3月6日，在第五届女科技工作者发展与创新·长缨论坛上，中国科学院院士、国家纳米科学中心主任唐智勇以《纳米自组装：从模拟到超越》为题，分享了自己回国二十年来的科研经历与思考。

  作为一名在纳米自组装领域深耕二十年的科学家，唐智勇将自己的科研历程分为四个阶段：续做组装，思其发展方向；谋组装进阶，攻关手性显示；承组装之基，融多孔以拓用；筑牢理论根基，突破产业应用。“总结起来，就是聚焦特定研究领域，扎实积累理论、方法与数据基础，深入剖析问题本质”。这四个阶段，正是他从“基础组装理论”走向“功能应用导向”的探索之路。

  向自然学习：从蛋白质到纳米材料

  2005年，《科学》杂志为庆祝创刊125周年，发布了21世纪最具挑战性的25个世纪难题，其中“我们能将化学自组装推进到多远？”是唯一与化学直接相关的问题。

  这一问题背后是对化学研究范式的深刻反思。传统化学聚焦分子层面，核心是通过化学键的断裂和形成来合成新物质。然而，自然界提供了另一种启示——DNA、蛋白质等生物大分子，可依靠各类分子间相互作用力而精准组装成为复杂的三维结构。

  “我们能不能超越分子，在分子以上层次利用这些弱的相互作用力去构建功能材料？”唐智勇说，“对于化学家来讲，这是一个巨大的挑战。”这也是他选择从事自组装研究的源起。

  上世纪90年代，纳米科技兴起。唐智勇敏锐地意识到，纳米材料要实现应用，必须像搭房子一样，利用粒子间相互作用来搭建大的功能体系。“因为纳米太小了，肉眼看不见，要进行功能材料的应用，必须是一个大的宏观材料。”

  在美国从事纳米材料研究期间，唐智勇开始探索利用纳米粒子作为组装基元构建宏观材料。“这是一个向生物学习的过程，像蛋白就是几个纳米大小的生物材料。”唐智勇举例，比如肌动蛋白可自组装形成微米结构。这种自组装能力基于氢键、疏水塌陷和范德华力。

  “能不能用无机材料模拟这种结构？”唐智勇选择了碲化镉。这是一种半导体材料，粒径适中，在可见光区具有良好的光学性质。利用氢键、疏水作用等分子间相互作用，实现了一维纳米线的可控组装，复现了自然界中独特的一维蛋白质结构。随后，他又将组装策略拓展至二维、三维尺度，成功实现了二维片层、三维杂化结构的自组装构建。

  挑战传统范式：自组装新发现

  2006年，唐智勇从美国回国。他开始系统思考组装领域尚未解决的核心科学问题：既然能做成天然结构，那下一步能否超越天然，甚至颠覆对天然结构的固有认知？

  传统组装要求组装基元尺寸均一，就像蛋白质尺寸统一才能形成有序结构。但唐智勇有意选择了尺寸不一、分散度在30%左右的纳米粒子作为组装基元，成功实现了超粒子的可控组装，并发现组装后体系的尺寸分散度显著收敛。理论分析揭示了其中的奥秘：球状表面组装时，如果每个粒子大小都一样，中间必然产生空隙。只有大粒子和小粒子配合，小的才能填到大的空隙里，实现最大致密化，从而提供最大的相互排斥力让组装体稳定。“这个道理看似简单，但它改变了对组装的传统认知，为纳米组装提供了全新思路。”唐智勇说。

  坚守“冷板凳”：做“有标签”的工作

  在做有特色的研究上，唐智勇坚持“坐冷板凳，做有标签的工作”。他回国后申请的第一个国家自然科学基金面上项目聚焦手性无机纳米材料，这一方向在当时被认为“不可能成功”，却仍获优先支持，成为中国首个研究手性无机纳米材料的面上项目。

  团队通过组装得到了类似甲壳虫背面的仿生手性光子晶体，展现出窄带的圆二色吸收与发射光谱特性，为新型光谱材料研发奠定基础。

  “这是我所有方向里文章发得最‘差’的，但却是最有特点的，”唐智勇自豪地说。正是这份坚持，让他在无机手性领域闯出了一条新路。团队将手性纳米材料研究成果应用于3D显示领域，研发的主动式电致发光3D显示器件，克服了传统影院反射式3D显示需黑暗环境、无法移动端应用的局限，还能解决阳光直射下的眩光问题，让图像在强光下仍色彩鲜艳、分辨率稳定。

  服务国家需求：从“好看”到“有用”

  随着研究的深入，一个问题常被提及：“自组装的结构，是否只是‘建了好看的房子，却住不进人’？”唐智勇意识到，科研必须面向应用需求。“你不能只用个人兴趣做研究，要为国家将来的应用需求做工作。”

  于是，研究转向“有用”。唐智勇团队开始利用自组装结构构建有序的多孔材料，应用于催化领域。例如，在氢能领域，与科力远公司正在合作开发自组装多孔纳米材料用于电解水，实现低能耗电催化析氢；在精细化工领域，实现高选择性催化加氢，制备高附加值化工产品。

  如今，唐智勇团队将研究重点放在“原创性又有用”的极限尺寸物质分离领域，这也是化学和物理领域的最具挑战性的问题之一。

  海水中锂钠离子尺寸相近，石油中同系物、同分异构体分离能耗极高，而化工园区的高能耗、高排放大多源于分离环节。团队发展了原创的纳流理论，发现高密度孔道的孔孔耦合现象能克服传统浓差极化引起的离子渗透速率降低；研发的动态孔道结构，利用孔壁水合层的吸引与排斥作用，实现锂钠钾一价离子免脱水高效分离，分离通量较传统方法提升三个数量级。

  近期，团队提出膜分离的“压扩散”机制，基于选择性吸附和膜内压力梯度，能在低于传统范特霍夫渗透压的操作压力下实现有机小分子分离。这一发现为膜分离技术带来革新，目前正与企业合作，将海水淡化膜分离技术应用于原油中液态烃类有机小分子的低能耗膜分离，升级传统蒸馏分离模式。

  谈及未来，唐智勇表示，团队将进一步完善纳米自组装的方法与理论，结合人工智能构建可控组装体系。“五十多岁的科研工作者，要做引领性的技术研究，用独创方法解决关键技术问题，服务国家重大需求。”唐智勇说。（记者 肖春芳）