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作者:孔维林 陈艳欣 来源:《国科大》 发布时间:2021/11/30 17:42:21
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中科院院士赵宇亮:做国家最需要的事

 

编者按:如果问赵宇亮,他在科研道路上最深刻的记忆是什么,他会毫不犹豫地告诉你,是两次“转身”。第一次,他本是一位核化学研究者,因与同事们一起发现113号新元素而享誉其领域的时候,却毅然转身去开拓纳米生物安全这个尚无人问津的前沿科学研究领域,在新的研究方向从零开始。第二次,当他用20年的时间在纳米生物安全基础研究领域走到国际最前沿的时候,却选择从实验室走出来,从基础研究转向应用转化,再一次转身去开拓成果转移转化领域,将实验室的基础科研成果变成对国家和人民真正有用的技术和产品。

如何过一种有意义的人生?赵宇亮用自己的经历给出了答案。

从地球到月球的星际电梯是否有可能建成?

可注射的治病纳米机器人真的能成为现实吗?

……

这些问题看似天马行空,却都能在神奇的“纳米世界”里找到答案。“实际上,我们平常用的最普通的手机里面就包含了用100多项纳米技术制成的部件或材料。”中国科学院院士、中国科学院大学(以下简称“国科大”)专任教师、国家纳米科学中心主任赵宇亮在央视栏目《开讲啦》说。

摄影/陈安澜 徐晓燕

纳米这么神奇?

纳米技术从“铺天盖地”到“顶天立地”,经历了20多年的时间。

2000年左右,纳米技术在国内引发广泛关注,在学术界乃至社会其他领域堪称一夜爆红,可谓铺天盖地。纳米牙刷、纳米毛巾、纳米鞋垫……种种“纳米产品”在市场上随处可见。“纳米”这个词仿佛万能的“帽子”,频繁出现在社会生活的方方面面,当时的人们对“纳米”可谓耳熟能详。尽管当时社会上不少人把“纳米”当作噱头,但在20世纪初,中国的纳米技术研究才刚刚开始。等到纳米技术真正发展起来的今天,公众对待纳米技术的态度回归理性,社会舆论反而平静下来。在赵宇亮看来,这种社会心态的转变,或许正是像中国这种,对科技充满期待和憧憬的国家,发展前沿技术的必由之路。

那么“纳米”究竟是什么?

其实纳米,跟米、厘米、毫米一样,是一个长度单位。只是它所指代的长度极小,一纳米等于十亿分之一米,相当于头发丝直径的十万分之一。如果将一纳米的小球放在乒乓球上,相当于把乒乓球放在了地球上。

纳米虽然只是一个尺度单位,但是,纳米科学与技术却远非尺度问题,因为,纳米尺度既是物质世界从无功能向有功能的过渡空间,也是生命世界从非生命到有生命的过渡空间。在我们的生命体内,原子间的结合与聚集组成不同结构、不同功能的分子。其中,大约两个纳米宽度的DNA承载着人类生命的遗传密码,一些纳米尺度的大分子聚集组合起来能够形成线粒体、核糖体、细胞膜等,进而出现生命。

“从无功能到有功能,从无生命到有生命,这些变化实际上都发生在纳米尺度。”赵宇亮说。

纳米科学与技术涉及人们衣食住行的方方面面,其研究成果往往能作用于各领域,极大促进人类社会的进步。尤其在医疗健康方面,纳米技术所产生的变革性影响,将带来大量新技术、新方法,推动人类健康技术的发展与变革。

但纳米材料极小,即便体外检测都非常困难,如果进入到体内,该怎么样去检测和观测它呢?赵宇亮用一专业术语给出了答案——同位素标记。

“例如,纳米碳管是一个典型的纳米材料,我们把它标记了碳同位素以后注射到小鼠的体内,发现很快在小鼠的五脏六腑里面都观察到了纳米碳管。”赵宇亮讲道,“按照教科书上经典代谢动力学,纳米碳管不应该以这么快的速度在生物体内转运。”

发现纳米碳管在生物体内的快速扩散能力后,赵宇亮团队决定利用这一现象,让纳米机器人在人体内递送药物,构建纳米机器人的药物递送系统。药物递送类似于寄快递,把地点填好后,药物载体就会作为“快递员”,把需要的药物送到肝脏、肾脏、脾脏、肺等疾病发生的地方。目前在全世界正在研发的药物载体中,可注射纳米机器人是最先进的一种。

“现在我们制造的最小的机器人大概只有细胞的1/50大小,用针头把它注射到身体里面后,它可以主动寻找目的地,比如肿瘤病灶处。这相当于我们给外卖小哥安了一个自动驾驶装置,只要告诉车去哪里,车就开到哪里。”赵宇亮解释道。“纳米机器人也可以被用来治疗心血管疾病。纳米机器人极小,因此能够进入血管,将凝聚的血块清理掉,相当于‘清洁工’定期对血管内壁做清扫。”

