2020年9月，香港城市大學(xué)材料科學(xué)及工程學(xué)系迎來(lái)了一位新成員——從南洋理工大學(xué)歸來(lái)的張其春教授。長(zhǎng)期以來(lái)，他專注于創(chuàng)制新型有機(jī)功能材料，主要包括富碳有機(jī)共軛材料、新概念晶態(tài)聚合物和共價(jià)有機(jī)框架材料。

▲張其春

“這些材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，能夠高效地傳導(dǎo)電子、儲(chǔ)存能量或催化化學(xué)反應(yīng)。而我要做的就是進(jìn)行分子設(shè)計(jì)和功能創(chuàng)造。”在張其春看來(lái)，他就像一位“分子建筑師”，通過(guò)精確的化學(xué)合成，用原子和分子“磚塊”搭建出具有特定功能的“分子大廈”。

水到渠成，探尋科研之趣

“我從事科研的決心，并非在某一特定時(shí)刻突然確立，而是一個(gè)水到渠成的過(guò)程?！睆埰浯赫f(shuō)。他是一個(gè)對(duì)物質(zhì)世界的構(gòu)成與變化規(guī)律充滿好奇的人，而化學(xué)作為一門(mén)可以在分子和原子層面上創(chuàng)造新物質(zhì)、新變化的中心學(xué)科，對(duì)他的吸引力是巨大的。

1988年，張其春考入南京大學(xué)，一腳踏進(jìn)化學(xué)之門(mén)。1998年，拿到中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所碩士學(xué)位后，他繼續(xù)赴美深造，先后在加州大學(xué)洛杉磯分校、河濱分校就讀，并獲得碩士和博士學(xué)位。近20年求學(xué)路，張其春不僅打下了堅(jiān)實(shí)而全面的基礎(chǔ)，也深刻認(rèn)識(shí)到，將有機(jī)化學(xué)的分子設(shè)計(jì)能力與無(wú)機(jī)材料的豐富性能相結(jié)合，能夠創(chuàng)造出功能迥異的新材料，從而突破單一學(xué)科難以應(yīng)對(duì)的瓶頸，為能源、環(huán)境等人類面臨的重大挑戰(zhàn)提供新的解決方案?！耙庾R(shí)到這一點(diǎn)后，這份事業(yè)便從個(gè)人興趣升華成了一份沉甸甸的責(zé)任感。從此，在科研道路上堅(jiān)定地走下去，便成了我唯一且自然的選擇?！彼\(chéng)懇說(shuō)道。

2009年，結(jié)束了在美國(guó)西北大學(xué)為期15個(gè)月的博士后工作后，張其春受聘于新加坡南洋理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，而在這一平臺(tái)上，他的研究也得到了深入發(fā)展。圍繞有機(jī)共軛材料的精準(zhǔn)合成與多功能化研究，他設(shè)計(jì)合成了一系列新型共軛多苯并芳環(huán)化合物，解析了其單晶結(jié)構(gòu)，創(chuàng)下了最長(zhǎng)氮雜并苯（20）單晶的世界紀(jì)錄，并進(jìn)一步探索了它們?cè)诠怆?、?chǔ)能和傳感等方面的應(yīng)用。在發(fā)展新概念晶體材料方面，他和團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上較早開(kāi)展了無(wú)機(jī)-有機(jī)聚合物的復(fù)合單晶材料、共價(jià)有機(jī)框架和有機(jī)共晶材料的研究，并率先報(bào)道了有機(jī)共晶材料的各向異性磁電耦合行為、自修復(fù)特性，以及基于單一聚合物的全有機(jī)鋰離子電池等。不僅如此，他一方面利用表面活性劑調(diào)控?zé)o機(jī)單晶生長(zhǎng)，將細(xì)菌用導(dǎo)電聚合物包裹以提升微生物燃料電池效率，為推動(dòng)納米結(jié)構(gòu)可控組裝與性能調(diào)控研究作出了貢獻(xiàn)；另一方面，還對(duì)有機(jī)納米晶及有機(jī)-無(wú)機(jī)納米晶之間的反應(yīng)進(jìn)行了深入研究。相關(guān)工作發(fā)表于《自然·通訊》《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》等頂級(jí)期刊。

