稀土是現代工業不可或缺的原料，也是我國的重要戰略資源。稀土元素在地殼中丰度較高，但大部分稀土礦是伴生礦產，且隨著稀土資源的不斷消耗，精礦品位、冶煉提取及其回收利用成為稀土產業發展亟須解決的關鍵科學問題。近日，中科院福建物構所結構化學國家重點實驗室孫慶福課題組及其合作者基於超分子協同作用，提出了稀土—稀土、稀土—過渡金屬、稀土—鹼土金屬的單步高效分離的新策略。
孫慶福課題組合影
深耕配位超分子化學
中科院福建物構所研究員孫慶福的課題組成立於2013年9月，是一個“年輕、能戰鬥”的團隊。
孫慶福對《中國科學報》記者說：“課題組研究方向目前主要集中在配位超分子化學領域，具體包括容器型配位超分子的結構設計與精準合成、基於主客體化學的傳感識別及催化轉化、多功能稀土超分子配合物等三個方面的研究。”
“超分子”這一術語早在20世紀30年代中期就被提出，而超分子化學的概念和術語則是在1973年提出，“分子間的相互作用則是超分子化學的核心”。
孫慶福告訴記者：“區別於國外求學與博士後研究階段主要關注於超分子結構的設計與合成，獨立工作後，我更加關注超分子組裝體在催化、環境、生物與醫藥等功能材料方面的應用研究，希望能在分子水平上真正實現功能導向的材料結構設計。”
中科院福建物構所是結構化學和光電晶體材料領域世界領先的科研基地，自1960年創所以來，結構化學一直是福建物構所的重點研究方向和傳統優勢，以中科院院士洪茂椿、吳新濤為代表的多個研究團隊在超分子化學領域擁有在國際上具有重要影響的系列原創成果。
“所裡不僅有深厚的科研基礎，還擁有各種大型儀器設備，可以為科學實驗提供強有力的支撐。同時，所領導對新引進人才和隊伍，從工作到生活，都十分關心，所以回國後，我選擇到這裡工作。”孫慶福說。
自課題組成立以來，他們在超分子組裝方法學、組裝體系的結構創新、超分子體系的性質與功能開發方面取得了系列成果和突破，近五年來在國際知名雜誌發表原創學術論文21篇。
孫慶福說：“例如在超分組裝體系的結構創新方面，我們將具有優異光電磁特性的稀土離子引入到配位超分子的結構設計之中，實現了不同分子組成與幾何構型稀土配位組裝體系的精準合成，總結了稀土配位超分子的結構與性能調控規律，促進了稀土超分子化學的發展。”
開拓多功能稀土多面體研究領域
金屬——有機多面體是目前超分子化學研究的熱門領域。孫慶福說：“這類超分子由於其獨特的空腔結構，在仿生催化、藥物傳輸、熒光探針等方面已經展現出廣泛的應用前景。”
孫慶福課題組聚焦於將具有優異光電磁特性的稀土離子引入到金屬有機多面體的結構設計之中，開拓了“多功能稀土多面體”這一超分子化學研究的新領域。
在研究中，課題組突破傳統思路，提出了新的設計方法，成功製備了目前最高發光量子產率的鑭系銪超分子四面體。他告訴記者，這項研究工作提供了一種提高稀土超分子多面體光學性能的新策略，為未來智能型分子基稀土熒光材料的設計和發展提供了重要的研究思路。
2016年，諾貝爾化學獎就授予了三位開創“分子機器的設計與合成”這一前沿領域的分子科學家，而刺激響應性智能材料一直是超分子化學領域研究的熱點。
孫慶福說：“智能型分子基稀土熒光材料首先應該具有對外界刺激的可控響應性，比如人們可以根據需要來定向操縱這類材料的發光波長、強度、壽命等光學特性，或者將材料的熒光性質與環境監測、診療藥物等特定功能相結合。”
然而，類似於宏觀機器的裝配，分子機器的構建必須基於化學家對各個組裝模塊結構與功能的充分理解與掌握之上。正是由於課題組的工作，可以為未來智能型分子基稀土熒光材料的研發提供相應的分子水平上的物質基礎，也為它們的響應性操控提供了理論模型。
將研究應用到產業
在稀土化學這一領域，雖然孫慶福在國外從事博士後研究工作時有所薰陶，但在課題起步階段，他“明顯感覺到相關基礎知識儲備並不充分”。
為了彌補缺陷，他一有時間就泡在教科書和前沿文獻中。他說：“任何個人或團隊的科研工作都應該要有一定的延續性，在發揮自身優勢的同時，要去尋求新的增長點。從事科研工作最重要的因素是人，任何科研成果的取得都離不開一個團隊的集體努力。文獻跟蹤、專題講座、課題進展討論三種不同性質的組會是我們課題組集體學習、共同進步的法寶。”
由於在稀土超分子多面體自組裝這一領域的多年工作積累，孫慶福課題組的研究入選“2017年中國稀土十大科技新聞”。
他說：“稀土作為我國的戰略元素，高性能稀土材料的研發本身具有重要的科學意義和應用價值。另外，將稀土的特殊功能性與超分子自組裝這一前沿領域相結合的研究思路、將理論計算與實驗驗證相結合的研究手段等，也都是我們研究工作的獨特之處。”
目前，孫慶福課題組計劃基於稀土超分子多面體尺寸可調的內部空腔，進一步開展此類自組裝體系在分子識別、檢測與催化等方面的功能探索。“同時可以預見的是，通過對稀土超分子組裝體性能的進一步優化，未來此類新材料在生物成像上轉換髮光材料及多功能診療藥物等方面也具有較好的應用前景，相關合作研究已在進行中。”孫慶福表示。
《中國科學報》 (2018-03-12 第6版 院所)
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