鄧勇輝

以“傳感科學(xué)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇”為主題的2019年第三次啟明星論壇于11月14日在復(fù)旦大學(xué)召開。本次啟明星論壇無論是在星友的參與度，還是在貼合論壇希望達(dá)到的激發(fā)更多跨學(xué)科思想碰撞交流的宗旨方面，這次論壇都具有刷新的意義。在這個(gè)成功的背后離不開本次論壇的實(shí)際策劃執(zhí)行人——2008級星友、復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系鄧勇輝教授。也是因?yàn)檫@次論壇，我們相約采訪鄧勇輝星友，以更多地了解傳感科學(xué)這一帶動(dòng)性極大的科技領(lǐng)域的進(jìn)展以及鄧勇輝與傳感的故事。

“經(jīng)歷過10年雙搶的孩子什么苦都能吃！”

鄧勇輝出生于江西臨川一個(gè)普通的農(nóng)耕家庭。在鄧勇輝的印象中，從小學(xué)高年級起他一到放假就會(huì)和三個(gè)哥哥幫助父母干農(nóng)活，算是家里的主要?jiǎng)趧?dòng)力，每逢暑假，更是將所有的精力都放在了“雙搶”上。所謂雙搶，就是要搶收早稻、搶種晚稻，而且不止要在田里種稻谷，還要到山上開荒，種大豆、花生、油菜等，每天會(huì)在太陽下勞作十幾個(gè)小時(shí)，這可比讀書辛苦多了。因此，現(xiàn)實(shí)的生存狀況和父母的告誡從小就不斷鞭策他們:只有讀書才能改變現(xiàn)狀。父母寧愿自己受苦受累、節(jié)衣縮食也一定要供子女們讀書。在這樣的生活背景和家庭環(huán)境下，鄧勇輝與哥哥們讀書非常用功，如今四兄弟中他和大哥都是復(fù)旦大學(xué)的教授。

就是憑著勤奮和改變命運(yùn)的強(qiáng)烈愿望，鄧勇輝考取了南昌大學(xué)化學(xué)系無機(jī)化學(xué)專業(yè)。南昌大學(xué)有考研的傳統(tǒng)和氛圍（有約2/3的學(xué)生考研），所以其實(shí)他從一進(jìn)學(xué)校就已經(jīng)立下了考研的目標(biāo)。上大三時(shí)，大哥考上了復(fù)旦大學(xué)的研究生，這對于正在準(zhǔn)備考研的鄧勇輝來說無疑是一劑強(qiáng)心劑，既增加了信心也堅(jiān)定了信念：一定要考上復(fù)旦大學(xué)的研究生，就算考不上明年也要繼續(xù)考。既然目標(biāo)定了，那就抱定宗旨向前沖吧！

2000年，鄧勇輝終于獲得了復(fù)旦大學(xué)高分子化學(xué)專業(yè)的錄取通知書，但一進(jìn)復(fù)旦他就感受到了巨大的壓力：本科學(xué)的是無機(jī)化學(xué)專業(yè)，高分子專業(yè)的知識(shí)需要惡補(bǔ)；此外，英語口語與其他同學(xué)相比也有很大差距。鄧勇輝差不多用了兩年時(shí)間才慢慢彌補(bǔ)了與其他較優(yōu)秀同學(xué)的差距。研三時(shí)，鄧勇輝不僅能在組會(huì)上用英語順利交流，還將自己的研究成果在國際著名期刊上發(fā)表，多次獲得學(xué)校的獎(jiǎng)學(xué)金。

“人家一天做3個(gè)實(shí)驗(yàn)，我做10個(gè)實(shí)驗(yàn)，不斷探索，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)?！?/h2>

