化谜团

《中国科学报》 (2024-03-04 第1版要闻)

“除了高兴还是高兴。”在课题组微信群看到论文被《自然》正式接收的消息时，“90后”刘广东开心地笑了。那一刻，过去几年的焦灼挣扎也在他心里一闪而过，最低谷时是导师——湖南大学教授邓辉球推心置腹的开导把他拉了出来。

“扛过来了，2023是丰收年，结婚生子，愿2024依然拥有小快乐和小盼头。”刘广东去年最后一天在朋友圈发的新年愿望，没想到这么快就实现了。

2月29日，这项研究成果正式在线发表，证实了表面应力驱动的反应活性具有特异性，即催化领域没有活性完全相同的两个反应位点。邓辉球告诉《中国科学报》：“这一研究初审时曾获一位审稿专家推荐，认为‘论文不做任何修改可直接接收发表在《自然》上’，但到这一刻真正发表，却跨越了3个年头。”

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邓辉球（左）和刘广东（右）在国家超级计算长沙中心。王昊昊/摄

构建“超级放大镜”还原催化真相

德国哲学家莱布尼茨说过，世界上没有两片完全相同的树叶。这强调了事物间的不同。

化学催化领域，有没有活性完全相同的两个反应位点？在此之前，科学家没有答案。

邓辉球在物质微结构与其性能关系等领域深耕20多年，上述问题自然受到他的关注。他喜欢只列出研究方向，让学生根据兴趣自由探索。2017年，读硕士二年级的刘广东对这个方向产生了浓厚的兴趣，没想到一接手就持续研究了6年多。

“有次我坐车时，经过横跨湘江的三汊矶大桥，这个桥的样子和我们之前研究绘制的表面催化反应曲线图很相似。”当时刘广东就想，居然有这么巧的事情，但他立马又蹦出一个新念头：即使桥和曲线图那么相似，但它们也是完全不同的。催化反应过程中，是不是也没有完全相同的两个反应位点？

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三汊矶大桥和团队研制的表面催化反应曲线图对比。受访者供图

其实，这个假设邓辉球团队此前就做过，而现在要做的是用实验验证这个理论预测。

邓辉球介绍，他们经过大量调研发现，以往研究者是基于小体系、小模型观察催化反应，往往只看到了局部情况或者一个大概框架，观察不到巨大的活性差异。于是，在湖南大学国家超级计算长沙中心和美国普渡大学先进计算Rosen中心的计算资源支持下，研究团队计算了台面宽度为1纳米至10纳米的台阶表面的表面应力和表面应变，发现台阶型缺陷可以释放巨大的表面应力，驱动表面原子弛豫产生跨越几个纳米宽度的非均一应变场，压应变可以高达5.5%，这导致具有相同局部配位的平台面原子产生不同的电子结构和反应性，并导致电化学氧还原反应活性特异性增强。

“10纳米实际上是很微小的，但在理论模型里又是非常大的，它相当于一个‘超级放大镜’，能把催化反应看得更清楚。”邓辉球说，以往小体系小模型的研究没法观察到活性位点的差异性。团队把体系不断加宽加大，通过系列研究发现，每个位点对应的催化活性都是不一样的，一个台阶表面边缘两侧原子的电化学氧还原反应活性要比台面中间原子高50倍。

从理论预测提出到实验验证，团队整整用了5年多。邓辉球说，他们的研究解释了经典离散活性位点模型在预测催化活性方面产生巨大误差的根本原因，揭开了长期以来围绕活性位点和氧还原反应结构敏感性的谜团，为认识催化活性位和设计多相催化剂提供了新视角，让多相催化剂预测和计算设计更加精准。

论文审稿人认为，该研究填补了电催化基础理解中长期缺失的一环，不仅展示了台阶表面应变空间变化的重要性，还提供了一个框架来映射这种行为。

不出宿舍、不敢见同学的低谷期

邓辉球和部分团队成员合影。受访者供图

刘广东来自湖南衡阳的一个农村家庭，“一般直博或硕博连读，大概需要5到6年时间。我先读了3年硕士，读博士又花了4年”。回想起两年前即将博士毕业的那段日子，刘广东感慨颇多。

