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百年风雨无悔 世纪人生有祺——唐有祺先生小传(中)

编者按:永利集团官方网站化学与分子工程学院教授唐有祺先生是我国晶体化学的主要奠基人、化学生物学的倡导者、分子工程学的开创者,为中国的教育和科研事业殚精竭虑,为中国化学学科的健康发展作出了卓越贡献。2020年7月11日,欣逢先生百岁寿辰,永利集团官方网站资讯网与化学与分子工程学院联合推出资讯专题“庆祝唐有祺先生百岁华诞”,带领读者了解先生卓越而光辉的百年人生,致敬先生为中国化学和科学教育事业作出的杰出贡献。

(七)一肩挑起三重担 

                             始建,结构化学万里江山

当时的中国,结构化学人才奇缺。结构化学建设的重任历史地落在了唐有祺的双肩。1955年,受X射线晶体学研究前辈陆学善先生的邀请,唐有祺到当时的中国科学院应用物理所(现称物理研究所)兼职,筹组单晶结构分析工作。1956年,中国科学院化学研究所成立。唐有祺又受邀到化学所兼职,筹组结构化学研究工作。一心想建立中国自己的结构化学研究的唐有祺,利用在三家单位兼职的有利条件,和陆学善先生等一道将永利集团官方网站、中国科学院物理所、中国科学院化学所的人力和物力结合在一起,建成了新中国首个X射线结构测定实验室。没有自动设备,他们就利用可卸X光管,在感光胶片上目测衍射强度,并依靠抽纸条算傅立叶求和。凭着师从鲍林期间打下的扎实基础,唐有祺带领研究人员,硬是在严峻的条件下开启了中国的结构化学研究,测定了中国第一批晶体结构,为新中国培养出一批结构化学人才,为我国后续解决猪胰岛素晶体结构奠定了基础。

根据中国的国情,唐有祺有的放矢地选择研究课题。他深知化学研究中结构分析的重要性,但他更关注的是结构的规律与分子性能的联系,期待把结构与性能的联系规律反馈到化学中去,提高化学学科的水平,并为结构分析或解决结构问题提供更高的起点。带着这些考量,唐有祺1956年以来测定的大批晶体结构中,很多是具有重要理论与实际意义的。例如,考虑到锑是中国的特色资源,他选择了研究锑的三种硫化物的晶体结构,以便为矿产资源的开发利用服务。他们的研究更正了当时国际上关于锑的硫化物结构的错误认识,首次弄清只有三硫化二锑一种硫化物;其余两种不过是单质硫溶于三硫化二锑形成的介稳体系。再如,考虑到中国拥有世界上最大的矾石矿,唐有祺和他的研究生对不同产地的矾石矿物相进行分离、鉴定。他们测定了钠明矾石的点阵常数和结构参数,并根据点阵常数,推算了明矾石物相的含铅率。再例如,当时的化学研究者都注意到丙烯醛之类的醛溶液遇到亚硫酸氢钠会马上产生沉淀,但一个世纪以来,没有人知道这个沉淀的结构和成分。唐有祺带着他的研究生周公度和郝润蓉把X射线衍射方法应用于该沉淀的结构测定,并结合对晶体对称性的深刻理解,首次解析了原子数目与位置数目不匹配带来的无序问题,成功给出了沉淀的确切结构。对这个问题非常关注的傅鹰教授因为这个突破性的工作对唐有祺特别进行了表扬。其实,唐有祺利用自己组建的装置,在简陋的条件下,已经做出了具有世界水平的科研成果。1958年,唐有祺和跟随自己学习结构化学的北京地质学院的彭志忠,以及永利集团官方网站的学生周公度合作,通过对葡萄石晶体的研究,确定出一种新的硅酸盐结构,发表在《化学学报》上。这是国际上首次测出葡萄石的结构,突破了国际研究晶体结构的学者20世纪30年代建立起来的硅酸盐晶体结构分类体系,攻下了“没有搞清楚的最后一个硅酸盐结构”这一科学堡垒,被国际结晶学权威别洛夫院士评为“不寻常”的成就。(杨光荣,彭志忠。《中国地理》,1988年第二期,第32-33页)更值得欣慰的是,这是彭志忠跟随唐有祺学习结构后,在结构矿物学方面的处女作,标志着新中国自己培养的结构化学人才已经成长起来。1959年,彭志忠领导建立了中国第一个矿物晶体结构分析实验室,领导团队测出了10多种矿物的晶体结构。