“在新加坡這10年，恰逢有機(jī)共軛功能材料與納米科技快速興起和發(fā)展，為我提供了廣闊的探索空間。”如其所言，這是張其春科研事業(yè)蓬勃發(fā)展的10年。他的工作也受到國(guó)際學(xué)術(shù)界高度認(rèn)可，受聘為《固態(tài)化學(xué)》副主編、《材料化學(xué)C》《材料化學(xué)前沿》《無(wú)機(jī)化學(xué)前沿》《亞洲化學(xué)》等期刊顧問(wèn)委員會(huì)成員、《材料進(jìn)展》編委會(huì)成員等；2017年，他當(dāng)選為英國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士；2018年起，他又連續(xù)登上科睿唯安全球高被引科學(xué)家榜單。但對(duì)他而言，外在光環(huán)始終抵不過(guò)在實(shí)驗(yàn)室里克服困難、驗(yàn)證猜想后所獲得的滿足感，也抵不過(guò)每次合成一個(gè)新分子、發(fā)現(xiàn)一個(gè)新現(xiàn)象所帶來(lái)的喜悅。

面向需求，構(gòu)筑分子大廈

“選擇加入香港城市大學(xué)，是我在學(xué)術(shù)生涯發(fā)展到一定階段后，經(jīng)過(guò)深思熟慮的戰(zhàn)略性規(guī)劃。我希望在一個(gè)更具活力、更能聯(lián)通內(nèi)地與國(guó)際的平臺(tái)上，將研究推向新高度?！睂?duì)張其春來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)但也令人振奮的決定。得益于學(xué)校強(qiáng)有力的支持，依托超金剛石及先進(jìn)薄膜研究中心，他僅用1年便完成了實(shí)驗(yàn)室搭建、核心團(tuán)隊(duì)組建及研究方向規(guī)劃，順利步入正軌。

按照張其春的規(guī)劃，他首要聚焦的便是富碳材料及其在電光器件中的應(yīng)用研究。在香港城市大學(xué)啟動(dòng)基金的專項(xiàng)支持下，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)取得了多項(xiàng)突破。作為一種新興的晶態(tài)多孔材料，共價(jià)有機(jī)框架（COF）具有高比表面積、可調(diào)的孔結(jié)構(gòu)、良好的光吸收能力和可設(shè)計(jì)的電子結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)，但其在大尺寸單晶生長(zhǎng)與精確結(jié)構(gòu)解析上也存在重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)合成方法往往得到的是微晶粉末，難以獲得高質(zhì)量單晶。張其春團(tuán)隊(duì)則通過(guò)開(kāi)發(fā)新穎的連接化學(xué)合成方式，優(yōu)化晶體生長(zhǎng)條件，成功制備出多種具有明確結(jié)構(gòu)的二維/三維COF大單晶，并率先解析了其精確結(jié)構(gòu)，也為材料家族添丁進(jìn)口。

基于前期積累，張其春希望將成果應(yīng)用于高性能鈉/鋰離子電池、光電探測(cè)等領(lǐng)域，但如何使新材料在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)高性能和高穩(wěn)定性也是一大挑戰(zhàn)。為此，他和團(tuán)隊(duì)結(jié)合多種原位表征技術(shù)和理論計(jì)算，深入揭示離子存儲(chǔ)機(jī)制和結(jié)構(gòu)演化過(guò)程，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

“開(kāi)發(fā)全有機(jī)鈉離子電池時(shí)，就有很多問(wèn)題制約其性能，比如有機(jī)電極材料的溶解、較低的導(dǎo)電性和充放電過(guò)程中的體積變化等?！睆埰浯号e例，經(jīng)過(guò)群策群力，他們?cè)贑OF中引入多重氧化還原活性中心，成功制備出了兼具高容量、高倍率和超長(zhǎng)循環(huán)壽命的鈉離子電池電極材料。而在另一項(xiàng)研究中，他們嘗試將COF材料用于鋰金屬電池負(fù)極保護(hù)層時(shí)，需要精確調(diào)控其與鋰離子的相互作用及界面穩(wěn)定性。為了趕走這只攔路虎，他們開(kāi)發(fā)了可溶性COF作為親鋰改性層，有效抑制了枝晶生長(zhǎng)，顯著提升了電池性能。

近年來(lái)，張其春團(tuán)隊(duì)成果不斷涌現(xiàn)。2024年11月，他們?cè)凇蹲匀弧ねㄓ崱钒l(fā)表了關(guān)于光催化研究的新進(jìn)展，開(kāi)發(fā)出一種快速且通用的方法來(lái)生長(zhǎng)可用于2D/3D共價(jià)有機(jī)聚合物（COP）的大尺寸單晶（高達(dá)500微米）。僅僅兩天，他們就通過(guò)動(dòng)態(tài)碲-氧-磷（Te-O-P）鍵的形成收獲了3個(gè)2D COPs和一個(gè)3D COP，并通過(guò)單晶X射線衍射分析清楚地揭示了其結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，它們?cè)诔蹶庪x子自由基介導(dǎo)的（芳甲基）胺偶聯(lián)中顯示出優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性（接近100%的選擇性和產(chǎn)率）。而2025年6月，他們?cè)凇兜聡?guó)應(yīng)用化學(xué)》（國(guó)際版）發(fā)表論文，將COF材料的有序孔道與聚合物電解質(zhì)的柔性優(yōu)勢(shì)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電導(dǎo)率與穩(wěn)定性的雙重突破，為高性能鋰金屬電池電解質(zhì)設(shè)計(jì)提供了納米級(jí)解決方案。他們相信，隨著該技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，鋰金屬電池有望在電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域釋放更大潛力，推動(dòng)能源存儲(chǔ)技術(shù)邁向新高度。

