中國科學(xué)院院士楊金龍：單分子技術(shù)仍處于概念、原理提出和實驗驗證階段

“單分子技術(shù)目前仍處于概念、原理的提出和實驗驗證階段，離實際應(yīng)用還有一段很長的路要走。”中國科學(xué)院院士楊金龍在接受《中國電子報》專訪時向記者表示。作為來自微觀世界的新概念，單分子科學(xué)探索的是分子世界的奧秘。

注重原始創(chuàng)新，待成果上“書架”

原子和分子是如此之小，用肉眼和普通的顯微鏡看不見，人也摸不到。但是，原子和分子的科學(xué)構(gòu)成了整個自然科學(xué)的基礎(chǔ)。幾個世紀(jì)以來，人類不斷探索自然界的奧秘，在科學(xué)史上奠定了一座座豐碑。然而，科學(xué)的發(fā)展是沒有窮盡的，時至今日，有關(guān)原子、分子科學(xué)與技術(shù)方面的研究仍處于科學(xué)前沿，不斷涌現(xiàn)出意義深遠(yuǎn)的新思想、新成就。

注重原始創(chuàng)新，讓成果上“書架”，是眾多科學(xué)家的使命。在單分子科學(xué)領(lǐng)域，楊金龍帶領(lǐng)的理論團(tuán)隊與實驗團(tuán)隊緊密合作，系統(tǒng)研究了單分子的磁學(xué)和電學(xué)特性，目前取得了一系列科學(xué)成果。

在接受《中國電子報》記者采訪時，楊金龍向記者詳細(xì)介紹了當(dāng)前的研究進(jìn)展。楊金龍表示，第一是利用單分子選鍵化學(xué)實現(xiàn)了單分子磁性自旋態(tài)控制。這一成果意義重大，為設(shè)計和制備單分子自旋電子器件提供了一種嶄新的重要方法。

第二是利用單分子手術(shù)實現(xiàn)了雙功能的單分子器件，將單分子手術(shù)和操縱技術(shù)提高到單分子內(nèi)多功能集成的嶄新高度。

第三是實現(xiàn)了單分子水平氫鍵動力學(xué)表征，這一成果為理解、進(jìn)而控制和利用氫鍵奠定了深厚基礎(chǔ)。

隨著后摩爾時代的到來，半導(dǎo)體技術(shù)正在快速發(fā)展并發(fā)生變革。單分子科學(xué)技術(shù)是否有望在電子芯片中得到應(yīng)用？對此，楊金龍向《中國電子報》記者表示，現(xiàn)階段，單分子技術(shù)仍處于概念、原理的提出和實驗驗證階段，離實際應(yīng)用還有一段很長的路要走?，F(xiàn)階段，實驗面臨的技術(shù)難點包括單分子器件長期穩(wěn)定性問題、單分子與電極界面結(jié)構(gòu)可控性差、多數(shù)器件要求低溫和真空操作、器件性能重復(fù)性較差、器件可擴(kuò)展性差，以及與當(dāng)前CMOS技術(shù)兼容性問題。理論面臨的問題包括理論方法的精度、速度、適用體系大小難以滿足日益增長的實驗需求、理論模型過于理想、目前研究多局限在單一尺度模擬等。

“在未來幾年內(nèi)，單分子科學(xué)發(fā)展的主要方向?qū)⒕劢乖诠タ艘陨蠈嶒灪屠碚摷夹g(shù)難點。解決了以上問題后，單分子技術(shù)將迎來在電子芯片中的應(yīng)用新篇章。”楊金龍說。

利用科學(xué)解決難題，讓成果上“貨架”

從國家和社會發(fā)展來講，基礎(chǔ)研究是創(chuàng)新的源泉。在取得一定研究成果后，用自己發(fā)展的方法來解決國民經(jīng)濟(jì)相關(guān)技術(shù)難題，同樣意義重大。在楊金龍看來，除了要讓成果上“書架”，還要把成果用起來，用基礎(chǔ)科學(xué)解決與國民經(jīng)濟(jì)相關(guān)的技術(shù)難題，讓成果上“貨架”。