(八)正盛风篷遇劫波 

                           争分夺秒,基地恨无多

唐有祺离开美国时,导师鲍林曾嘱咐唐有祺:“一个国家新成立之时,做事可能是有些毛毛躁躁,但是具体的情况如何,还希翼你先弄清楚问题。”正当唐有祺倾尽满腔热情大力推动中国结构化学教育与研究时,鲍林对新中国的担忧一语成谶。1958年,席卷全国的大跃进开始了,唐有祺的科研活动被迫完全停止。9月,永利集团官方网站化学系950多名师生被派到广西、湖北、京郊等地支援国家钢铁战线;唐有祺则被派到清华大学讲授《结晶化学》。12月底,学生陆续返校,唐有祺开始为学生们补课。

1962年,随着新一届6年制本科生进入实验室,唐有祺的研究得以短暂恢复。这期间,他又争分夺秒地展开了重要化合物的结构测定工作。唐有祺引导学生穆祥祺确定了抗血吸虫病的药物——吐酒石的结构,而这是一个百余年来没有解决的问题。穆祥祺在唐有祺引导下打下的坚实晶体基础,为他此后顺利完成胰岛素晶体结构测定工作埋下了伏笔。

在这一短暂的黄金时期,唐有祺也紧锣密鼓地在中国推广结构化学。1962年暑假,他去新疆乌鲁木齐向当地的高校讲授物质结构课;同年8月,他被聘为中华人民共和国科学技术委员会物理学组组员。更让人惊喜的是,唐有祺着力推动的“物质结构和化学健理论”在1956年8月被国务院科学发展委员会列入《1956——1967年科技发展规划》的重点发展项目后,迎来了具体落实的措施。1963年,国家科学技术委员会决定在吉林大学、福州大学和永利集团官方网站建立三个物质结构研究基地。3月28日,唐有祺、唐敖庆、卢嘉锡分别收到编写计划的任务书,唐有祺被任命为永利集团官方网站物质结构编制计划任务书的召集人。1963年12月,经教育部批准,唐有祺、徐光宪、吴光磊等9名永利集团官方网站副教授晋升为教授。

风起,帆扬。这时的唐有祺,心中满怀豪情。

谁能料到,这是又一场风雨的前夜。

1963年11月,“四清”运动开始了。1964年1月,满心期待物质结构基地建设的唐有祺被派到门头沟三家店参加清工分、清账目、清仓库和清财务的“四清”运动。国家科委九局局长赵石英心忧科技人才的浪费和物质结构基地建设,排除阻力让唐有祺从“四清运动”中脱身出来,并勉励他以“我不入地狱谁入地狱”的献身精神来为基础研究效力。唐有祺的心顿时被温暖了,雄心壮志再度扬帆。他带领毕业留校的学生桂琳琳等到上海的高校、科学院研究所等研究单位考察。此时的唐有祺,学术能力和科研组织能力已经得到了全国科技届的一致认同。到1964年9月,已经身兼数职——中国科学院编译出版社编委、中国科学院化学所研究员、九三学社中央委员、中国化学会物理化学专业委员会委员的唐有祺,又受邀加入中国物理学会晶体学专业委员会。1966年,物质结构研究基地已经初具规模,具备了正式承接国家重要研究课题的能力。