可注射纳米机器人在体内进行药物递送,既可以做疾病诊断也可以做治疗,未来的它有可能让人类外科手术消失,这是人类健康的最大福音。

“纳米机器人用于医学后,我们就可以减少乃至取消现有的开颅手术、开胸手术或其他大型手术。智能化是人类技术发展的基本方向,从今往后50年甚至更长的时间,人类的科学技术会把我们所用的生产工具、生活工具、娱乐工具等都智能化。在这个过程中,纳米技术作为底层技术,是智能社会的技术基础。”赵宇亮眼睛发着光似地说。

无论是纳米材料的生物安全性,还是纳米机器人的生物医学应用,种种科学成就的背后是赵宇亮20多年来日夜泡在实验室的见证。现在他以纳米研究领域专家的身份出现在人们的视野中,几乎没人能想得到,在20年前,他还是一位核化学家。

曾惑科学何处去?

如果问赵宇亮,他在科研道路上记忆最深的是什么,他会毫不犹豫地告诉你,是两次“转身”。

20年前,赵宇亮是一位核化学研究者,从事新元素合成。目前,元素周期表有118个元素,其中的113号Nh是唯一由亚洲人发现的新元素。作为Nh元素发现团队的一员,他已在新元素发现这一领域功成名就。

元素周期表的奇妙之处在于,它浓缩了整个宇宙,迄今人类所认识的这个宇宙,就是由这些元素构成的。周期表中每一个元素的位置决定了物质的结构,结构决定性质,性质又决定用途。因此,如果一个人能发现一个新元素,能在元素周期表加上一位“新成员”,他就可以自豪地告诉子孙后代,他的科研生涯是为科学发展作出了已被历史记载的贡献。

但赵宇亮不愿意趴在功劳簿上讲过去的故事。2001年,纳米生物安全这个领域还是空白,因为觉得研究纳米生物安全性这件事具有重大科学价值,赵宇亮便从核化学转向纳米生物安全研究。2019年,他已经成为纳米领域的国际知名专家,当国家号召“要把论文写在祖国的大地上”,他又从基础研究转向应用研究和成果转化。这种转行实际上非常辛苦,由于需要学习新知识、新技术,他每天都要付出比别人多一倍的工作时间。但是,赵宇亮说:“选择那些更有创造性、更有挑战性、更有意义的事情去做,尤其是选择对国家更有意义的事情去做,是人生的最大乐趣。”相比于在既有的功劳簿上草草添上几笔,选择更有创造性、更有挑战性的事情做,这样的人生,对他而言更加充满乐趣。

2001年,赵宇亮刚回到国内。在一次学术会议的茶歇上,他与一位来自德国的科学家边喝着咖啡,边聊着在欧美广受争议的转基因食品。那时候,中国社会对转基因尚没有太多关注,而纳米技术的宣传却是铺天盖地。“转基因技术被消费者质疑是因为安全性问题,纳米技术和纳米材料是否也有安全性问题?”这个疑问在赵宇亮的脑子里一闪而过。带着这样的疑问,赵宇亮回去之后搜索资料发现,不仅中国国内没人研究纳米材料的安全性,就是在全世界范围内,也都没有人关注这个问题。这一发现,让本就热爱挑战的赵宇亮“蠢蠢欲动”,他想:“既然没人做,那就由我来做这件事。”如果他本身就是纳米技术专家,突然找到尚未被发掘的纳米生物安全性研究,那也是堪比哥伦布发现新大陆,老矿工发现黄金矿的大好事。但问题是,他本身是一位核化学研究者,而且已经成绩卓著,又何苦到另一个赛道上“白手起家”?

“这是我第一次转型。那个时候我还年轻,才30多岁,当时根本没有人赞同我的决定。”赵宇亮说。2003年,在一次重要会议上,当他提出“纳米安全性”(纳米毒理学)这个词,其他专家一听,纷纷质疑,因为从来没听说过纳米技术和纳米材料还有安全性问题。当赵宇亮向其他人解释说,纳米毒理学是为了让人们更安全地或者更好地去使用纳米技术,而不是去证明它有毒有害时,人们仍然对此半信半疑。

缺乏同行的理解和支持,纳米生物安全性(纳米毒理学)的研究工作起步十分困难,但这没让赵宇亮灰心。他认为,被人“泼冷水”是好事,更能启发自己的思维向多角度多维度转变。

为了减少学术界对概念的误解,他想到“纳米生物效应”这个词。因为“生物效应”是具有辩证性的术语,既有利也有弊,相比于“安全性”的表述,更容易得到学术界认可。在他和同事们的共同努力下,这一前沿交叉研究领域逐渐得到领域专家的普遍认可,而且也在全球迅速发展起来。

