谢素原：“富勒烯”研究路上追梦人

◎ 文/段雨默

谢素原：“富勒烯”研究路上追梦人

◎ 文/段雨默

富勒烯是一种碳的同素异形体。

有趣的是，“富勒”原本是一位建筑师的姓氏。

1967年建筑师巴克敏斯特·富勒用六边形和少量五边形创造出“弯曲”的表面，为蒙特利尔世界博览会设计了一个球形建筑物。

正是这个建筑物，为碳族的结构提供了一个重要启示。

1985年，三位科学家假定含有60个碳原子的簇“C60”包含有12个五边形和20个六边形，每个角上有一个碳原子，在莱斯大学制备出了第一种富勒烯，即C60。因为这个分子与建筑学家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，为了表达敬意，三位科学家遂将其命名为巴克明斯特·富勒烯。

后来，任何由碳一种元素组成，以球状、椭圆状或管状结构存在的物质，都可以叫富勒烯。

而这三位科学家，即英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托和美国科学家理查德·斯莫利及其同事罗伯特·柯尔，则因C60的发现共同获得了1996年的诺贝尔化学奖。

围绕这些“球”，一门新型的碳化学随即发展起来。

厦门大学教授谢素原

直面科学难题

富勒烯等碳簇的研究之路，并非一帆风顺。挺进富勒烯“神秘之海”，许多科学家无功而返，渐渐地科学界对它的研究变得有些沉寂。

面对困难，谢素原却选择了坚持，选择了迎难而上。

谢素原现为厦门大学教授，厦门大学的碳簇研究在国际相关学术领域拥有较高地位。

1999年在郑兰荪院士的课题组获得博士学位后，谢素原教授向富勒烯等碳簇研究领域的重要科学难题发起了挑战，以新型富勒烯的合成为目标，进行了长期的刻苦攻关。

而在当时，富勒烯的研究热潮正因一些重要科学难题的出现而渐渐退去。

1985年C60等碳簇以及后来纳米碳管的发现，曾掀起了碳簇研究的多轮热潮。

1985年富勒烯被发现后，科学界对其形成机理给予了极大关注，先后提出了“五元环道路”、“富勒烯道路”和“环重构道路”等机理，但是它们的实验依据主要是质谱，因为缺乏对反应中间体的结构表征而未能被广泛接受，这使新型富勒烯的形成问题成为富勒烯科学研究中尚待解决的最基本的科学问题之一。

为解决制约富勒烯科学发展的瓶颈问题，从根本上促进各种新型富勒烯的合成，谢素原开始了长期艰辛的研究历程。

功夫不负有心人。他的努力最终赢得了回报，基于精确的结构表征数据，谢素原总结并提出了使数以万计的新型富勒烯得以稳定的“张力释放”和“局域芳香性”两个基本原理，并得到了同行的引用和应用。

例如，西班牙皇家化学会主席Martín教授在其评述中写到：“用张力释放和局域芳香性两个原理来预测富勒烯衍生物的稳定性是相当有用的”；Jansen教授则应用这两个原理通过氯化的途径，合成了C72Cl4、C56Cl12和C68Cl8等新型的富勒烯氯化物，其发表在J Am Chem Soc、Chem Eur J、Chem Asian J上的三篇论文分别引用了谢素原系列论文中的有关观点与结论。

谢素原xiesuyu还将其总结的新原理用于笼外衍生稳定最具代表性的含相邻五元环的新型富勒烯，合成得到了小富勒烯C50、低对称性的C60、含七元环的C68、含三顺联五元环的C66等等，开拓了团簇研究的新领域，并使其和他在厦门大学的研究团队获得了国际声誉。

成果影响国际

逾十年来，谢素原针对团簇化学领域中新型碳簇的合成，进行了执着的持续研究，成功揭示了数量巨大的新型富勒烯合成的可能性，催生了通过笼外衍生稳定新型富勒烯的研究新方向，并使该方向成为目前国际富勒烯研究的重要生长点。

由其合成的代表性富勒烯（氯化物）的学术创新点如下：

1.小富勒烯C50

小于C60的富勒烯因其结构不可避免地存在相邻五元环，致使其化学性质活泼而难以合成。

早在20世纪80年代中期，C50就因符合团簇幻数规律而被认为是最有希望合成的小碳簇，然而，科学界合成C50的努力在20多年间却始终未获成功，以至于国际上许多研究组因合成与分离的障碍难以逾越，纷纷退出了这一艰辛的研究。

面对困难，谢素原没有退缩，执着地探索，终于迎来成功。后来，他将自己和团队关于C50Cl10合成的研究成果发表在国际权威期刊Science（2004, 304，699）上，被认为具有“里程碑”的意义Angew Chem In Ed（43，4690）以两页版面Highlight专题评述了这一工作。关于C50的系列论文迄今被他引200多次，多篇施引文献以第一或第二篇参考文献来引用该项工作。

C50的捕获直接激发了相关的理论或实验研究。

理查德·斯莫利和哈罗德·沃特尔·克罗托两位1996年诺贝尔化学奖得主在得知这一成果后，通过Email向研究团队表示祝贺，并分别评价该成果为：一项重大突破、一项具有重要影响的好结果。

2.低对称性的C60异构体

碳簇中有关C60的研究最为广泛，但实验只能围绕足球状的结构（Ih对称性的C60）而展开。

谢素原于2008年以（唯一）通讯作者身份发表在Nature Mater（7，790）的文章，揭示了另外两种C60异构体（C2v和Cs对称性）的存在，此后他又成功通过燃烧技术以氢化的方式合成了C60H8（J Am Chem Soc 132，15093）。

