31歲博後發表Science封面文章後，內心封存永久遺憾_風聞

中世紀戰士所穿戴的鍊甲，柔軟靈活但防護性極強。受這一概念啓發，山東小夥周文傑所在的加州理工學院團隊，研製出一種具有全新物質形態的材料。它表現為一種獨特的非牛頓流體，在不同力的作用下，它既可以像液體般流動，又能如固體般堅硬。這項材料科學的重大突破成功登上Science封面。

撰文 | 路飛

Science封面 | 圖源：science

2024年11月的一天，周文傑正在開會，手機收到了Science錄用郵件。這一刻他沒有歡呼雀躍，倒不是因為投稿歷經蹉跎磨平了心性，相反，這項研究從投稿到錄用順利絲滑，甫一開始就註定要在學界炸出一計響雷。在他眼中，錄用通知只是他“折騰”過程中順手得來的。

2025年1月17日，這篇題為“3D polycatenated architected materials”的文章在Science上線。而此時，周文傑內心滿是懊悔，“沒有將手稿發給James Fraser Stoddart教授（2016年諾貝爾化學家獲得者）”。在文章上線的兩週前，Stoddart教授逝世，無法正式邀請這位指路人來評價自己的工作，成為了周文傑的永久遺憾。

Stoddart教授在西北大學時常鼓勵年輕人，“不要怕坐冷板凳，要去研究一個大問題，越基礎越好，科研是一輩子的事，你總會發光的。”周文傑對這句話記憶猶新，並默默將Stoddart教授當作role model。

滿腔熱血的年輕人自然渴望向偶像看齊。在加州理工學院博後周文傑心中，一直希望把機械鍵這一超分子化學的概念，通過自己獨特的幾何理解來推廣到更大尺度的材料設計中，實現從化學到力學的跨學科融合。PAM（Polycatenated Architected Material，多鏈連接結構化材料）便是周文傑的“理想照進現實”之作。

PAM表現為一種獨特的非牛頓流體，在剪切應力下，PAM的結構顆粒間發生滑動，整體表現出類似液體的行為；在擠壓應力下，這些多鏈顆粒被擠壓至緊密排列，轉而呈現出固體般的剛性。正如加州理工學院的Chiara Daraio教授所説，“PAM是一種全新的物質形態，打破了我們對物質行為的傳統分類方式。”

與化學結緣

周文傑1994年出生于山東濟南，父母在學業方面給予了他極大的包容度。他在學業上以強烈的興趣為驅動，尤其喜歡數學、物理、化學和生物，因而造成了嚴重偏科，不感興趣的學科幾乎荒廢，感興趣的學科鑽研得渾身起勁。

當時《三體》還沒有像如今這般大眾口口相傳，周文傑在同學的介紹下，對三體着了迷。這時他做了兩件事，一是立志報考中國科大理論物理專業；二是打算日後嘗試三體問題有沒有新的解決辦法。

因為偏科，周文傑沒能進入夢校，2012年他被南開大學化學專業錄取。在這裏一段時間之後，周文傑才萌發對化學和材料的興趣，尤其是晶體學，因為立體幾何和對稱性對他有天然吸引力。陳鐵紅老師是他科研啓蒙的第一人，他在將周文傑領進科研大門時就告訴他，“先去思考有哪些重要的問題是值得解決的，再去思考能解決多少。”

大四時，周文傑受南開大學資助，前往加拿大多倫多大學訪學，結識了被譽為“納米化學之父”的Geoffery Ozin教授，並與其成了忘年交。時至今日，倆人仍來往密切。

於是在Ozin教授推薦下，周文傑申請了美國西北大學Chad Mirkin教授的博士，開始正式在納米領域開展有趣的研究。

周文傑在西北大學讀博期間的實驗室工作照 | 圖源：西北大學

Mirkin教授的課題組有八十多名組員，研究氛圍自由寬鬆。他一直給學生宣貫的理念是：我負責提供世界上最好的資源平台，你負責如何利用資源開展研究。

納米粒子自組裝方向讓周文傑着了迷：將看不見摸不着的納米磚塊通過引導搭建成想要的結構，這實在是太酷了，“當時比較中二，我覺得這比解決三體問題更厲害！因為我們通常認為在自組裝系統裏，納米粒子個數是一個天文數字。”

周文傑進組後，研究主要聚焦於幾何設計驅動的納米組裝，探索如何利用多面體幾何形狀來編程和調控納米顆粒的自組裝過程。

在博士研究期間，他成功構建了基於DNA編碼的準晶超結構以及多種新型膠體晶體。這些成果，讓他以第一作者身份在Science、Nature、Nature Materials等頂尖學術期刊發表了多篇論文。