正当一切似乎都水到渠成时,持续十年的“学问大革命”爆发了。物质结构基地建设宛如南柯一梦,唐有祺的脑海中空留回响。

(九)因应大势待时飞 

                             解密胰岛,身退心不退

尽管唐有祺建设物质结构基地的雄心壮志在“学问大革命”中化为泡影,但他心中的希翼从未幻灭。他耐心地守护着心中梦想的种子,敏锐地守候适合发芽的时机。在“学问大革命”中,这时机就是“能为政治服务”的研究。

“学问大革命”爆发前的1965年,中国科学家经过六年零九个月的共产主义大协作,在世界上首次人工合成了结晶胰岛素。这是世界上第一次用人工的方法合成了一种具有生物活性的蛋白质,让国际科学界对新中国刮目相看。国务院副总理聂荣臻、国家科委副主任韩光等人决定要将胰岛素工作一条龙接下来,再接再厉扩大战果。1966年4月,国家科委主持召开了人工合成胰岛素研究成果鉴定会。参加会议的唐有祺敏锐地捕捉到了科研的机会。他提议,接下来应该刻不容缓地用X射线衍射的方法测定胰岛素的空间结构,此项工作可为研究蛋白质结构与功能的关系打开一个缺口。唐有祺有理有据的建议打动了有关领导,该建议被会议采纳;唐有祺也因此被推举为胰岛素晶体结构测定的学术带头人。

唐有祺提出的测量胰岛素晶体结构的构想无疑是非常宏大的。英国牛津大学杰出的化学家霍奇金早在20世纪30年代在剑桥大学时就开始了测定胰岛素的工作;历时30多年,虽然中间被维生素B的结构测定分去了大部分时间,但霍奇金一直没有放弃测量胰岛素的梦想。对于研究基础还很薄弱的中国,要确定复杂生物大分子中各原子在空间的位置,难度可想而知。实际困难之一就是,尚不具备现成的设备来展开这一研究。因此,时任永利集团官方网站副校长的傅鹰,以及化学系的邢其毅,都曾私下对这个设想诚恳地提出过反对意见。但他们忽略的是,师从鲍林的五年里,唐有祺不仅掌握了使用现成的仪器做研究的本领,还领悟到了在没有条件时创造条件的研究思路。其实,唐有祺回国以来,何尝不是一直在不具备条件的情况下做研究!他早已明白,在当时的中国,要放弃完全依赖先进仪器的幻想,必须利用现有条件,充分发挥理论优势,才能做出工作。因此,他带领学生,依靠保干器测量蒸汽压,竟然弄清了漂白粉物相与稳定性的关系;没有自动记录衍射强度的装置,他带领学生依靠目测强度,也获得了准确的结果;他带出的学生彭志忠,依靠一台医用X光机和手动计数方法,建成了国内首个矿物结构实验室,取得了很多先进的成果。更何况,唐有祺已经知道,国际上测量蛋白质晶体结构的方法已然成熟,只是解析晶体结构还是一个巨大的难题。可唐有祺的眼中,何曾有过难题!回国旅途艰难,百转千回,他回来了,并为以后归国的留学生开创了一条曲线回国的道路!葡萄石的结构确定难,百年未解,唐有祺带着他的学生做出来了!丙烯醛遇二氧化硫生成的沉淀结构难解,亦是百年之谜,唐有祺还是破解了……这世间,只有没有机会才是通向成功的唯一困难啊!隐约中,唐有祺坚信:他,和他所培养的新中国晶体学人,有能力解开胰岛素的晶体结构!