对此，Nature Chem副主编撰写Highlight专文，预测了这些特殊结构的C60异构体作为功能材料的应用潜力，诺贝尔化学奖获得者克罗托教授近期在其关于富勒烯形成机理的研究论文（Nature Commun 3：855）引用时指出，C60异构化的现象深化了人们对富勒烯的形成机理的理解。

3.相邻五元环有利的富勒烯

决定富勒烯稳定性的“独立五元环规则”于1986年被提出后， 25年间，几乎被所有试验无一例外的印证。

后来，谢素原的研究组和德国马普固体研究所Jansen教授的研究组，分别独立在J Am Chem Soc同一期（132, 17099和17102）上发表了一例罕见的、相邻五元环有利的富勒烯氯化物（C72Cl4），揭示了一例比独立五元环的异构体更稳定的含相邻五元环的富勒烯的存在，因而，立即引发了学术界的关注。

该论文发表后不久，马德里康普斯顿大学的Martín教授即特地在Angew Chem Int Ed（50, 5431）撰写了三个版面的Highlight专文给予介绍与评述，认为这是富勒烯科学研究的一个重大发现。

此外，谢素原还通过笼外衍生方法合成了含七元环、三个五元环顺联的富勒烯氯化物，研究了这些普遍存在但又鲜被探索的碳簇的形成机理。这些针对新型碳簇形成的研究工作得到了C&E News（化学工程新闻）、Nature 系列刊物、Angew Chem Int Ed的10余次专文评述与推介。

其中，谢素原关于三顺联五元环富勒烯的研究工作在Nature Chem上以封面文章的形式发表后，RSC Chemistry World撰写专文给予评述，其中引用了来自谢菲尔德大学的理论化学家Fowler教授的评述：可以合成到足够量用于表征这些分子是令人鼓舞的，诺丁汉大学的Khlobystov教授评价这项工作时，称赞其为“一项非常漂亮的研究”。

由于这些富有特色的研究，谢素原团队获邀在Nature Chem撰写综述论文。

据了解，富勒烯在有机太阳能电池、生物医药、超强复合材料等领域具有重要的应用潜力。目前，谢素原及其团队正将富勒烯作为有机太阳能电池的电子受体材料进行研究。

而作为一类含几十到几百甚至上千个碳原子的纯碳分子，富勒烯的数量几乎可以用天文数字来形容，但因大部分富勒烯存在不稳定的相邻五元环结构单元，在富勒烯的庞大“家族”中，迄今得以合成的不足万分之一。

谢素原及其团队的研究，解决了新型富勒烯合成的诸多难题，相关的研究工作被认为“开启了研究最不寻常富勒烯的化学反应、光学与电子性质及其实际应用的大门”[引自Angew Chem Int Ed（50, 5431）]。

研究组师生与来访的Echegoyen教授合影

潜心为国育才

在科学研究路上取得的一项项创新成果，构成了谢素原前行的路途中一个个的优美景点。

鉴于其对我国科学研究所作出的贡献，谢素原先后被授予青年化学奖（中国化学会）、国家自然科学奖二等奖（国家奖励办）、阿克苏诺贝尔化学奖（中国化学会）、高等学校科学研究优秀成果奖（自然科学一等奖）（教育部）等。

同时，他还获得了“国家杰出青年基金”资助，入选“百千万人才工程国家级人选”和教育部“长江学者”特聘教授，获宝钢优秀教师奖（教育部），还作为首席科学家主持国家重点基础研究发展计划项目——973项目“团簇多级结构的构筑与功能调控”，并被福建省委省政府评为“杰出科技人才”。

除了致力于科学研究，作为厦门大学的青年骨干教师，谢素原秉承了厦门大学老一辈科学家的优良传统，在教学和科研工作中踏实严谨、勤奋刻苦、敢于创新、不急功近利、注重对学生全面素质的培养。

1999年毕业后，谢素原即留校从事化学系本科课程《无机化学》的教学辅导工作，担当这门课程的助教，开始了自己的教学生涯。2001年，他开始主讲《无机化学》课程。

为了成为一名优秀的人民教师，谢素原积极探索和改进教学方式，努力营造素质教育氛围，使学生们改变被动学习为主动学习。他注重传授给学生最新、最前沿的科技知识，提高学生们对科技发展趋势的认识，培养他们对科学研究的兴趣。

针对《无机化学》课程的特点和研究性学习的实践，谢素原先后撰写了教学论文《无机化学教学与创新素质培养》和《开展研究性学习 提高学生综合素质》，积极探索教学规律。另外，他还参与了教学小组的教学研讨，推进教学改革，总结教学改革经验。在集体的共同努力下，《无机化学》课程最终成为了“国家精品课程”。

谢素原也是国内较早参与网络课程编写的人，曾参加并完成了厦门大学《无机化学》网络课程的有关编写工作。该网络课程是厦门大学教学改革和教学科研的重要举措。

2003年到2005年期间，谢素原作为访问学者到美国Clemson大学进行访问研究。虽然主要任务是科学研究，但他始终心系教学工作，调研了发达国家无机化学等有关专业的教材教法和教学思想，并从中深受启发，进而为日后自己提高和完善教学效果打下了基础。

回国后，他承担了医学院临床医学和预防医学专业基础课程《无机及分析化学》的教学（主讲）任务。此外，还连续多年承担了化学人才培养基地“育苗基金”的人才培养工作。

在教学工作中，谢素原始终将激发学生的科研兴趣和提升其实践能力作为重点，课堂气氛活跃、互动性强，学生学习兴趣浓厚、积极主动，因而教学效果明显。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。成绩代表的是过去，展望未来的发展，还有更多的靓丽风景等着谢素原去一一建造。

我们祝愿谢素原“富勒烯”研究的追梦之旅，越走越精彩。