94年博后巧用逆向思维发Science：“我从不怀疑自己”

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文｜《中国科学报》记者 徐可莹

“我从不怀疑自己，我很清楚自己就是这块料。”回忆起读博前4年，那段出不来实验成果的“静默期”，王澍显得意外平静。

1994年出生的他，眉宇间仍散发着一股少年气。这位来自麻省理工学院机械工程系的博士后，刚以第一作者的身份在Science上发表了最新研究成果，揭示了一个关于共价聚合物网络的“反直觉”谜团：使用更脆弱的交联剂，却能形成更结实的高分子材料。

论文截图

弱分子合成强材料？事实上，该反常规律在科学界早已走向运用，但在分子层面仍然缺乏明确的机理。通过这项极具颠覆性的交叉研究，王澍巧妙地补上了空白！

王澍 受访者供图（下同）

从“八爪鱼”到“面条”

所谓“共价聚合物网络”，是一种构成材料基础的分子支架，它是决定材料性能的关键。我们日常能接触到的很多东西，如轮胎、橡皮筋、隐形眼镜等，都是由共价聚合物网络构成的。

但当它承受过大的负荷时，就会发生断裂，甚至可怕的“崩溃”。因此，高分子网络的断裂问题一直广受学界关注。这其中就包括化学家。

“原因很好理解。比如轮胎上出现了一道裂痕，这道裂痕要在这种高分子网络里面增长，就需要打断和破坏其中的很多化学键。打破化学键的过程，本质就是一个化学反应。”王澍解释道。

化学家介入断裂研究的逻辑，乍听起来很朴素。事实上，自上世纪五六十年代开始，科学家们就已经关注到高分子网络的断裂问题了，但他们中的绝大多数是机械工程师，不会合成材料，只会针对现成的材料测试其韧性强弱，从宏观层面来研究断裂。

化学家们的野心显然不止于此。

2021年，化学出身的王澍就曾在化学类顶刊JACS上发表过一项关于断裂的研究。在这项研究中，他和团队将聚合物网络中较常见、也最稳定的末端交联剂——碳碳单键替换为其他两种更容易断裂的交联剂，发现材料的韧性在宏观上变弱了。

“我们清楚地回答了一个问题，那就是：一个高分子链的化学反应，它到底是如何影响到一个高分子网络在宏观上的抗撕能力及韧性的。”王澍说。

王澍2021年发表于JACS的成果

成果发表后，王澍趁热打铁，开始着手下一步的研究。

“高分子网格内部的分子链主要有两种连接方式。一种像手拉手的八爪鱼，只在末端进行连接，我们称之为end linking；另一种呢，则像一碗粘稠的面条，是从高分子链的中间部分进行交联的，这种我们叫做side-chain cross-linking。后者被广泛应用于工业界及高度专业化的场景中。”

上一项研究是针对“八爪鱼”的，王澍便很自然地设想：如果将“面条”结构中的侧链交联剂替换为更容易断裂的其他交联剂，应该也会得到一种韧性更差、更脆弱的高分子材料。

可事实竟然完全相反！他们在这项实验中引入了一种基于环丁烷的机械交联剂。这种环丁烷机械交联剂只需大约700皮牛的力，就能在很短的时间内（毫秒级）发生断裂，而普通的碳氢化合物交联剂断裂则需要大约4纳牛的力。

当他们用环丁烷机械交联剂替换之前的碳氢化合物交联剂后，得到的实验结果是：弹性体的撕裂能量增强了9倍，简直结实得不可思议！

当施加力时，改性聚丙烯酸酯弹性体（左）比以传统方式制成的相同材料（右）需要更长的撕裂时间

原因究竟是什么？

对结构进行深入研究后，王澍终于搞清了其中的奥秘。原来，更弱的交联剂之所以能导致更强的高分子材料，是因为它秘密上演了一出“弃车保帅”。

他们观察到，当一道裂痕从材料表面袭来时，会出现一个相应的对抗力开始冲击内部的高分子网络，如同一次敌军入侵。替换交联剂之前，网络中所有链条、交联剂的韧度都是一样的，敌军环顾一周发现无从下手，便只能正面硬刚，对着主链“楞冲”，主链就很容易被冲断。

但一旦替换上了更弱的环丁烷机械交联剂，情况就变了。敌军发现交联剂处更容易被冲断，便开始集中火力冲击交联剂，一通曲折的操作过后，力量就被分散了。与此同时，桥连主链的有效长度变长，从而能在它断裂前储存更多能量。

“所以出发点非常简单，就是很基础的问题。但是能把它做清楚，找到一个合适的体系，一种合适的方法，能够得出一个有力的结论，就是我们这项研究的特别之处了。”王澍说。

“反过来做”

为什么是王澍？要追溯起研究成功的原因，就得归于王澍的思维方式了。

2013年，深圳考生王澍参加了高考，成绩不太靠前。经过一番深思熟虑后，择校的选项只剩下两个：老牌名校中山大学与建校不满三年的南方科技大学。

“中山大学都是同学，高中就是这批人，想到大学还是这批人，就算了。”王澍笑道。最终，不走寻常路的他，决定去南方科技大学报道，成为这所新锐高校第三届本科生中的一员。

南科大果然给了他与众不同的体验。由于学校规模小，教师队伍年纪偏轻，王澍和教授的交流非常频繁，很早便进了实验室。

“那时候学校是没有博士点的，在实验室干活的除了研究员，就只剩下本科生了。我就自然而然有了很多接触科研的机会。”手中那些“奇奇怪怪”的实验，激发了王澍很大的好奇心。他心中莫名生长着一股冲动，要将不明白的问题一一弄懂。