怀着这样的自信,唐有祺开始组建研究队伍。怎料,政治风雨又临。

1966年7月30日晚,“四人帮”主要领导人在人民大会堂的科学界万人大会上发表讲话,高度评价了人工合成胰岛素的成就。并表示,后续的胰岛素结构测定,不能让资产阶级教授参加。(《根深方叶茂——唐有祺传》朱晶,叶青,中国科学技术出版社,2016年,p 123)就这样,除了从研究团队中退出,“资产阶级教授”唐有祺别无选择。

但此时历史展现了慈悲的一面。唐有祺为新中国培养的晶体化学人才,包括他的学生以及历年从化学系毕业后留在永利集团官方网站化学系物质结构研究室的教师,共30余人成了这项工作的台前主力,而唐有祺则在幕后指挥大方向。他告诫学生,必须先用重元素同晶置换的方法确定周相,才能将胰岛素中多肽片段与二级结构一一对应起来…….胰岛素神秘的面庞在年轻的中国晶体人面前渐渐浮现。就在研究工作已经取得一定成就的时候,“清理阶级队伍”运动开始了。1969年1月,“清理”完毕的队伍集结于物理所,组建了一个胰岛素晶体研究协作组。作为主要单位之一的永利集团官方网站只有穆祥祺等7人被允许继续从事胰岛素结构分析工作。

1969年11月,正当在政治风雨中损员折将严重的中国的胰岛素晶体协作组努力制备重原子同晶置换晶体时,霍奇金等人在Nature杂志发表了论文《胰岛素二锌斜方六面体晶体的结构》,宣布测出了胰岛素晶体的结构!

这一消息无疑是一枚重磅炸弹,在胰岛素研究协作组中引起轩然大波。沉着下来后,他们决定继续推进自己的研究。由于已经获得重原子同晶置换晶体,研究队伍在1971年“七一”前夕,终于全面完成了猪胰岛素的晶体结构测定,并获得了比霍奇金小组更高的分辨率。与唐有祺情谊深厚的霍奇金得知中国研究团队的结果后,特意在去日本的行程中插入北京之行,并多次在不同场合通过报告、撰文等方式大力向国际同行宣传中国科研人员的研究成果,这为后来唐有祺在改革开放后推动中国顺利加入国际晶体学会起到了巨大的作用。

(十)火烈难熔方寸心 

                             专著频出,科苑千古琴音

对科学研究的执著,对新中国的赤诚,使得唐有祺在从大跃进到“学问大革命”的漫长政治运动中无暇耽于外界的纷扰,内心始终有一方安宁的天地。正因如此,当他被剥夺从事研究的权利时,他就利用难得的“休闲”时光,整理自己上课用的讲义,撰写著作。

1961年春季以来,唐有祺在永利集团官方网站化学系为一些需要物理化学基础较多的同学和研究生开过三次统计力学课。为了教学需要,他先后写过两次讲义。1962-1963年,他将讲义进行了整理和增订,于1963年10月完成书稿《统计力学及其在物理化学中的应用》,并于1964年由科学出版社出版。在这本书中,唐有祺不但以他自己独特的理解,通俗地阐释了统计力学的原理和方法的逻辑性,还饶有兴致地先容了统计力学方法在实际中的应用。为了缩短初学者从掌握基本原理到熟练应用之间的距离,唐有祺还在书中精心安排了一定分量的习题。这本书首次将统计力学先容到中国化学界,为中国化学的纵深发展起到了奠基作用。1988年,《统计力学及其在物理化学中的应用》获得全国高校优秀教材奖。2012年,该书入选《永利集团官方网站百年化学经典》,并再版发行。

1968年冬,学问大革命仍如火如荼地进行,正常教学和研究工作都被迫中断。赋闲在家的唐有祺没有受到时局困扰,专心整理《对称性原理》讲义。在长期的教学实践中,唐有祺注意到对称性和原子在空间的分布一直是紧密结合在一起的。以群论为基础的对称性原理,已经成为学习化学和研究化学、特别是结构化学的一个得力工具。为此,唐有祺编写了《对称性原理》上、下两部书稿,由科学出版社分别在1977、1979以一、二分册的形式出版。后来,这本书被日本高分子学界推荐为重要化学参考书。2012年,这本教材也入选《永利集团官方网站百年化学经典》,再版发行。