鄧勇輝在復(fù)旦大學(xué)碩博連讀的導(dǎo)師是高分子系德高望重的府壽寬教授。府教授是一位溫文儒雅、心胸開闊的學(xué)者，十分關(guān)心、體諒學(xué)生，對學(xué)生以鼓勵(lì)為主、極少批評，在乳液聚合領(lǐng)域十分有聲望。課題組主要的研究方向?yàn)槿橐壕酆霞肮δ芨叻肿游⑶?。一開始，鄧勇輝由一個(gè)高年級的師兄帶著熟悉實(shí)驗(yàn)流程，對于自己的研究課題，鄧勇輝并沒有太多的想法，基本按照師兄的想法去探索，研究課題是通過界面聚合的方法，在磁性氧化鐵顆粒表面生長一層功能高分子涂層，制備磁響應(yīng)性高分子復(fù)合微球?？墒墙?jīng)過近兩年的探索和嘗試，課題都沒有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，沒能在氧化鐵顆粒上可控地生長高分子涂層，而師兄也將畢業(yè)離開。此刻，鄧勇輝意識(shí)到自己必須主動(dòng)找新思路去突破實(shí)驗(yàn)瓶頸。

在一次課題組組會(huì)上，鄧勇輝聽了另一位師兄的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展和成果匯報(bào)后受到極大啟發(fā)。這位師兄研究的是熱敏性功能高分子材料，他通過無皂乳液高分子聚合在二氧化硅小球表面上生長出對溫度敏感的高分子涂層（PNIPAM），形成了一種核-殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合高分子微球（直徑100～500納米），再將微球內(nèi)部的二氧化硅腐蝕后就得到了空心的熱敏高分子微球。鄧勇輝馬上聯(lián)想到，自己研究的氧化鐵上一直不能生長高分子涂層，能否借鑒師兄的實(shí)驗(yàn)方法，在氧化鐵表面鍍一層氧化硅進(jìn)行表面修飾，然后再接著生長熱敏性高分子涂層，這樣也許就能得到自己想要的磁性高分子微球了！

說干就干，鄧勇輝立馬開始行動(dòng)，重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案?！盎瘜W(xué)有時(shí)候就是體力活，農(nóng)村的孩子能吃苦，人家一天做3個(gè)實(shí)驗(yàn)，我可以做10個(gè)實(shí)驗(yàn)，不斷探索，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)?！睕]過多久，鄧勇輝就成功地制備出了同時(shí)具有磁性和熱敏性的高分子微球。這樣的磁性微球材料能夠用于吸附分離、藥物控制釋放和催化等領(lǐng)域。例如，用磁分離技術(shù)可以輕松地將負(fù)載催化劑的磁性微球從反應(yīng)液體系中分離出來，實(shí)現(xiàn)催化材料的循環(huán)使用。這項(xiàng)研究鄧勇輝以第一作者發(fā)表在國際著名期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Material）上。據(jù)鄧勇輝介紹，這是當(dāng)時(shí)復(fù)旦大學(xué)高分子系歷史上第二篇發(fā)表在該期刊上的文章。從一開始對專業(yè)知識(shí)和英語水平的不自信到在國際期刊上發(fā)表高影響因子的論文，對鄧勇輝來說，這是一個(gè)巨大的跨越。

接著，鄧勇輝在這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，在磁性和熱敏性的高分子球中又加入了熒光的功能組分，得到了具有三種功能的高分子球——多重功能高分子球，這種多功能球可用于生物醫(yī)學(xué)中。例如，多功能球作為藥物的載體進(jìn)入生物體后，熒光功能可以用于顯示跟蹤，了解藥物的輸送位置，使過程可視化；熱敏性功能可以通過溫度控制藥物與細(xì)胞或其他組織的相互作用；磁性功能可以用于定位，將藥物引導(dǎo)到病灶上，達(dá)到靶向治療的作用。這項(xiàng)研究鄧勇輝發(fā)表在了國際期刊《歐洲化學(xué)》（Chemistry-A European Journal）上。

攻讀博士學(xué)位期間，圍繞磁性高分子微球研究，鄧勇輝以第一作者發(fā)表了5篇研究論文，同時(shí)申請了5項(xiàng)中國發(fā)明專利。回顧研究生階段的工作，鄧勇輝深有感觸，當(dāng)年的第一篇論文就是借鑒了師兄的方法才得以峰回路轉(zhuǎn)，順利完成。也因此他現(xiàn)在經(jīng)常鼓勵(lì)學(xué)生既要靜下心來多看文獻(xiàn)多總結(jié)，獲取靈感，也要走出實(shí)驗(yàn)室多聽講座和報(bào)告，并與他人合作，取長補(bǔ)短。