氫燃料電池被認(rèn)為是助力實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的一大關(guān)鍵角色，與新能源汽車等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域高度相關(guān)。零排放、零污染的氫燃料電池汽車，也代表著未來新能源汽車發(fā)展的重要方向。然而，當(dāng)前氫燃料電池所使用的氫氣，通常含有0.5%至2%的一氧化碳。作為氫燃料電池汽車的“心臟”，燃料電池鉑電極容易被一氧化碳雜質(zhì)氣體“毒害”，導(dǎo)致電池性能下降和壽命縮短，嚴(yán)重阻礙氫燃料電池汽車的推廣。可喜的是，楊金龍帶領(lǐng)團(tuán)隊取得了研究成果。楊金龍表示，通過研發(fā)出的高效催化劑，可以有選擇性地高效去除氫燃料中的微量一氧化碳，為氫燃料電池在頻繁冷啟動和連續(xù)運行期間提供全時保護(hù)。

氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展讓新能源汽車界看到了新的希望，但現(xiàn)在，新能源汽車電池的主流是以鋰電池為主體，包括磷酸電鋰電池和鎳鈷錳的三元鋰電池。在不遠(yuǎn)的將來，氫燃料電池是否有望成為新能源汽車應(yīng)用的主流電池？

談及氫燃料電池在新能源汽車中的應(yīng)用前景，楊金龍對《中國電子報》記者表示，氫燃料電池具有清潔、零排放等優(yōu)勢，不受季節(jié)和行駛里程的限制，不會產(chǎn)生電池回收過程中的環(huán)境難題，但當(dāng)前仍面臨幾大應(yīng)用難點。楊金龍指出，氫燃料電池面臨的主要難題是電堆的壽命、成本以及氫的儲存和運輸?shù)取?ldquo;隨著技術(shù)的發(fā)展和上述問題的逐一解決，上述優(yōu)勢也必將促使氫燃料電池成為新能源汽車應(yīng)用的一種主流電池，在長途運輸?shù)钠囍衅鹬鲗?dǎo)作用。”楊金龍對記者說。

加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，促進(jìn)成果轉(zhuǎn)化

科技創(chuàng)新，就像撬動地球的杠桿，總能創(chuàng)造令人意想不到的奇跡。如果想持續(xù)書寫一個個奇跡，就需要繼續(xù)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，為科技創(chuàng)新注入源源不斷的新動能。

楊金龍向《中國電子報》記者分享了一些關(guān)于如何加強(qiáng)基礎(chǔ)研究的觀點。“基礎(chǔ)研究的開展，主要是激發(fā)研究者的好奇心。”楊金龍表示，現(xiàn)在許多基礎(chǔ)研究的領(lǐng)域的突破，都離不開研究技術(shù)手段的突破。比如，在單分子科學(xué)領(lǐng)域，在實驗上需要大力發(fā)展更多高精尖且適用不同應(yīng)用環(huán)境的光、電、磁學(xué)單分子分辨和表征技術(shù)，發(fā)展高效可控的單分子器件制備和優(yōu)化方法等；在理論上需要進(jìn)行低標(biāo)度計算方法發(fā)展、量化高性能并行計算軟件開發(fā)，以及高精度計算算法發(fā)展，以實現(xiàn)對單分子體系更快、更大、更準(zhǔn)地進(jìn)行理論模擬與設(shè)計，為指導(dǎo)和推動相關(guān)實驗研究提供了理論思路和路線。

在氫燃料電池領(lǐng)域，楊金龍帶領(lǐng)的團(tuán)隊在基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化方面尚處于起步階段，目前主要在解決催化劑制備設(shè)備的規(guī)模化問題。事實上，基礎(chǔ)研究到成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用之間往往存在“死亡谷”，讓很多研究成果難以產(chǎn)生應(yīng)有的效益。在科研成果向市場化產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的過程中，應(yīng)該如何跨越這道“死亡谷”？針對這個問題，楊金龍也給出了自己的觀點與建議。

楊金龍向《中國電子報》記者表示，基礎(chǔ)研究成果到產(chǎn)業(yè)化的過程是一個復(fù)雜的、多變的過程。不同成果的轉(zhuǎn)化有不同的路徑，科研、企業(yè)、金融、政府等人員參與其中。“這個過程中的一般原則是，讓專業(yè)的人士做專業(yè)的事。”楊金龍說。

作者丨張依依

編輯丨連曉東

美編丨馬利亞