Discussion about the research style on chemistry of Lu Jiaxi
Wu Liji 
(Department of Chemistry, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China)
Abstract  This thesis elaborated the research style which was formad during the long-term research and practice on chemistry by Lu Jiaxi. That is :in the combination of basic research and applied research, basic research should be given priority; in the combination of structure and function research, structure research should be given priority; in the combination of physical and chemical research, chemical research should be given priority; in the combination of theory and experiment, experiment should be given priority.
Keyword  Lu jiaxi, Chemistry, Research style

论卢嘉锡的化学研究风格^*

乌力吉
（内蒙古师范大学 呼和浩特市 010022）

摘要   本文阐述了卢嘉锡在长期的化学研究实践中形成的，基础和应用相结合以基础研究为主，结构和性能相结合以结构研究为主，物理和化学相结合以化学研究为主，理论和实验相结合以实验研究为主的研究风格。
关键词  卢嘉锡 化学 研究风格

    卢嘉锡院士是我国著名化学家、化学教育家、社会活动家和卓越的科技工作领导者。卢嘉锡1928年秋13岁时考入厦门大学预科，19岁从厦门大学化学系毕业，1937年考取中英庚款公费留学生，进伦敦大学学院，在著名化学家萨格登（S·sagden）指导下进行人造放射性方面的研究，仅用两年时间，便获伦敦大学物理化学专业哲学博士学位，成为中国最早接触核化学研究的专家之一。1939年秋经萨格登教授推荐，卢嘉锡进入美国加洲理工学院，在两度获得诺贝尔奖的著名化学家鲍林（L·C·PauLing）教授指导下从事结构化学研究，任客座研究员。1940年夏，3年公费留学期满，卢嘉锡因实验技能出众，被鲍林教授挽留，继续工作达5年之久。在此期间，卢嘉锡发表了一系列学术论文，科研成果倍出，奠定了其日后的学术研究基础。在英、美留学研究历经8年之久后，1945年，年方30岁的卢嘉锡满怀科学救国的热忱回到祖国，受聘于其母校厦门大学化学系任教授兼系主任，1950年任厦门大学理学院院长，1955年当选为中国科学院学部委员（院士），1958年受组织委派，负责筹建福州大学和原中国科学院福建分院。1960年担任福州大学副校长兼中国科学院福州物质结构研究所所长，1981年出任中国科学院院长^[1]。卢嘉锡院士在国际科学界享有崇高威望，1984年当选为欧洲文理学院域外院士；1985年当选为第三世界科学院院士；1987年获比利时皇家科学院外籍院士称号；1988年被任命为第三世界科学院副院长。卢嘉锡院士在物理化学、结构化学、核化学、材料化学、仿生化学等领域成就卓著，特别是在原子簇化学和晶体材料领域成绩斐然，并常期从事高等院校，科研院所的领导工作，在学科建设、课题选择、人才培养、经费管理、对外交流、横向联系以及稳定基础研究，加强应用研究等方面形成了独具特色的科研指导思想和科研风格。本文就卢嘉锡的化学研究风格，从如下四个方面予以探讨：