創(chuàng)制出能制備孔徑大于30納米的介孔材料的表面活性劑

博士畢業(yè)后，鄧勇輝曾在一家瑞士精細(xì)化工公司有過短暫的研發(fā)工作經(jīng)歷。外企的工作環(huán)境和待遇都特別好，但是工作內(nèi)容比較程序化、行政化，與自己的研究興趣也有些沖突，因此在轉(zhuǎn)正之前鄧勇輝就辭職了。他聯(lián)系到復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系大名鼎鼎的趙東元教授，希望去其課題組做博士后。

事實(shí)上，鄧勇輝之前并沒有與趙老師直接接觸過，只是聽過他的報(bào)告，知道趙老師在納米材料研究領(lǐng)域十分厲害。帶著對趙老師的崇敬，鄧勇輝向趙老師提出了申請，并在趙老師面前演示了他的博士畢業(yè)答辯ppt，沒想到趙老師當(dāng)下就同意了?；蛟S，鄧勇輝的坦誠和他具備的高分子合成方面的研究背景打動(dòng)了趙老師。

在2019年全國氣濕敏學(xué)術(shù)研討會(huì)上作大會(huì)報(bào)告（左），參加中組部青年拔尖人才培訓(xùn)（右）

鄧勇輝介紹，介孔材料是一類孔徑在2～50納米之間的介觀材料（通常是無機(jī)材料），其在催化、分離、吸附等領(lǐng)域，甚至在傳感、藥物控釋、能量存貯與轉(zhuǎn)換等高新技術(shù)領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。為了幫助我們理解，鄧勇輝打了個(gè)比方——可以把介孔材料想象成有很多孔的蜂窩煤球，當(dāng)然介孔材料的孔要小得多。

為了獲得介孔材料，通常會(huì)用表面活性劑分子做模板，合成完成后再通過加熱分解或者其他方法萃取出來，形成介孔材料。因此，表面活性劑分子的選擇很重要。課題組制備介孔材料的大多數(shù)表面活性劑直接從試劑公司購買，但選擇面窄（做出來的孔徑通常小于10納米），而定制的表面活性劑價(jià)格又十分昂貴。因此，鄧勇輝希望利用自己在高分子合成方面的背景來合成研究中需要的不同的大分子嵌段共聚物作為表面活性劑分子。經(jīng)過一番摸索，鄧勇輝合成出了能制備超過30納米孔徑介孔材料的表面活性劑，這樣的大孔徑介孔材料能夠負(fù)載更多尺寸的載體，也拓寬了材料的應(yīng)用面。鄧勇輝在這方面的研究成果不僅發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）上，也為課題組其他人的研究提供了支撐，師弟師妹們在制備介孔材料時(shí)都用到了這一方法。

致力于制備的材料有更接地氣的應(yīng)用

2007年，鄧勇輝博后出站后留校，并且直接受聘為副教授，這也是對他前期研究工作的充分肯定。工作后不久鄧勇輝即得到市科委啟明星人才計(jì)劃的支持，研究的方向是博士后課題的延續(xù)，即圍繞大孔徑介孔材料的合成與制備展開。歷經(jīng)多年的探索研究，鄧勇輝在此領(lǐng)域已經(jīng)形成較成熟的研究體系。但是這些并沒有讓他有很大的成就感，因?yàn)樗恢毕Ｍ苽涞牟牧夏苡懈玫摹⒏拥貧獾膽?yīng)用場景，希望自己的研究工作能為解決實(shí)際需求服務(wù)。2013年，一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，鄧勇輝與上海大學(xué)的徐甲強(qiáng)教授在一個(gè)學(xué)術(shù)交流會(huì)上碰撞出了合作的火花。

徐教授主要從事納米材料設(shè)計(jì)與氣體傳感方面的研究。鄧勇輝介紹，傳感器的原理是將物理、化學(xué)、生物等自然科學(xué)和機(jī)械、土木、化工等工程技術(shù)中的非電信號轉(zhuǎn)變成電信號的轉(zhuǎn)換器。它是感知、獲取、檢測與控制的窗口，更是萬物互聯(lián)和智能化的基礎(chǔ)，這也是與傳感有關(guān)的科學(xué)技術(shù)近年來蓬勃發(fā)展的原因。其中，氣體傳感是傳感器技術(shù)中的一個(gè)重要分支，廣泛應(yīng)用于各種有毒、有害、易爆及揮發(fā)性物質(zhì)的探測，以及溫室效應(yīng)和大氣污染等的監(jiān)控。