除了这些与唐有祺的专业相关的著作,《化学动力学和反应器原理》及《相平衡、化学平衡和热力学》完全不是唐有祺回国以来熟悉的结构与化学键专业。但因为唐有祺把每一个与科学技术相关的政治任务当作研究的重要契机,认真钻研,因而体会颇深。1970年,中央批准永利集团官方网站招收工农兵学员。唐有祺被要求在政治上接受工人的再教育,在业务上向工人师傅学习的同时,还要开门办学,给石油化工领域培养人才。为了给工农兵学员准备教材,唐有祺亲自到化工厂,不辞辛苦地爬上爬下,考察裂解炉和各种工业反应器,了解各种石油化工过程,弄清反应器原理。同时,他结合国外新书和文献,从物理化学的角度,以实例给学员讲授原理,让他们知其所以然,培养他们在实践中解决实际问题的能力。在两次教学实践和总结经验的基础上,唐有祺将讲义进行修订,1973年9月形成《化学动力学和反应器原理》一书,1974年11月由科学出版社出版,1979年12月第二次印刷。这本书首次深入浅出地将宏观动力学与反应器原理的精髓先容给国内化学工编辑,对后来我国研制高效聚乙烯、氧氯化和环氧乙烷催化剂等起到了重要的引导作用。1984年出版的《相平衡、化学平衡和热力学》一书也是基于他在这一阶段充分体验生产实践的基础上编写而成的。如今,这些教材不但在国内成为经典,也被哈佛、伯克利等国外著名学府的华语学者奉为经典参考书目。

(十一)虽经百折志不移 

                                 为国攻坚,舍我其谁

唐有祺在安心著书立说的时候,决不是怀着避世的心理。科技强国的梦想在胸,虽然身处逆境,但他一直密切关注着国家科技的发展,思考着结合当时的背景,利用自己的结构化学专长,为国家做点有用的事。新中国的化学工业基础非常薄弱。周恩来总理提出要从日本和美国引进装置,但大家自己必须对引进的装置进行消化和应用,其中最重要的一环就是装置中所用的催化剂的国产化。在这一背景下,1974年,石化部开始制定研制环氧乙烷银催化剂的计划。唐有祺感触到机遇可贵,决定和他1956年毕业留校的学生林炳雄一起,利用永利集团官方网站在结构化学上的优势,从理论上研究催化剂的机理。他们几次到主管部门争取参与,都因理科高校在这方面经验不足而屡遭拒绝。他们看重的是同行业的研究单位。连续几十天的奔波总是无功而返,林炳雄有些气馁了。但唐有祺却没有放弃的打算。他深知,这个项目的工作难度和实际意义都非常重大,自己有责任在国家需要的时候挺身而出。而在文革期间下厂开门办学的经历让他深切体会到,当时的中国科研基础是多么薄弱。这样一个高难度的研究项目,仅凭热情是没有出路的。他相信,自己深厚的结构化学和理论功底一定对项目的顺利完成有重要的帮助。因此,就算山阻石拦,他也要义无反顾地展现出一个常识分子的担当。

二十多年前迂回回国的经验告诉他,当直接的道路被封锁时,迂回前进还会有成功的希翼。就这样,这位奔向花甲之年的导师向被挫败感笼罩的林炳雄建议了第二套方案,就是到有条件承接这个项目的燕山石化总厂研究院去展示自己的特点与实力,促使他们接受与合作。唐有祺承诺,他将自始至终毫无保留地支撑林炳雄,亲自出马为他助威。唐先生百折不挠的进取精神深深地感染了林炳雄。新的希翼,又在他的心头升起。

