打開殷亞東實驗室的網站主頁，映入眼簾的不是最新的研究成果，而是一幅幅精美的“畫作”：有傲然挺立的梅花、有結滿果實的西瓜藤，還有高爾夫球、珊瑚礁、崇山峻嶺……

電鏡下的納米材料結構圖像：梅花香自苦寒來

了解后才發現，這些五彩斑斕的畫作并非由畫筆繪成，而是顯微鏡下的納米粒子，它們經過組裝后，呈現出了各種樣貌。

“科研有時候很單調，我希望大家能從中找點樂子。”因此，殷亞東總是鼓勵同學們，拍下實驗中有趣的畫面，特別在實驗不順利的時候。

殷亞東是美國加州大學河濱分校教授。17年來，經他實驗室培養的碩博生、博士后、訪問學者中，有60位在國內外高校、科研機構中擔任正副教授、研究員。2011年，他入選湯森路透集團發布的10年來“全球頂尖一百化學家榜單”，并且還在“全球頂尖一百材料科學家榜單”中排名第二。

近日，他領導的團隊在Science雜志發表論文，首次證實磁場分布具有手性，開發出了利用納米粒子在磁場中組裝以創建手性結構的新方法。這可以廣泛應用于各類納米材料中。

“如果說這項研究有什么偶然性，那就是我遇到個優秀的博士生——李志偉。”殷亞東對《中國科學報》說。

殷亞東（左）和李志偉

辛勤耕耘17年，研究結論6個字

在這篇Science研究發表之前，殷亞東已經在納米材料磁性組裝領域耕耘了17年。

概括來說，他和團隊一直在做兩件事：“制造士兵”和“排兵布陣”。

前者是不斷制備新型納米材料顆粒，如各類金屬和氧化物納米顆粒。后者即是組裝，根據材料特性和實際需要，將納米顆粒放置到合適的位置，使之形成新的結構，實現特別的功能。

從化學角度出發，他們希望能夠實現“自組裝”：制備出納米顆粒后，讓它們“自動找到同伴”，按照abcd……排列整齊。

這也正是其困難之處。想象一下，讓兩條漂浮在太平洋上的小船互相找到彼此的難度。如果有n條小船呢，如何能讓它們根據指令排兵布陣？

磁性組裝就是個好辦法。“拿一塊磁鐵，可以把散落各處的釘子都吸起來。如果將不同的納米顆粒附著在氧化鐵材料上，納米粒子就可以被磁場排排坐。通過改變磁場大小，這些納米顆粒就會呈現出不同的結構和性質。”殷亞東說。

比如經過磁性組裝的納米顆粒會形成具有周期性的長鏈，使光發生衍射，形成光子晶體材料。如果將其嵌入鈔票中，遇見磁鐵就會變色，這可以應用于防偽標識、防偽涂層中。再比如化學物質檢測，將檢測液滴在相應的光子晶體上，根據其顏色變化可以判斷是否存在某種物質。

提到課題組最近發表的Science論文，其結論一點都不復雜，甚至6個字就可以概括：磁場是手性的。換言之，磁場沿中軸線的分布，就像我們的左右手一樣，互為鏡像，但又無法完全重合。

根據這一特性，研究人員就能通過磁性組裝，使任何材料在分子到納米的尺度上快速形成手性結構。

這意味著，在短時間內，太平洋上那無數條隨意漂浮的船只，可以在磁場作用下，按照手性分布排列整齊，無論是巨型游輪，還是小木船。

殷亞東

花5年把磁場刻進腦子里，臨畢業迎來“靈光乍現”

既然是如此簡潔明了的結論，為什么大家都沒想到，偏偏是第一作者李志偉“吃”到了第一口螃蟹呢？

這還要從幾年前說起。2014年，李志偉從蘇州大學碩士畢業，來到加州大學河濱分校，跟隨殷亞東讀博。對于李志偉來說，從生物化學轉向純化學實驗研究、聚焦于磁性組裝方向是全新的體驗。