“有困难不怕,懂得做事的方法才是最重要的。”赵宇亮说,“但当你有新的想法和思想,在一个新的领域做一件全新的事情时,第一件事就是去找这个领域内真正的专家合作。”

为了掌握开启新研究所需的生物实验技术,他自己每天从玉泉路坐公共汽车到北京大学去听课,并跟北京大学刘元方院士团队合作。“同时把北大毒理学专家贾光教授、江泉观教授等请到实验室来,教我和学生做动物实验,例如,教我们怎么把药剂注射到老鼠的尾静脉里,那个尾静脉特别细,刚开始的时候,我们扎到自己手指上,满手都是血。”

一路走来,他在纳米毒理学领域硕果累累。作为国际上最早开展该领域研究的学者之一,他从明确研究方向到创建重点实验室,开辟了我国研究纳米毒理学与纳米生物安全性研究的道路。在国际上,他建立定量分析方法,被ISO/IEC定为国际标准,推广到160多个国家。他的研究成果多次获奖,如“国家自然科学奖”二等奖、TWAS化学奖、中国毒理学杰出贡献奖、何梁何利科学与技术进步奖(化学奖)、科院杰出成就奖等。

“纳米毒理学的第一本教科书是中国人领衔编著的。”赵宇亮介绍,《纳米毒理学》这本书,作为领域内第一本教科书,是他与各国科学家共同的心血。2005年年底他写出这本书的框架,2006年他和实验室的同事们负责撰写其中五章,其余章节邀请了11个国家的科学家共同撰写。10个月后初稿完成,美国著名毒理学家奥普多斯特尔审读初稿时,提出增加一章。在一个新的研究领域,能由中国科学家领衔撰写第一本教科书,在2005年之前还是很少见的。

纳米毒理学揭示了纳米尺度物质在体内的吸收、分布、排泄、代谢和毒性的现象和规律。在深入研究纳米材料的基本生物学特性以后,赵宇亮意识到,利用纳米材料的生物学特性进行疾病诊疗,是另外一种创新思路,所以他在2003年就开始了纳米药物的研究。比如,他提出通过设计纳米颗粒表面,利用不同分子结构的不同生物功能,同时调控肿瘤微环境中多种成分,让它们不再适合于肿瘤生长,以“监禁肿瘤”,而非杀死肿瘤细胞方式治疗肿瘤,这是一种毒性更低、对人体伤害更小的控制或治疗疾病的方法。总之,赵宇亮的研究成果,包括最近与同事们一起研发可注射的治病纳米机器人,对人类健康技术的变革性发展,将起着重要作用。

为国利民,无问西东

到2020年,中国纳米科技累计申请专利已超过30万件,论文发表数量和质量排在全球第一。“但这些研究成果却很少有人去转化和落地的,这太可惜了!”世界处在百年未有之大变局,我们国家处在一个外部科技环境极其特殊的历史时期,为了把科研成果真正写在祖国的大地上,2019年,赵宇亮产生了建立一个纳米科技成果转化和中试平台的想法。

在几十年的基础研究生涯中,他深深意识到,我国在科技飞速发展的进程中,存在着科技创新链不完整的问题。他介绍道,科技创新链分为9级,其中1~3级是基础科学研究,4~6级是成果转移转化,7~9级是企业研发的产品与商品。

“1~3级是科研人员的事情,7~9级是企业界的事情,那么4~6级谁来做?”赵宇亮发问。

为了将科学发现转化为实际的生产力,让科研成果从实验室走进千家万户,他再一次以令人瞠目的速度切换科研定位,跳出深耕20年的纳米科学基础研究领域,再一次从零开始,开展科技成果转化和应用研发的工作。

从零开始开辟纳米毒理学这一研究领域时,他38岁,还算年轻。如今,在从零开始成果转化的领域,他已经不年轻了,或许可以说是“老夫聊发少年狂”。但是,面对社会和国家的需要,他又义无反顾,迎难而上。为了把基础科研发现的现象、规律和原理通过工艺、标准和技术研发应用到产品,他决定自己化身工程师,在论文和产品之间架起4~6级创新链连接的桥梁。

2019年12月18日,广东粤港澳大湾区国家纳米科技创新研究院(以下简称“广纳院”)成立。广纳院旨在创建完整的1~9级科技创新链,推动我国基础研究成果的产业化。

结合当前我国的科研和企业发展实情,即科研院所完成了科技创新链1~3级的工作,企业界负责7~9级的工作,赵宇亮认为,广纳院的主要任务就是补齐我国科技创新链所缺失的“4~6级”这个关键环节,担任桥梁的角色。

“企业的产品研发工程师与基础科研人员的思维方式是不一样的,事实上,在我们国家,这两拨人沟通交流的机会都极为欠缺,许多前沿研究成果都是一发完论文就没人管了,这太浪费了!”为了使科技创新链上下游达成良好的沟通、合作,他决定先把这两拨人聚在一起。“开学术会议时,企业很少有工程师来参加,所以我就开始邀请企业的研发工程师来参加我们的学术会议,只要来人就行了,不收注册费。”赵宇亮笑着说。现在赵宇亮带领的广纳院已有近600名工程师,有21个项目在转化落地,7个通用技术平台在建设。

很多人不理解,问他为什么要那么“辛苦”?