大三专业分流时，王澍选择了光化学方向。有次在查阅文献时，他发现了一个比较新颖的领域——力化学。“我发现居然有人能把分子拉开，而不是用光把它照开，还能改变颜色。当时就觉得这个方向太有意思了！”

王澍在南科大

王澍留意了这个方向。

可谓“念念不忘，必有回响”，决定要出国后，王澍第一时间想到曾在文献上看到过的杜克大学力化学研究专家Stephen L. Craig，于是申请了他的研究生，对方欣然同意。就这样，王澍顺利踏上了力化学这片交叉研究的新土地。

土壤有了，但王澍的种子长得并不顺利。准确地说，是整整4年都没长出来。但他并不焦虑，有颗难得的大心脏。

力化学是个交叉领域，需要厚实的跨学科知识储备，设计实验的难度极高。面对可能遇到的诸多困难，王澍早有心理准备。

导师Craig做研究的路子与众不同。他认为，倘若人人都去做一些很容易就想到的事情，那么这个行业就会越走越窄。于是，他大胆鼓励初来乍到的王澍“反过来做”。

既然一个力能影响化学反应，那么正常来讲，一个化学反应也会导致材料机械性质的不同，比如更容易断裂或者更不容易断裂，进而导致整个材料产生一些抗撕性的变化。

在导师的引导下，王澍开始思考具体的问题。这是个无比煎熬的过程。选择一片未经开发的“蓝海”，也意味着选择了孤独与挑战。

“你要做很多事情，相当于要从小分子一直做到整个材料，跨越很大的数量级。这对任何一个做化学的人来说都是一项很困难的工作。”王澍说。

好在他并不是一个畏惧挑战的人。读博前4年，王澍都还没能想清楚该如何着手去设计实验，“当时我只是在设计一些反应性不同的化学键”。但他没有为此焦虑过。反倒是以一种更加平和的心态去夯实自身的跨学科积累。这个过程像极了一段“沉潜”，最终为王澍吹起了两段漂亮的水花。

心态发挥了关键作用。想要做些其他人没做过的新东西，就要有一颗与之相配的大心脏。迟迟出不来实验成果的那段日子，也没能消磨掉王澍的信心与耐心。

“我不会怀疑自己的能力，我很清楚自己就是这块料。实验上得到的负面结果，我通常不会将它们归因于自己能力不足，因为我对自己做的实验质量非常有信心。如果给出的是负面结果，那这个实验现象也许本该如此。”王澍淡淡地说。

王澍和导师，左为Rubinstein，右为Craig

简洁是做科研的利刃

王澍对研究的决心很笃定，对自己感到好奇的事物存在一种执念。

读博初期，王澍的导师Craig牵头组织了一项大型交叉研究，邀请来自杜克大学、麻省理工学院及西北大学的5位教授坐镇，一同聚焦并解决一些存在于交叉领域中的化学难题。

团队建起来了，如何跨学科交流成了问题。于是Craig分别选了自己的4位学生，做两位导师之间的跨专业“交联剂”，王澍被选到了Michael Rubinstein那里。

同校的Rubinstein教授主攻高分子物理，擅长做理论模型，这无疑是个难度极大的方向。而且Rubinstein性格直率，讲话不留情面，喜欢刨根问底，常和别人“battle”起来。很多人都觉得，他是一位比较“aggressive”的导师。

但在Craig看来，王澍是很有决心的学生，完全有能力啃下Rubinstein那里的硬骨头。果然，王澍学得很快，而且从和Rubinstein的“battle”中收获了很多灵感。

“他经常会从根本上挑战问题，挑战你提出的方案，比如我设计了一个实验，告诉他我要这么做，他就会反复问我为什么要这么做，这么做能得出什么东西？这个来来回回的过程反而会推动我去思考，如何才能得出一个有力的结论。”

Rubinstein与王澍的交流方式，像极了苏格拉底的助产术教学。尽管看起来很痛苦，需要被反复质疑、来回挑战，但能引导王澍将那些旁逸斜出的细节都修剪干净，最终得到一个既干净又高效的方案，从而得出最清晰有力的答案。

王澍与几位合作教授，左为Rubinstein

高分子网络是个被学界公认的超复杂系统。王澍一直在追求的，就是如何建立一些干净的体系来落地实验，得出更有力的结论。

“如果你的体系很脏很复杂，就会有很多不可控制的因素在里面。”王澍前后发表的两项研究成果，都有效避免了这种情况。“它不是动态的体系，而是一个静态的，可以被很好地表征，然后表征出来的结果又是很清晰的。”

在面对很多复杂事物时，用更简洁的思维反而能够推出更清晰的认知。这不仅限于做研究，王澍一直都是这样一种性格，利落地做选择，专注地达成目标，清楚自己想要什么，应该做什么。

去年博士毕业后，王澍就进入麻省理工学院机械工程系做博后了。他的目标很明确，要积累更多机械工程方面的理论知识和实践经验，将已经涉足的交叉领域做得更透。

“如果一直做基础，最终有可能会脱离实际，不再贴近现实需求。所以我想去学一点应用，知道他们实际关心的问题到底有哪些。”

此外，王澍还想收获更多新奇的思维和角度。正如过去从化学角度思考工程问题一样，他期待未来能够出现更多大胆的想法、惊奇的发现。

王澍在丹佛爬山

工作之余，王澍喜欢徒步旅行，在平缓的步调中探索新鲜与未知。当被问及如何才能做好交叉研究时，他的脸上闪过一瞥羞涩。

“可能是需要比较强的好奇心。”他顿了顿。“感觉也像说了句废话，做科研都需要很强的好奇心。这是肯定。”

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