囿於頂刊傍身，周文傑開玩笑説，Mirkin教授給的“自由過了火”，“我後來做了讓他頗為後悔給我自由的選擇，就是轉去機械工程專業做博後。”

“不務正業”轉學機械工程

説起這個轉變，一切都是順理成章。

很多人對自組裝領域有一種刻板印象，認為只要能“走運”組裝出新奇形狀且與眾不同的東西就能發文章。這也是材料學領域一直讓人詬病的“千古問題”，就算自組裝出準晶體，這些好看的繡花枕頭有什麼用？

周文傑不走尋常路，發揮逆向思維建立起“一條龍”的五步走策略，幾何-結構-合成-物理性質-材料應用。通俗解釋就是，新材料的誕生要先從幾何出發設計結構，然後通過化學合成方式實現，同時還要求其作為材料具備某種物理性質和實用性。“説到這裏，很多人可能會覺得我不是純搞化學的，更像是一個雜貨鋪，數學、物理、化學、材料多少都牽涉一些。”

讀博第四年，因為和諾獎得主Fraser Stoddart教授在同一個教學樓，周文傑從課題組之間的交流中獲得很多啓發，最重要的一個就是機械鍵（mechanical bond），即分子層面的機械互鎖結構。

為了鑽研三維機械互鎖結構設計空間是否有限的問題，周文傑從晶體學出發，林林總總一年過後，才算是找到一個真正普適的規律，可以任意設計一個三維機械互鎖結構。

但他很快發現，自己的化學儲備完全不夠用，即使是隨便畫出的簡單結構，如果成功合成出來都是可以拿來發Science 、Nature的研究。周文傑意識到，這是很多化學家鑽研很多年都不一定能做出來的大膽課題，更何況自己這個“不務正業”的化學家呢？

不過，他在科研上從來都是“一意孤行”，明知不可能合成出來，但還是設計出了幾十個結構，“大不了就當是搞藝術了”。

轉機發生在2021年夏天。加州理工學院Chiara Daraio教授課題組發表一篇題為“Structured fabrics with tunable mechanical properties”的Nature文章，文中提到3D打印的二維鍊甲本身是柔性的，但如果放入真空袋中抽真空，外界的壓力可以讓這些結構改變剛度，俗話説就是可以變硬。“我這時候才意識到，其實也許不止我一個人在力學層面關心機械互鎖這件事。”

當時Daraio教授也認為從二維到三維去設計材料結構困難，但這也意味着機遇。畢竟，二維可能還是“布料”，但三維就是材料了。倆人一拍即合，周文傑加入了Daraio課題組，開始研究材料的力學和機械性能。

按之前的五步走策略，幾何、結構、合成，都算是可以解決的問題，即使從分子層面無法合成但可以3D打印，畢竟如果想了解新材料的機械行為，最快的方式就是打印出來“玩一玩”。至此，只有物理性質和材料應用是待解決的。

球形PAM液滴 | 圖源：本人供圖

不是固體不是液體，是“粘彈體”

因為機械和力學實際上是理論指導的學科，當理論不能有效指導，很多人自然而然會覺得這個結構不存在或者沒意義。而周文傑是出身於實驗指導的學科——化學，當他如果遇到無法預測機械性質的結構時，會先去打印出設計好的結構，然後改變參數去觀察機械性能變化，如此反覆實驗，總結規律。

在材料科學中，物質通常被劃分為“晶體結構”和“顆粒材料”。晶體結構中的顆粒被固定在規則位置，而顆粒材料則由離散顆粒組成，彼此獨立。

在中世紀，戰士們穿戴的鍊甲由相互連接的金屬環組成，柔軟但防護性極強。PAM受這一概念啓發，通過多種環形或籠狀顆粒互相交織，形成穩定的三維網狀結構。但不同於傳統的二維鍊甲，PAM獨特的第三維度帶來了結構設計的全新可能，其單元可以是多面體、環簇或籠狀結構，實現了更復雜的力學特性。

當每一個粒子都被鎖住時，PAM表現為一種固體，當粒子沒有被鎖住時，PAM可以自由活動。於是周文傑開創性地提出把PAM看作是一種粘彈體。“因為通過結構改變固體力學性質大家司空見慣，但通過設計去改變流體性質，這個還沒有太多人涉足。”