傳統(tǒng)的氣體傳感器大多是用無孔材料制備，而鄧勇輝意識(shí)到，自己研究的介孔材料對氣體的靈敏度更高：這是因?yàn)槭紫冉榭撞牧嫌胸S富的孔結(jié)構(gòu)和高比表面積，可以提供更多的活性位點(diǎn)，有利于敏感材料與目標(biāo)氣體的吸附與反應(yīng)；其次，規(guī)則排列并連通的孔道可以提高目標(biāo)氣體在其中的擴(kuò)散速率，增加檢測氣體與敏感材料發(fā)生反應(yīng)的概率，從而能極大地提高傳感器的靈敏度；第三，還可以通過調(diào)控腔壁組成進(jìn)一步提高敏感材料對特定氣體的選擇性響應(yīng)，因此在氣體傳感上應(yīng)該有更廣闊的應(yīng)用。

氣敏研究小組合影

鄧勇輝告訴我們，金屬氧化物半導(dǎo)體敏感材料是電阻型氣體傳感器的核心。然而，用傳統(tǒng)方法制備的介孔金屬氧化物半導(dǎo)體材料孔隙率低、骨架結(jié)晶性差，骨架主要為無定型態(tài)，在高溫工作條件下多孔骨架基本不能保持，不利于氣體敏感性能的提高。鄧勇輝再次發(fā)揮了自己無機(jī)化學(xué)+有機(jī)高分子研究背景的優(yōu)勢，通過合成新型的高分子表面活性劑，同時(shí)設(shè)計(jì)、調(diào)控半導(dǎo)體材料的微觀結(jié)構(gòu)及組成，鄧勇輝帶領(lǐng)的氣敏研究小組制備了一系列快速、高效、孔結(jié)構(gòu)可控的高結(jié)晶度有序半導(dǎo)體金屬氧化物材料，對硫化氫、氫氣、氮氧化合物、一氧化碳等有毒、有害及易爆氣體有優(yōu)異的氣敏感知性能（研究成果發(fā)表在《自然-材料》《美國化學(xué)會(huì)志》《應(yīng)用化學(xué)》等著名刊物上）。除了有害氣體的檢測，介孔材料氣體傳感器還可用于食品安全監(jiān)測，快速、選擇性地檢測食源性致病菌；而用于生物醫(yī)學(xué)檢測，則可利用呼出氣體進(jìn)行疾病的診斷，并可通過手機(jī)應(yīng)用將信息通過網(wǎng)絡(luò)和醫(yī)院互聯(lián)，有望用于智能疾病預(yù)警、遠(yuǎn)程醫(yī)療和大數(shù)據(jù)疾病數(shù)據(jù)分析。目前這方面研究已與相關(guān)醫(yī)院聯(lián)合開展課題攻關(guān)。

為籌建跨學(xué)科氣體傳感研究中心而奔走呼吁

下一步，為響應(yīng)高校的“雙一流建設(shè)”和上海科創(chuàng)中心建設(shè)的重大戰(zhàn)略決策，鄧勇輝正積極奔走，在學(xué)校各相關(guān)院系和社會(huì)各合作單位之間呼吁成立氣體傳感科學(xué)研究中心，將氣體傳感這個(gè)學(xué)科交叉融合的領(lǐng)域做深做實(shí)，促進(jìn)更廣泛的應(yīng)用。而前不久，在市科委和啟明星聯(lián)誼會(huì)的支持下，鄧勇輝全力推動(dòng)召開的“傳感科學(xué)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇”啟明星論壇也是這方面的一種努力。

鄧勇輝堅(jiān)信，隨著科技的快速進(jìn)步和未來智能化的發(fā)展，傳感科技必將大有可為，人類進(jìn)入“人物相連”的世界不會(huì)是夢想。工作著的人是充滿活力的，而如果再有明確的人生目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的動(dòng)力，這樣的人就更值得尊敬。