本科生如何开启科研实践“新世界”(1)：冯霆楷回顾科研初探路

本科生如何开启

  科研实践“新世界”？

-上科大物质学院-

-材料科学与工程专业-

-冯霆楷-

近日，我校物质学院李涛教授团队开发了一种基于金属有机框架(MOF)的复合催化剂Sc-Ru⊂MOF-808，该催化剂可在严格无溶剂的条件下，以氧气为唯一氧化剂实现脂肪醇到对称脂的高效转化。该成果发表于国际知名期刊《绿色化学》(Green Chemistry)，2018级本科生冯霆楷为此研究工作的第一作者。上科大本科生科研实践究竟什么样？本科生又是如何做到从一窍不通的“小白”成长为高水平论文作者？冯霆楷同学带你回顾他的科研“初探路”。

“来到上科大之前，我一直以为材料科学就是物理学和化学的简单组合，就是研究钢铁、塑料、水泥之类的生活中的这些材料。但当我来到上科大物质学院之后，通过学习课程和参与科研了解到，材料是一门高度交叉融合的学科，是极具多样性、丰富多彩的，不仅限于我们传统理解上的冰山一角。就连21世纪人类面临的重大挑战与机遇，几乎都可以说与材料科学息息相关。医疗离不开材料，能源科学离不开材料，信息技术也离不开材料，这是对我国、对全世界人民生活与发展极为重要的一个领域。”

“今年，我们‘材料科学与工程’学科被列入国家新一轮‘一流学科’建设名单，物院材料专业的硬核实力展现无遗，它的未来也充满希望。”

对“材料科学与工程”学科的理解

听着很复杂，简单告诉你

我们是如何做到“从醇到酯一步到位？"

有同学觉得我们的科研项目听着很复杂，如果简单解释的话，就是在物质学院李涛老师和张松炜师兄的带领下，我们设计了一种基于金属有机框架(MOF)的复合催化剂Sc-Ru⊂MOF-808，它可以在严格无溶剂条件下，以氧气为唯一氧化剂实现脂肪醇到对称脂的高效转化。反应釜就像一个神奇的炼金炉，只需将催化剂、脂肪醇底物加入，并在氧气气氛下密封加热，一段时间后再打开，就能收集到高产率的酯产物了。这个催化体系方便快捷，转化一步到位，同时避免了腐蚀性化学品（酸，酸酐）和过量溶剂的使用，具有比较高的潜在应用价值。

醇到酯的直接转化

科研成果解读

兴趣VS方向

一次次尝试，一段段旅程  

Chapter.01

 活体生物材料——我的科研入门

 说起来，我的科研实践方向并不是一开始就确定下来的，而是跟随着自己的兴趣，随着接触更多的知识而作了改变和调整。我在本科期间，共在三个课题组参加过四段不同的科研工作。

 大一暑假我前往宁夏固原参加学校组织的社会实践，带队老师是当时的上海科技大学物质学院钟超教授。途中他与我们亲切地交流了他的科研团队所做课题，打开了我科研生涯的大门。那时我对他讲述的具有精确空间图案和密度梯度的活体生物材料无比好奇，于是申请加入了他的课题组，协助师姐进行光诱导生物膜矿化的研究。在这段科研实践中，我主要负责课题中的一些基本工作，如培养大肠杆菌、进行光照测试、分离并收集生物膜等。跟随研究生做的这些点滴工作让我学到了很多，包括实验设计的步骤与思路，以及各类实验仪器的使用方法。虽然这段科研经历中我的开创性工作还不多，但它培养了我扎实的实验基础，也让我学到了一些生物与材料之间的交叉学科知识。

冯霆楷回顾科研初探路：入门

Chapter.02

高分子复合材料——我的独立课题初体验

 一年后的2020年春节，来势汹汹的疫情对我们的生活和学习都造成了一定影响，当时我暂时居家无法去实验室，便饶有兴致地阅读各个杂志的前沿科技类文章。期间我了解到纳米材料相比传统材料的独特性能以及前沿纳米技术的巨大应用潜力，这使我对纳米材料产生了兴趣，希望能将纳米材料作为新的研究方向。