1．基础与应用相结合以基础研究为主的风格
    早在上个世纪30年代末期，卢嘉锡在英美各国留学期间，就十分重视基础理论研究，敏锐地意识到物理化学的第一发展阶段即热力学阶段已臻完善，结构化学将成为物理化学的第二发展阶段，并毅然选择结构化学这一化学研究中的基础学科作为自己的主攻研究方向。但卢嘉锡并没有将自己的研究工作完全局限于基础研究工作范围内，而是抽出部分精力参加了美国国防研究委员会第十三局马里兰州研究室的与当时战事有关的应用研究课题——燃烧与爆炸方面的研究工作，并做出了出色成绩，于1945年获美国科学研究与发展局颁发的“科学研究与发展成就奖”。
    金属原子簇化合物具有特殊的化学性质，如特殊的氧化还原性能和电子传递性能，中心金属簇骼的多变价态及其相应的电子结构。上个世纪70年代以来由于化学模拟生物固氮、簇合物催化、超导材料、新型光学晶体材料等方面研究工作的深入开展促使过渡金属原子簇化学成为基础化学研究领域的一个十分重要的分支。在上个世纪60年代初期卢嘉锡在创办福建物质结构研究所的时候就开始组织科研人员开展过渡金属配合物，硫氮系原子簇化合物的基础研究工作，并取得了可喜的研究成果。从1972年起，卢嘉锡和蔡启瑞等人共同开展了化学模拟生物固氮这一重大基础研究项目的协作研究，并开始致力于联系化学模拟生物固氮的原子簇化学的研究。1978年，卢嘉锡基于对国际化学前沿领域的敏锐洞察力，在国内首先倡导积极开展过渡金属原子簇化合物的研究。同年卢嘉锡在全国化学年会上发表了题为“原子簇化合物的结构化学”论文，对这一基础研究项目的研究工作起了积极推动作用。此后以卢嘉锡为首的研究集体在这一方向进行了深入系统的研究工作，合成和表征了200多种新型原子簇化合物，在此基础上总结和归纳出了两个重要规律，即“活性元件组装”理论和“类芳香性”概念，在原子簇化合物的基础研究领域做出重要贡献，受到美、英、日、德、法、苏等十几个国家化学家的重视。
    卢嘉锡在研究工作中重视基础研究工作，将基础研究工作摆在首要和主导位置的同时，用基础研究带动和指导应用研究，在新型晶体材料领域取得了一系列重大成果。激光技术是对工业、农业、军事、商业以及对人们日常生活产生重大影响的高新技术，然而激光技术的每一步发展和应用都与非线性光学晶体材料密切相关。所以从上个世纪70年代开始，非线性光学晶体材料得到国内外的广泛重视和关注。以卢嘉锡为首的福建物质结构研究所晶体材料研究小组在研究中发现，具有非线性光学性能的晶体材料大都含有共轭p键，但热稳定性和化学稳定性较差，不宜做晶体材料，这就促使他们考虑在无机化合物中寻找具有类苯环 键又无对称中心一类物质。为此，他们以原子簇化合物基础研究中发现的类芳香性概念为指导，确定选择具有类芳香性环形共轭p键，又无对称中心的含（B₃O₆）^3- 结构的硼酸盐体系化合物，作为探索新型非线性光学晶体材料的研究重点，合成出一系列偏硼酸盐化合物，又经晶体结构测定，最终发现低温相偏硼酸钡具有良好的非线性光学性能，并培养出大块的BBO单晶体。BBO单晶体是目前激光技术领域中倍频效应最大，抗光损伤能力最高，调谐温度半宽度最宽的优质紫外倍频晶体。由于BBO晶体具有如上优异性能被国际上公认为应用价值最好的非线性光学晶体材料，并被美国《激光和电光》杂志 评为1987年10大激光技术产品之一。随后中国科学院福建物质结构研究所依照上述研究思路又研制成功了LBO晶体以及国际上公认为极难培养的大尺寸自激活激光晶体——NAB（硼酸钕铝）晶体。^[2]
    卢嘉锡及其研究集体在研究工作中始终将基础研究放在首要位置，以基础研究指导和带动应用研究，又以应用研究促进基础研究，将基础研究不断引向深化，实现了基础研究与应用研究最佳结合。

