近日，电子科技大学光电科学与工程学院级本科生薛国栋在中科院分区一区期刊《Chemical Communications》（《化学通讯》）上发表题为“Understanding the Nature of Quinoidal and Zwitterionic State in Carbazole-Based Diradicals”（探究咔唑双自由基中醌式与内盐共振结构的性质）的研究成果。薛国栋为第一作者，光电科学与工程学院郑永豪教授、胡晓光博士为通讯作者。电子科技大学为第一完成单位。
这项研究成果解决了怎样的问题？研究的背后他付出了怎样的努力？研究完成后，又有怎样的体会和感受？在与这位大三本科生的交流中，我们找到了答案。
在自然科学里，分子中的未成对电子，被称为“自由基”。如何有效调节它们的性质，成为一项富有意义但充满艰难的任务：一方面，可控的自由基分子在有机电子学、自旋电子学等领域有着巨大的应用价值；另一方面，调控稍有不慎会使得分子失去稳定性而极易变质。面对这个难题，薛国栋给出了他的方案：改变自由基的位置，分子性质大不相同。
一场“与火焰的舞蹈”
魔术师常常向观众展示手中的火焰，它们看起来危险，同时也令人着迷。自由基就如同魔术师手中的火焰，处理不当就会使得分子失去稳定而变质，但是它们又拥有光电磁种种优异的性质，在有机太阳能电池、自旋电子学以及非线性光学等领域有出色的应用价值。
特别是拥有两个自由基的分子，存在“开壳”与“闭壳”两种共振形式，在稳定性方面表现突出，令无数科学家“观众”心向神往。怎样高效调节含有自由基的分子特性，成为这个领域所研究的热门话题。
薛国栋近日发表在Chemical Communications上的研究成果提出了他对于这场“火焰舞蹈”的独特见解：将自由基所在位置改变，改变“两团火焰”相会的路径，将产生两种性质迥异的分子。一种表现为更为“温和”，另一种则表现为更为明显的自由基性质，从而它们的光电磁性质得到了有效调控。
据薛国栋介绍，这项研究更为偏重基础性，从实验和理论两个角度出发验证结果，对于当下快速发展的自由基分子研究具有重要意义：“在双自由基分子中，通常存在醌式与内盐式两种‘路径’，他们对于分子的性质有很深刻的影响，虽然过去一些已发表工作对这两种‘路径’有做过探讨，但是始终缺少对二者系统性的研究。”
“我们的工作就是针对这一点设计合成，通过理论计算的方式，从自旋-自旋耦合作用，开壳-闭壳结构能量差和分子偶极矩三个方面，对两种‘路径’的差异做了详细分析，最终提出了普适性的结论。这对未来自由基分子的设计以及化学键内在性质的理解具有指导意义。”
审稿人对于这项工作予以很高的评价：“两种分子的物理性质得到完整的表征与详细的分析，并最终将结论推广到碳基、氮基和氧基咔唑双自由基分子中。这是一项完整总结的，对于当下高速发展的开壳分子领域有着重要意义的工作。”
一场“痛并快乐的旅途”
本科期间就在国际高水平期刊发表研究成果，让许多人对薛国栋刮目相看。但在开展研究的过程中，却充满了艰难。从项目开始到论文发表，整整经过了两年时间，对于这段历程，薛国栋说：“做科研的过程是一个痛并快乐的过程。”
薛国栋所在的实验室位于沙河校区，薛国栋上课与住宿则在清水河校区。两年多的时间，几乎每个周末，他都需要坐校车或者396路公交车来回奔波，一个来回就需要2、3个小时。“很多时候周末比上课更累。”薛国栋说。
前沿材料探索实验室团队合影
谈起最艰难的时刻，他说：“最灰暗的时候并不是身体上的疲劳带来的，而是实验失败或结果不理想等项目没有进展的时候。”
从分子的设计、合成到表征，再到论文的写作，对于他而言，没有一个过程是轻松的。面对这些困难，薛国栋说：“要始终保持一颗甘坐冷板凳的心，科研是一场修炼，也是一场历练心路的旅程。每一个人的经历都具有不可复制性，所谓可能与不可能之间并没有严格的分界，要将其他人的议论抛在耳后，不断学习完善自己，将‘慢工出细活’几个字铭记于心。”
越过阴霾，必然会有柳暗花明。在论文的核心部分不断完善，实验也取得很大进展的时候，收获就在眼前：“最开心的时候就是当我揭示了现象背后的潜在规律的时候，这才是科研真正的乐趣所在。在得知论文被接收的那一刻，我并没有感到很震惊，因为在我看来这就是一个水到渠成的过程。”
一场“入门科研的修炼”
从大一加入课题组，到大三在国际高水平期刊发表研究成果，这个过程离不开郑永豪教授的帮助与鼓励。“郑老师教导我的不仅仅是怎样完成整个项目，更重要的是一种对待科研的方法态度。”
大一时，郑永豪教授就督促薛国栋广泛阅读外文文献并定期做汇报，这为后来论文写作和知识面拓展打下了扎实的基础。对于科研，郑老师更强调的是兴趣导向。在薛国栋印象里，“有很多次我都与郑老师探讨学术问题到很晚，哪怕是一些脑洞大开的想法。后来在我最心灰意冷的时候，他会用个人的经历劝导我要甘坐冷板凳，只有不断地磨砺自己，才能在科研的道路上走得更远。”
谈到未来的规划，薛国栋说：“我在科研方面才刚刚入门，有很多不足，还有很多东西等着我去学习。在老师与师兄师姐们的帮助下，我种下了科研的小树苗，这项研究只是这棵树上结下的一颗果实。我不能满足于现在所收获的成绩，也坚信自己能够始终保持对于学术理想的不懈追求，获得更有深刻意义的成果，让自己的科研之树枝繁叶茂，硕果累累。”
薛国栋说，郑老师的课题组保持着活跃的氛围，这段研究经历将是自己一生中最为难忘的一段时光。“我很喜欢南仁东先生的一句话：大自然以他的广袤与无垠，召唤我们跨过平庸。我希望自己能够保持对科学的初心，踏踏实实地走下去。”
作者介绍
薛国栋，电子科技大学光电科学与工程学院级本科生。以第一作者身份在Chemical Communications发表研究成果。另外，以共同作者身份分别在Journal of Materials Chemistry C和Chemical Communications上发表研究成果。
郑永豪，电子科技大学光电科学与工程学院副院长，教授，博导。于英国杜伦大学取得博士学位，至先后在美国加州大学圣芭芭拉分校（合作导师：Fred Wudl教授）和美国莱斯大学（合作导师：James M. Tour教授）做博士后。11月，加入电子科技大学，并成立前沿材料探索实验室。郑永豪教授主要从事自由基材料和有机共轭材料的设计与合成以及相关器件的研究。在Science、Advanced Materials、Angewandte Chemie、Journal of the American Chemical Society等期刊发表研究成果。
来源：电子科技大学