“這些研究的共同特點(diǎn)是圍繞‘材料結(jié)構(gòu)-功能一體化’設(shè)計(jì)理念，通過(guò)跨學(xué)科合作推動(dòng)有機(jī)功能材料在能源領(lǐng)域的應(yīng)用?！睆埰浯罕硎?。到現(xiàn)在，他們已在國(guó)際權(quán)威期刊發(fā)表620多篇論文，被引超4.8萬(wàn)次?；谶@些工作，他們率先合成出手性COFs用于檢測(cè)圓偏振光，并率先利用熱處理方法制造出穩(wěn)定的COF自由基。未來(lái)幾年，在國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科技計(jì)劃、廣東省科技計(jì)劃等支持下，他們還將繼續(xù)為高能量密度電池及相關(guān)儲(chǔ)能技術(shù)提供新策略和新路徑。同時(shí)，他們也希望在聚合物-小分子（有機(jī)或無(wú)機(jī)）超晶格單晶、高分子單晶超導(dǎo)及高分子自旋等方向作出貢獻(xiàn)。

凝聚團(tuán)隊(duì)，開(kāi)拓創(chuàng)新之境

不知不覺(jué)，張其春已在香港城市大學(xué)度過(guò)了5年。經(jīng)過(guò)這5年的建設(shè)和發(fā)展，他所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)規(guī)模保持在15人左右，不僅擁有在化學(xué)、材料科學(xué)上具備扎實(shí)學(xué)術(shù)基礎(chǔ)的成員，還吸引了來(lái)自物理、電子工程、計(jì)算科學(xué)等不同專業(yè)的青年才俊?！斑@是我們能夠在材料設(shè)計(jì)、性能表征、器件制備及理論模擬等多個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)深度融合與創(chuàng)新的根本保障?！彼f(shuō)。

以青年人才為主體，始終注重構(gòu)筑交叉融合的科研格局，令張其春團(tuán)隊(duì)富有創(chuàng)新活力。在張其春眼中，團(tuán)隊(duì)成員不僅懷有追求科學(xué)前沿的遠(yuǎn)大志向，也具備腳踏實(shí)地、潛心鉆研的務(wù)實(shí)品格，在面對(duì)難題時(shí)總能迎難而上、協(xié)同攻關(guān)?！霸贑OF領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)壓電效應(yīng)幾乎是一個(gè)從0開(kāi)始的全新課題。我們面前是一片無(wú)人區(qū)——從分子設(shè)計(jì)、合成到器件構(gòu)建，沒(méi)有任何先例可循。最初的分子設(shè)計(jì)就像在黑暗中摸索，陷入瓶頸之際，一句略帶感性的疑問(wèn)‘這些聚合物鏈怎么那么長(zhǎng)，像蛇一樣柔軟纏繞’，瞬間拓寬了思路?！彼麄冮_(kāi)始思考，長(zhǎng)期關(guān)注基團(tuán)的化學(xué)性質(zhì)，是不是忽略了鏈的“柔性”所帶來(lái)的物理效應(yīng)？是否可引入柔性長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)偶極矩、打破對(duì)稱性？思想的火花就此迸發(fā)，他們迅速鎖定了一類與經(jīng)典壓電聚合物PVDF結(jié)構(gòu)相似的含氟長(zhǎng)鏈基團(tuán)，后續(xù)的理論計(jì)算也初步驗(yàn)證了該方向的可行性。在嘗試了多種摻雜劑與成膜工藝，歷經(jīng)數(shù)十次實(shí)驗(yàn)后，團(tuán)隊(duì)終于成功制備出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能優(yōu)異的壓電活性層，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出首個(gè)基于壓電COF的納米發(fā)電器件。

“這是一支充滿激情、敢于挑戰(zhàn)、善于協(xié)作、能打硬仗的優(yōu)秀隊(duì)伍?！睆埰浯簭牟涣哂谫潛P(yáng)團(tuán)隊(duì)。而在團(tuán)隊(duì)成員眼中，他也是一個(gè)視野廣闊、因人施教、以身作則的榜樣。這種雙向奔赴將他們凝聚在一起，不斷提升團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)造力與戰(zhàn)斗力，讓他們向著更高水平的科研成果不斷邁進(jìn)。