2．结构与性能相结合以结构为主的研究风格
    在化学发展史上，首先认识的是物质的化学组成，继之认识的是物质的化学结构。化学结构包含三个基本因素：一是组成，二是组成之间化学相互作用，三是组成之间的关系。组成之间的相互作用指的是化学键，组成之间的关系，指的是化合物中各组成成分之间的相对位置，排例次序，空间分布，所以化学结构可以理解为相互作用着物质微粒，如原子、离子、原子团、分子等按一定规律结合而成的，具有稳定性的空间组织。性质是具有特定组成和结构的物质所具有的特性，这种特性在与其他物质相互作用中才能显现出来。化学范围内讨论的性质，有物理性质和化学性质，物理性质是指质量、颜色、熔点，沸点，溶解度，旋光性，物态等，是物质本身所固有的一般性质；化学性质是指化学反应活性、反应性能、反应过程，是在化学变化或化学反应中表现出来的性质。性质和结构关系中结构决定性质，性质反映结构。在现代化学研究中化学结构的研究一直优先于化学性质的研究。因为抓住了化学结构就抓住了化学研究的主要矛盾。
    早在上世纪40年代，卢嘉锡师从美国著名化学家鲍林时就将结构化学选择为毕生的研究方向，在结构分析中显示了卓越的才能，他和盖古勒（P·A·Giguere）一道巧妙地将过氧化氢加工成脲——过氧化氢加合物，培养出其单晶，证实了彭尼（W·penny）和萨寒兰（G·sutherland）根据量子化学理论计算提出的过氧化氢的分子构型；通过二联苯不寻常晶体结构的测定，确定了该分子的结构，证实了洛思罗普（Lothrop）根据合成化学反应提出的该分子的分子结构；与多休诺（J·Donohue）一道采用电子衍射法确定硫氮（S₄N₄）化合物，砷硫（As₄S₄）化合物具有“摇篮”形的八员环构型，解决了国际上关于硫氮结构长达半个世纪的争论。在确定硫氮簇合物S₄N₄，砷硫簇合物As₄S₄结构时卢嘉锡就曾注意到这类新奇分子具有多中心键，而多中心键也正是过渡金属原子簇化合物的结构特征。这一研究经历正是卢嘉锡日后将原子簇化合物作为自己主要研究方向的原因所在。也是在这一时期，卢嘉锡在结构分析方法上，提出一种处理等倾角魏森堡衍射点的极化因子和洛伦兹因子的图解法，成为当时国际上通用的一种简便方法，并被收入《国际晶体数学用表》（第二版）^[3]。
    中国科学院福建物质结构研究所组建以后，卢嘉锡开始着手进行结构化学研究工作。1964年，他与潘克桢等研究了S₄N₄的晶体结构；此后与黄金陵一道开展了对硫氰根配合物结构和铂族元素与p键烯烃分子的成键规律的探讨。1972年，卢嘉锡与蔡启瑞一道开展化学模拟生物固氮的协作研究时，就开始致力于原子簇化合物，尤其是过渡金属原子簇化合物结构的研究，以类立方烷型钼铁硫簇合物为主要研究对象，在类立方烷型，欠完整类立方烷型以及链型簇合物研究领域，取得了令国内外同行注目的成绩，并在此基础上提出固氮酶活化中心的化学结构应是对N₂分子能实现端基加侧基络合的具有网兜状构型的多核原子簇化合物，这就是福州模型Ⅰ。以后根据实验数据又将该模型修正为具有孪合双网兜结构的福州模型Ⅱ。上述模型反映的特性，后被化学家运用现代结构分析方法对固氮酶钼铁蛋白和铁钼辅基的研究所证实，从而使化学模拟生物固氮从单核或双核活性中心演变为多核活性中心^[4]。
    在上述结构与性能研究中以结构为主的思想，卢嘉锡在“结构化学研究中若干辩证思维方法”一文中有一段透彻的表述：“我们在进行天然有机化合物的结构分析时，首先要从大量天然有机物中提纯、分离出各种不同组分的纯物质或有效成份，然后再根据各种谱仪所提供的不同角度的信息，经分析、综合、推理、判断、常能作出合乎逻辑的结构鉴定，”“我们进行结构测定的目的在于掌握性能与结构之间的联系，从而找出设计合成的内在规律，只有真正了解分子结构及其化学键的本质，才能把握分子”。在20世纪70年代初开展的化学模拟生物固氮研究中，卢嘉锡正是把研究工作切入点选为固氮酶活性中心的结构探测上，首先从结构上分析了氮分子的异常惰性以及氮分子配合活化的必要条件：一是侧基加端基的络合使N-N键拉伸；二是固氮酶活性中心结构是多核原子簇；三是具有合适的空间结构。据此提出了能对N₂分子实现投网式活化的钼铁硫MoFe₃S₃四核网兜状结构模型——福州模型I。随着研究工作的深化，以后又提出了福州模型Ⅱ和福州模型Ⅲ并进行试探合成，得到了一些有益的启示。对上述研究工作的运行机制，卢嘉锡有一段精群的论述：“这种从结构的阐明（从分析到综合），到指导合成的研究（从综合到分析），再从合成的探索反馈到结构的确证，最后达到完全自洽的认识过程，就完成了科学的思维过程。”^[5]在这一运行机制中化学结构的研究显而易见，始终是一条主线。

