化学|“明星”pi-分子养成记
作者 |甘晓
大多数分子中 ， 电子的运动总会束缚在原子周围 ， 就像地球总是在固定轨道上围绕太阳运动 。
“pi-分子”是特殊的一类 ， 碳原子之间或者与杂原子之间通过一定方式互相连接后 ， 让电子能够在“离域轨道”上自由“奔跑” 。
对科学家而言 ， pi-分子的这一特点 ， 为创造各式各样新奇性质 ， 提供了无限可能 。
在中国科学院“率先行动”计划支持下 ， 中国科学院化学研究所（以下简称化学所）联合长春应用化学研究所、上海有机化学研究所以及微电子研究所等多家单位 ， 围绕pi-分子体系开展深入研究 ， 创造出一批“明星”分子 ， 引领了分子材料和器件研究 ， 奠定了柔性光电子应用的核心物质基础 。
今年8月 ， 这项成果入选中国科学院“率先行动”计划第一阶段59项重大科技成果及标志性进展 。
勇攀科学高峰
2014年5月22日 ， 中国科学院战略性先导科技专项（B类）“功能pi-体系的分子工程”（以下简称先导专项）在化学所启动 ， 由中国科学院院士朱道本和万立骏担任首席科学家 。
当时 ， “率先行动”计划启动实施不久 ， 先导专项是其中一项重点工作 。
“从事基础研究要勇于开展原始创新 ， 瞄准别人没有做过的新方向 。 ”朱道本经常这样鼓励后辈 。
上世纪80年代 ， 朱道本带领化学所研究团队与德国科研人员通力合作 ， 研究了二维有机导体的热电性质 。
和已经投入应用的无机热电材料不同 ， 有机热电材料具有溶液加工性、柔韧性和低热导率等优势 ， 能够极大地拓展这类材料的应用范围 。
多年来 ， 研究人员在不同历史方位下 ， 不断开拓有机热电材料研究的新疆界 。
【化学|“明星”pi-分子养成记】在“率先行动”计划支持下 ， 他们多次刷新代表热电性质的“热电优值（ZT值）”纪录 ， 并制备出ZT值最高的n型分子热电材料 。
同时 ， 率先研究了共轭分子热—电可逆能量转换关系 ， 首次实现了有机热电薄膜的自供电传感和帕尔贴制冷 。
石墨炔是碳材料家族中冉冉升起的明星成员 。
2010年 ， 化学所研究员、中国科学院院士李玉良带领课题组创造性地采用化学合成的方法 ， 成功制备出石墨炔薄膜 。
这是世界上首次通过化学方法设计合成获得的全碳二维材料 ， 也是地地道道的“中国牌”碳材料 。
当前 ， 围绕pi-分子科学前沿 ， 有机拓扑绝缘体、有机热电、有机超导等新方向的蓝图已经绘就 ， 研究人员勇攀科学高峰的决心更加坚定 。
“21世纪的化学 ， 将呈现多元化和高度交叉的发展趋势 ， 中国学者应充分把握好分子电子学领域自主创新的机遇 。 ”朱道本强调 。
打造酷炫未来
pi-分子体系能轻松实现光电转换、电光转换、热电转换、分子荧光、化学信号响应等功能 ， 有着极具想象力的未来应用 。
在“率先行动”计划和先导专项的支持下 ， 研究人员大开脑洞 ， 围绕有机半导体、有机光伏、有机纳米激光、有机薄膜晶体管等打造酷炫“黑科技” 。
例如 ， 基于高载流子迁移率的有机/聚合物半导体 ， 研究人员创造出一批多功能有机场效应晶体管（OFET）——实现超灵敏压力感测的新型柔性浮栅OFET（SGOFET）有望应用于可穿戴医疗设备和压力测绘技术 ， 仿生物突触的压力传感器OFET则在人工智能元件中显示出广阔前景 。
这些材料器件可被做成化学传感器、压力传感器、光电探测器等 ， 用在不同场景下的感知系统中 。
而在有机光伏材料上 ， 研究人员则针对室内应用的低功耗、离网电子产品的能源供应研发出新的有机光伏电池 ， 在室内光源连续照射超1000小时的情况下 ， 依然可以保持其初始效率 。
对有机纳米激光材料的未来 ， 科学家的目标是“视觉革命” 。
化学所研究员赵永生介绍 ， 在掌握有机纳米激光在化学反应层面的规律后 ， 他们克服了传统半导体材料在同一基板上生长和图案化的困难 ， 制备了具有像素化微激光阵列的全彩色激光显示面板 。 “全色域、高亮度、极限高清、真3D——未来不是梦 。 ”他说 。
此外 ， 中科院微电子所科研团队在新的迁移率模型下 ， 制备出在商业上具有重要价值的有机射频标签 。
在科学家们看来 ， 这些基础研究成果形成了一批具有自主知识产权的柔性器件制备和集成技术 ， 有望引导我国有机电子产业的兴起 。
营造宽松氛围
许多参与先导专项的科研人员的体会是 ， 立足世界科学前沿 ， 同时以未来应用为牵引 ， 是先导专项能够获得成功的关键 。
不仅如此 ， 他们还在从事基础科研的宽松、稳定环境中大获裨益 。
化学所研究员狄重安深有体会 。 他从2010年开始从事有机热电方向的研究 ， 由于该领域的前沿性 ， 使其面临相关科研仪器缺乏的困境 。
“朱道本先生常说 ， 做基础研究要先有方向 ， 再开展研究 ， 并且强调要面向未来而不是面向当下去部署方向 。 ”
他说 ， “所以我开始做有机热电时它是非常前沿和极具挑战的方向 ， 很多研究设备都没有 。 ”
从头开始搭建平台、研制仪器 ， 研究工作不得不缓慢进行 。
2010年开始的一项研究 ， 直到2015年才得以完成并发表 。
几年下来 ， 狄重安感受到研究所层面对他所从事的创新研究的大力支持 。
“所里以仪器设备研制等形式对新方向予以重点资助 ， 让我们沉下心来做研究 。 ”他告诉《中国科学报》 。
化学所所长张德清表示 ， 化学所一直坚持原始创新的初心 ， 已经形成利于基础研究的良好风气和氛围 。
“世界新科技革命发展的势头迅猛 ， 作为重要基础科学的分子科学 ， 正在孕育新的重大突破 ， 我们力争为实现核心pi-分子体系的跨越发展提供一片沃土 。 ”
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