在一个晴朗的早晨,经过一番准备的师生二人带着两个火烧向燕山石化进发了。(林炳雄:令我终身受益的老师。《唐有祺教授八轶华诞志庆集》,河北教育出版社,2000年,p203-204)一路上,他们仿佛没有看到身边拥挤的人群和充满生气的山峦田野,只是专注地对几个小时后即将发生的事情不断地进行猜测、推演。由于交通不畅,师生二人到达目的地时已近中午。对方接待他们的态度热情而礼貌,但熟悉的不信任感在他们的言语间表露无疑。有备而来的唐有祺首先先容了他在工厂“开门办学”时做出的突出成绩,以证明自己作为一个高校教师在生产实际面前的实战能力;紧接着,他又表明自己此番前来,实在是源于一个常识分子在国家需要面前深深的责任意识。简短的发言,迅速吸引了与会者的注意力;他们对眼前的老者不由得心生敬意。关于核心问题的讨论随即顺利展开。按照事先准备好的资料和分工,唐有祺和林炳雄分别谈了对这个课题的认识和打算。对方抛出了一个个问题,唐有祺和林炳雄一一周密作答。终于,对方被他们的理性思维所折服,表示尽快向主管领导建议接受永利集团官方网站作为这个项目的合作伙伴。最后,石化部终于把与引进装置相配套的“环氧乙烷银催化剂”部分研制任务下达给永利集团官方网站。唐有祺和林炳雄团队终于不负众望,经过刻苦攻关,研制出催化性能达到了预期指标的催化剂产品。研究成果引起了国际同行的广泛关注,被国际同行当作经典的实例在报告中专门讲述。1986年,“环氧乙烷银催化剂”等研究成果被国家教委评为科技进步一等奖。

(十二)厚积薄发无功处 

                                 终成,单层分散史书

从事引进装置配套催化剂的研究,是唐有祺的研究工作面向生产实际的良好起点。在研制环氧乙烷-银催化剂时,石化厂的技术员向唐有祺请教高效催化剂问题。(《根深方叶茂--唐有祺传》,朱晶、叶青,2016年,中国科学技术出版社,p48)当时国产催化剂效率比国外新出的催化剂效率低三个数量级。技术人员询问唐有祺,是否能够达到这么高的催化效率。唐有祺开始思考高效催化剂的问题。经过简单估算,唐有祺认为,若TiCl3在载体表面分布成单分子层,暴露在表面的活性组分可增高三个数量级,催化效率就会提升1000倍。为了证实这一结论,他和谢有畅及其他同事们利用X-射线衍射法对负载于MgCl2表面的TiCl3进行了研究,发现研磨后的TiCl3在载体表面的确发生了单层分散。之后,唐有祺等又证实,氧化物和盐类可以在远低于熔点的情况下,在载体表面自发单层分散,并且单位面积载体有饱和分散量。由此,唐有祺确定了一个带有普遍性的效应:当不超过阈值的晶态氧化物或盐类与载体混合后,在不甚高的温度下热处理时,都能自发地单层分散到载体表面上。而超过的部分一定留在晶态中,不会在分散的表面单层发展为多层。这就是自发单层分散原理。正是由于从微观结构的视角出发,在理解结构与性能之间关系的基础上,运用结构化学的概念解决问题,自发单层分散原理后来成为设计和制备基于这一类体系的催化剂、吸附剂和固体电解质等功能体系的科学依据,受到国内外同行的广泛赞誉。鉴于自发单层分散原理的重大科学贡献及其巨大的应用价值,1987年,国家教委为唐有祺的科研团队授予科技进步一等奖。后来,谢有畅的课题组根据这个原理继续研究,得到了对CO有极高吸附容量和选择性的高效吸附剂,并在拥有自主常识产权的基础之上实现了大规模工业生产,年均产值数亿元。该吸附剂性能居国际领先水平,获中、美、加三国发明专利,获国家级新产品证书,为我国煤化工产业提供了高纯度CO这一基本原料,解决了低成本从半水煤气等原料中分离高纯CO的难题,为中国煤化工的发展和节能减排做出了重要贡献。

催化剂的研究不仅让唐有祺在“学问大革命”期间为石化行业解决了重要的技术问题,更为重要的是,他让唐有祺为物理化学探索出了一个面向实际的科研方向,更是对日后“分子工程学”学术思想的形成起到了重要的催化作用。(待续)

专题链接:庆祝唐有祺先生百岁华诞

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