科学研究是一个不断提出问题和解决问题的过程。从硕士二年级开始到博士，刘广东对表面应力驱动反应活性相关研究逐步深入，但直到博士毕业时，关键的成果还没做出来。“当时很多同学都发了论文，有毕业了的也有工作了的，只有我毕业论文还没着落。初审一共有三个审稿专家。当时三个审稿意见一并发给了通讯作者，有一位专家说‘论文不做任何修改可直接接受发表在《自然》上’，但后两位专家持不同意见，提出论文还需要大修。”

学业的压力和一些外部因素使刘广东越来越焦虑。当时他和女朋友恋爱已有3年多，又是异地，双方家庭都在催婚，而尚未工作的刘广东没什么积蓄。那段时间，刘广东不敢出宿舍、不敢见同学，整日宅在宿舍忙着写论文，“睡不好吃不好，脸上长痘、嘴里长疮”。

虽然一度闪过放弃的念头，但刘广东还是舍不得放下坚持了这么久的研究。

邓辉球有个习惯，上班后会直接到实验室，了解学生遇到什么新问题、有什么新诉求，目的是让学生不在一个难题上停留太久。有段时间，邓辉球发现刘广东几天没来实验室，便把他拉到办公室谈心。

“大家都是这么过来的，广东的压力我深有体会，即使我们课题组给予了硕士、博士较高的待遇补助，但这对一个尚未工作、要成家立业的年轻人来说杯水车薪。”邓辉球几次找刘广东出去吃饭、聊天，慢慢开导他。

“我给他列了几种人生选择，包括继续做研究，或者直接毕业做老师教书育人等。”邓辉球回忆道，“但我也不断告诉他，有梦想、有追求，就一定要坚持，尤其是做科研。”

在老师的开导下刘广东平复了心情，继续投入科研中。这次论文正式被《自然》接收出版，让刘广东终于舒了一口气。“幸好我选择了坚持。虽然论文经过3次大修、跨了3个年头，但我相信，坚持就能胜利。”加上审稿人的意见和合作者们的打磨修改，这篇论文改了超百次，论文第一版和发表版相比“面目全非”。

刘广东毕业后留在原课题组继续从事博士后研究工作。现在，他对科学研究有了新认识、对后续研究方向有了思路。“如果你正在纠结是否做科研或做哪一个领域的研究，请先做充分了解，选对引路人和平台很重要。”

“我的博士生都愿意留下来做博士后”

科研圈有个现象，不少博士毕业后不会选择在原课题组从事博士后研究，而是去其他高校或科研机构。有人认为留在原组做就是读加长版的博士，也有人认为，从学术角度来说，换新地方可能会有新视野、新资源。

“我的博士生毕业后都愿意留下来继续从事博士后研究。”邓辉球说，目前他的团队有青年教师、博士后、博士及硕士研究生等50多人。

培养科研团队，邓辉球有一套自己的方法。首先是全力支持学生结合国家需求做重要科学研究。

“我们团队学生只要有合理需求，我就全力支持。”邓辉球认为，每个学生的兴趣和能力不同。一些学生适合自由探索，邓辉球会让他们根据、研究兴趣开展研究，只给予指导而不制定固定的研究任务；对于另外一些同学，则一起制定严密的研究计划和具体任务。刘广东就是自主选择研究方向、自由探索的学生之一。

邓辉球透露，其实此次发表的研究成果背后，并没有固定的科研项目支持，“研究持续了几年，经费非常紧张，其中国际合作单位给予了大力支持，是合作多赢的典范”。

当学生有一定的研究基础后，邓辉球会积极推荐他们参与国内外的交流合作。“这其实是一种强强合作的体现，我在交流合作时不求数量多，但合作对象在某些方面必须比我们强，让学生到更强的团队里学习，学生和整个团队才会进步得更快。”

“我已经是个科研老兵了，要把更多机会留给年轻人。”邓辉球告诉《中国科学报》，此次发表的论文的通讯作者之一曾振华，就是他以前的硕士生。

邓辉球很早之前就要求团队“先强带后强”：“上学期间我全力支持学生，也希望他们毕业后有更好的发展、更大的平台时，一定要多回来帮帮学弟学妹，这也是一种反哺行为。”曾振华现在是普渡大学的学者，此次研究就是他主动和团队联系开展的。

“在这样的良性循环下，越来越多像曾振华和刘广东这样的学生成长起来，期待他们在科研道路上有更多新成果。”邓辉球说。