而粘彈體的流變測試在高分子化學中是很普遍的一件事，進而團隊發現了PAM同時具備剪切變稀和剪切變稠的兩種神奇性質。

研究團隊使用了acrylic（丙烯酸樹脂）、尼龍和金屬等材料，通過高精度3D打印技術，製作出了PAM樣品，這些材料為研究團隊提供了多樣化的參數控制手段。

在研究收尾之際，周文傑想到，當我們把手放到科技館的靜電球上面時，頭髮會豎起來。既然PAM和流體一樣軟，那麼微尺度的PAM是否可以在靜電的刺激下克服重力，實現快速的形態變換呢？説幹就幹，他和勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的夏曉星博士一起，復現了這個“頭髮開花”的過程。“這是過去兩年多玩得最開心的時刻之一！”

實驗結果表明，當微尺度的PAM受到靜電刺激時，環狀結構之間產生相互排斥力，使材料從“壓縮狀態”迅速展開並恢復到“張開狀態”，整個過程不到0.1秒。PAM材料在微觀領域的高響應性，彰顯出其在航空航天領域應用的潛力。特別是可展開結構（deployable structures）的研發，可用於太空探測設備，例如可控展開的天線和輕量化太陽能帆，實現從“收縮”到“展開”的精準控制。

當被問及作為門外漢為何能夠取得如此成就時，周文傑笑着説，“我一直非常相信beginner’s luck，我覺得其實背後是有道理可循的。”當一個人處在不熟悉的新領域時，缺乏必要的理論框架和實踐經驗，不知道什麼能做什麼不能做。正因為如此，思維往往是最開闊的。“人菜癮大，總有那麼一種‘為什麼我就不能是天選之子’的信念。”

“老手覺得太困難而不敢去嘗試的問題，往往頭鐵的新手不會覺得是難題，反而探索的過程中充滿了樂趣。另外，我在立體幾何、晶體學、拓撲學方面的基礎比較紮實，這些都讓我恰好成為最適合研究PAM的這個人。”

如今，周文傑用自己走過的“野路子”去引領後輩，他給博士生和本科生明確指出，給他們一週或兩週時間去天馬行空，列出任何可能的研究想法，不計任何代價，不用去評估可行性，只管純粹“造夢”。

我只提供了結構，應用大有可為

説來有趣，周文傑認為這項工作中最大的困難其實是語言溝通。

首先，不同學科背景出身的人在一起彷彿跨服交流，“不同的領域在討論同一件事時，想要表達的意思往往南轅北轍。拿機械互鎖來説，機械出身的人認為機械互鎖通常説的是多個東西擠在一起，完全沒有拓撲上嵌套的意思。”

其次，作為機械領域的新手去做推陳出新的事情，是一定會遇到阻力的。“幸而Daraio教授堅信我們體系的新穎性，我們讀遍了文獻的每一個角落，和將近10個不同領域的專家不斷交流，文章中呈現的內容只是我們實際工作的三分之一。”

好在這項研究得到了審稿人的高度評價，甚至建議研究團隊更高調一些。“對學界而言，PAM的設計框架為架構材料領域提供了一個通用、可擴展的理論基礎和實踐工具。”

“從實際應用層面來説，未來大有可為。因為從本質上來説，我們只是提供了一個結構，具體應用場景取決於使用何種材料實現這個結構。”比如針對PAM高能量吸收特性，可以製作頭盔等防護設備；針對PAM的形變響應特性，可以製作柔性機械臂和仿生機器人。

提及未來的研究計劃，周文傑表現出一如既往的強烈探索欲。“這取決於我將會在哪一個領域謀得教職，如果在化學系，我肯定會回來研究如何從分子層面去合成，因為合成才更容易量產。如果在材料系，我可能會更多關注於實際應用層面。如果在機械系，我可能會嘗試更多地從力學角度來給出一個相對簡潔的物理模型，去更深入地探索PAM的拓撲結構和力學性能的更深層聯繫。”

末了，周文傑頓了頓，“我把這項研究看作是一個序章，而不是我們幾個人在圍牆裏開小灶。我希望不論是我們或者是別的研究團隊，十年之後回過頭來看我們這個工作，發出的感嘆會是：我們當初連這麼基礎的東西都沒發現，那真是有些丟人呢！”

周文傑（右）獲得西北大學2022年度優秀研究生研究獎 | 圖源：西北大學

參考資料

[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713

[2] https://www.nature.com/articles/s41586-021-03698-7

[3] https://doi.org/10.31635/ccschem.021.202100975

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