但赵宇亮认为,追求科学真理和造福国家人民是密不可分的。如何将论文写在祖国大地上,并且还能转化成对国家和人民真正有用的成果,赵宇亮无疑用自己的两次“转身”给出了答案。

正如他所说,“富有挑战性的问题是科研工作的乐趣,要做就选择科学意义更大、社会意义更大的研究去做。”

科学研究没有终点

赵宇亮是一个值得敬佩的人。在无数的崇拜者中,最敬佩他的当属他的学生们。在学生们眼里,赵宇亮睿智的洞察力,以及与之匹配的锲而不舍和执着精神,是他身上最令人记忆深刻的品质。

2003级博士生孟幻,现在已经是一名颇有名气的研究员,作为陪着赵宇亮一起“辛苦”、见证他悍然不顾地“转身”的学生,他仍记得在学生时代,导师与他一起熬过的夜,对他说过的话。他清晰地记得导师说过,“未来要么在交叉学科开展工作,要么在交叉领域懂得与他人合作。”赵宇亮是这么说的,也是这么做的。

由于当时国内外还没有人知道研究纳米物质的生物安全性的前瞻性和重要性,开展纳米毒理学实验,是一件被学术界认为是“疯狂”的想法。

一方面,由于没有文献可以借鉴,该项试验难度高、几乎没有任何可以借鉴的研究方法,即使是动物“染毒箱”也需要独立设计搭建。另一方面,当时传统学科对这一方向认可度低,投稿难度大。孟幻基于对导师的信任,在赵宇亮的鼓励下,与几位同学共同完成国内乃至世界范围内最早的纳米安全性动物实验的设计和研究工作。

最早的研究工作可谓一路“跌跌撞撞”,最终的研究成果发表在Toxicology Letters上。这是毒理学领域内公认的权威专业期刊,尽管杂志的影响因子不高,但是,就是这些第一批数据,揭示了一系列重要毒理学作用机理,奠定了实验室在学科领域中的国际地位。实验室最初的研究论文连续10年成为该领域的“hottest paper”,单篇的引用大都超过千次。“回想起来实属不易,多亏赵老师的引领与坚持,不然不可能做出引领性的研究工作并成为引领性的实验室。”孟幻说。

赵宇亮是对工作要求很高,同时以身作则的人。正是因为他对自己和对学生都是统一的“高要求”,看着他前行的背影,学生们也深深地被他对科研的“赤子之心”所打动。

“赵老师每日工作到晚上11点还不休息,为了学习新的知识,可以每日乘公交车去北大听课,不辞辛苦地向领域的科学家请教。让我从心底里敬佩赵老师对科学的热爱之情。”国科大2012级博士毕业生王亚玲说。

赵宇亮一直坚信,科研过程一定不是一个享受的经历。科研工作只有在经历困难之后取得突破,才会迎来享受的时刻。任何突破性成果的取得,都要经历无数次大大小小的失败或打击,只有坚持,才能最终将科学造福人民。

这份认真和热爱感染了实验室的学生们,王亚玲说,正是赵宇亮的身体力行,让他们明白,科学家是通过不断学习知识、积累实验经验和技能,做出科研成果造福社会,从而实现自己的人生价值。

赵宇亮喜欢和学生在一起,在担任国科大本科班主任时,也乐于和年轻人一起讨论学术与人生。他的同事,国家纳米中心教育处主任潘海莲回忆一次偶遇时说:“有一次我在他办公室门口,看到他和本科生一起交流的那种神情,能感受到他是发自内心的高兴。”

国科大2021级新生开学典礼上,赵宇亮满怀期待地看着又一届新生,说着对学生们的期许,也宣告着自己的信念。

“当前,我们正处于与世界科技强国拼耐力、拼韧劲,拼思想、拼创造,拼精神、拼奉献的时期,这是考验中国科技是否有能力跑入‘无人区’的关键。”

回想自己功成名就后又从头再来,力排众议踏上无人看好的研究道路,最后都成为人生的一段又一段精彩赛道,说不上哪里是起点,仿佛未来也不会有终点。于是他说:“科学研究,这不是短跑,而是面向无尽前沿的‘马拉松接力赛’。”(原标题:赵宇亮:做国家最需要的事 作者系国科大记者团成员 部分照片由国家纳米中心提供)

 
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