在讀博5年半的時間里，李志偉都致力于合成納米材料，再將不同形貌、不同大小的納米材料利用磁性組裝成復雜結構，賦予不同的功能。用他的話說：“幾年的積累，讓我把磁場刻進了腦子里，無論想到什么問題，都會自然地把它和磁場聯系在一起。”

臨近畢業，他終于迎來了“靈光乍現”的時刻。

當時，李志偉讀到了一些關于手性現象的文獻，了解到手性在自然界中廣泛存在，比如DNA、氨基酸的分布等。有趣的是，如果某一手性分子結構作為藥物療效很好，其鏡像分子結構的化合物往往無法與目標分子結合，對治療無效，甚至可能成為“毒藥”。

讀著讀著，李志偉自然而然地想到，“磁場會不會是手性的？”他隨即開始檢索文獻，卻發現一片空白。

很快，這個剛冒出來的念頭幾乎被消滅了：“這聽起來很簡單，又很不可思議。如果磁場分布也遵循手性，那這么多年，前人為什么沒發現？”

就這樣，在畢業答辯的壓力下，他將這個想法擱置下來。

時間來到2020年，受疫情影響，李志偉最終決定繼續在本實驗室做博士后，空閑下來的他開始著手進行實驗驗證。

當他用磁性納米棒復制了磁場的空間分布，很快測量到了圓二色（CD）光譜，這提示著永磁體的磁場分布具有手性。“我就像發現了新大陸一樣，非常興奮！”李志偉說。

后來，他們又將手性結構通過納米粒子的磁性組裝轉移到了各類材料中，包括氧化物、半導體、聚合物、小分子和熒光納米材料等。

“通過對手性的調節，可以制造更復雜的光電器件，也可用于快速檢測與某些疾病相關的手性或非手性分子，例如癌癥和病毒感染。”李志偉說。

李志偉（左一）和家人在一起

享受單調的科研生活，給自己找點樂子

回顧李志偉的科研成長經歷，殷亞東表示：“他讀博的前兩三年，都沒做出特別好的結果，一直處在打基礎、準備起跑的狀態，和大家的差異也不明顯。但從第3年起，他便做出了一系列很有意思的工作。而且越到后來，他越表現出有獨特的思考和想法，而非僅僅完成某個任務。”

“只有將基礎打牢，不會犯基本錯誤的時候，作為導師才可以為他搭上更高的平臺。如果學生在基本實驗層面還需要導師幫著一點點分析的話，導師就很難有用武之地了。”殷亞東說。

因此，殷亞東多年來指導學生的一個秘訣就是：花時間去觀察學生處于哪個階段，在不同階段給予其相應的指導幫助。

臨到畢業時，殷亞東還會和每個學生進行一次“促膝長談”，細數他們擁有的武藝，如產生想法的能力、實驗設計能力、實驗操作能力、完整表達結果的能力等。經過剖析之后，學生對自己了解得更清楚，在未來的工作學習中也會更有針對性。

截至目前，經殷亞東實驗室培養的碩博生、博士后、訪問學者中，有60位在國內外高校、科研單位里擔任正副教授、研究員。

在殷亞東實驗室網站主頁的最上方，“Science as Art”幾個詞赫然醒目。在他看來，大家做出的材料結構千變萬化，在電鏡下會呈現出獨特之美，“很多時候我們的實驗結果可能不盡如人意，但希望學生能留意到它展現出的結構之美。”殷亞東說。

電鏡下的納米材料結構圖像：晶瑩剔透的花

這些年，學生們拍下了許多有趣的畫面，這些“畫作”也多次獲得美國材料學會“科學即藝術”獎項。

“做科研并不容易，有的時候很單調，也很枯燥，但希望能盡量給自己找點樂子。無法享受過程的話，怎么能做出好東西呢？”殷亞東對《中國科學報》說。

相關論文信息：

DOI：10.1126/science.adg2657

*本文圖片由受訪者提供