上科大当时是最早恢复线下教学和科研的学校之一，返校后我申请加入了物质学院李涛教授的课题组，开始了第一段较为独立的课题工作——界面聚合制备金属有机框架-高分子（MOF@Polymer）核壳结构复合材料。在这个课题中我的日常工作是设计不同的实验方案，利用界面聚合生长高分子层来包裹MOF，再分离纯化得到所需材料，之后对材料进行如气体吸附、X射线衍射等多种表征。我将上一段科研经历所学投入应用，却发现科研工作并不像想象中的一帆风顺。最艰难的时候，为了研究各个参数对产物结构的影响，我甚至用类似“枚举”的方法逐一调整原料配比与合成工艺来反复实验。但在很长时间内，我制备的复合材料的各项性能（如气体吸附能力）和形貌并不理想，课题进展也一度停滞不前。这段经历使我领悟到从尝试到失败、反思，再到重整旗鼓继续尝试是科研的常态。正因如此，持之以恒的精神对科研工作者才尤为重要。

我合成的MOF颗粒的透射电镜照片

冯霆楷回顾科研初探路：体验

Chapter.03

复合催化材料——我的首个科研成果

 正当我在课题上一筹莫展的时候，我们组内接到了文献综述邀约，我就向李老师提出申请加入了有关MOF复合材料的综述撰写工作。通过阅读大量文献，我认识到MOF复合材料在催化方面具有很高的应用价值，同时研究难度对像我这样的本科生也较为友好。因此我向李老师申请了更换研究方向，改为纳米颗粒-金属有机框架（NP⊂MOFs）复合催化剂的研究。新的课题建立在组内张松炜师兄之前的工作体系上（Songwei Zhang, Tao Li* et al. Nano Res., 2021, 14, 479-485.），目标是研发一种贵金属纳米颗粒与MOF复合的催化剂来通过有氧氧化醇制备酯。我的工作主要是这种催化剂的制备表征工作（如X射线衍射、气体吸附、热重分析等），使用各类有机底物进行催化转化反应，测试催化剂的性能并研究催化效率、转化率和反应机理等。张师兄的经验与指导对我的前期工作起到了很大的帮助。随着所学知识的增长，我开始更加热情主动地探索实验思路，也学会了积极地阅读文献、不再仅凭自己的理解盲目尝试，而是根据前人的心得逐一解决实验中的问题。这段经历让我切实感受到探索本身是一个充实而快乐的过程，从而使我立下了在科研道路上继续前行的决心。

当然，这段工作的成果不是一蹴而就的，而是由一次次实验、一个个数据积累起来的。其中，我做得最多、也最难忘的步骤就是催化测试了，每一次任务的工作量都不小。从和导师讨论、设计实验开始，要先称量各个反应物、溶剂、催化剂并加入反应釜内；然后超声混合，密封反应釜；之后用气瓶给反应釜充气，严格控制条件加热反应釜；反应完成、反应釜冷却后，用溶剂稀释、转移反应体系并离心收集产物；之后再洗涤、烘干反应釜和气路十字管；最后对小样品瓶里的样品进行气相色谱分析并完成数据处理、作图工作——这样的小样品瓶，我已经积累了几百个了。

我用过的几百个样品瓶

早期做实验的时候，尽管有手套保护，但充气过程拧气阀实在是费力，做完之后手心难免红肿，皮下渗出斑驳的淤血，吃饭写字时痛痒难忍。后来实验做的多了，手心磨出了厚厚的茧子，它们记录了我的努力与坚持。

我的导师李涛教授对我的课题非常上心，经常指导我的工作，支持和鼓励我坚持下去。我会定期找李老师讨论最新的实验数据、论文撰写等工作进展，和老师一起制定下一步的实验计划；每当遇到异常数据和意料之外的实验现象，李老师也会为我解答疑惑、手把手地帮我分析并寻找解决方案；甚至论文提交前夕，李老师曾逐字逐句地与我一起修改论文，和我一起熬到凌晨一两点。经过一年多的努力，我们于2022年一月在英国皇家化学会旗下的期刊Green Chemistry发表了相关科研成果，给这个课题画上了一个圆满的句号。

李涛课题组郊游

李涛课题组聚餐

冯霆楷回顾科研初探路：收获

就像开篇所说的，来到上科大读书之前，我对自己所学的专业其实并没有太深入的了解。在上科大，我了解到了各种前沿交叉学科的材料，如纳米材料、生物材料、拓扑材料等等。感谢李涛老师对我的指导与鼓励；感谢张松炜师兄、李聪儿师姐等课题组成员对我的支持与帮助；也感谢学校为我们本科生提供优厚的科研条件和学术平台。在上科大的学习开拓了我的视野，学到了专业知识，“重实践”的培养特色让我有机会在宝贵的大学时光里体验不一样的方向，跟随自己的兴趣畅游科学知识的海洋，并通过自己的亲手努力收获了硕果。

供稿：冯霆楷

策划｜编辑：陈蕾、米启兮

排版：张启洋