3．物理与化学相结合以化学为主的研究风格
    化学理论在其形成时，就与物理学理论发生了密切联系。早期的气体定律和理论，既是化学的也是物理学的。电离学说，既与物理学中的电学有关，也与化学中的离解相联，化学研究的对象是分子，涉及原子，原子核和核外电子。物理学也研究分子、原子、原子核和核外电子。从相互作用方面看，物理学研究的电磁相互作用，也是化学研究的内容，化学亲和力在本质上是电磁力和电磁相互作用。这就是说，无论从物质的层次结构还是从物质之间的相互作用的本质来看，化学没有特殊的，根本不同于物理学的理论，从基础方面看，化学理论与物理学理论是相通的。现代化学的重要分支之一，理论化学就是在物理学和化学的边缘地带发展起来的交叉学科。
    在现代结构研究中传统的以化学反应为基础的分析方法，已远远不能满足学科研究的需要，卢嘉锡及其研究小组在其研究工作中大量采用了借助于现代高精尖仪器的物理分析方法，多方借助了光学分析方法，电化学分析方法，色谱分析法，质谱分析法，能谱分析法，以及多机联用分析法。正是借助上述物理分析手段，广泛采集了被测物质从体相到表相，从空间构型到电子分布，从静态到动态的全方位的结构参数和信息，为探讨反应机理，合成被测物质提供了详实的第一手资料。
    卢嘉锡在“结构化学研究中若干辩证思维方法问题”一文中谈到，在研究固体发光动力学过程，以及固体电的、磁的、光的性质时，长程力在起主导作用，短程力在起辅助作用，在此固体物理的能带理论能提供很好的解释。在研究电光非线性效应，晶体缺陷，非晶态物质和表面吸附时，“原子簇”模型显示其优越性。鉴于此，卢嘉锡认为应该在远程力中考虑保持短程力的影响，短程力中考虑保持远程力的影响，将物理学能带模型和化学的原子簇模型，有机地结合起来，形成相互作用的原子簇模型。这一想法充分体现了卢嘉锡在化学研究工作中将物理学和化学相结合，以化学为主的研究风格。
    卢嘉锡及其研究集体正是这样将物理学的理论和物理学的测试手段，向化学领域推广和扩展，并与化学实验予以有机结合，既体现了学科间的渗透和影响，又体现了化学研究的主导地位，使化学理论增加了新概念，新思想，使其得以进一步丰富和深化。

4．理论与实验相结合以实验为主的风格
    在历史上，化学被视为一门实验科学，曾经在很长一段时间内，化学研究的主要方法是化学实验，通过实验建立化学理论，通过实验发现化学现象，进而对化学现象提出理论解释。到了现代，化学中分化出一门理论化学，从事理论化学研究的化学家的研究方式是建立模型，进行计算，探讨建立模型的方法和计算方法，他们往往不做实验，只是利用别人的实验结果。这样，在化学家中，除了按研究对象可分为不同专业的研究人员外，还可以分成实验化学家和理论化学家两部分人。卢嘉锡在自己的研究工作中另辟蹊径，既重视理论研究的同时又重视实验研究，将两者予以有机结合，体现了以实验为主的研究风格。
    早在上个世纪50年代初期，卢嘉锡就与唐敖庆、吴征铠、徐光宪一道在青岛和北京，曾两度举办物质结构暑期讲习班，将结构化学这一新型的理论化学学科介绍到我国，为我国高等院校培养出了第一批结构化学主讲教师，为理论化学在中国传播打下了良好的基础，使我国成为当时世界上为数不多的几个在大学化学系中开设结构化学的国家之一。
    1958年，卢嘉锡筹建福州大学的同时，筹建了中国科学院福州分院，并经数次调整将福州分院的研究重点放在物质结构研究上，后改名为福州物质结构研究所，成为我国理论化学研究基地之一。该所成立伊始，卢嘉锡就组织科研人员开展过渡金属配合物，硫氮系原子簇化合物，晶体材料方面的理论研究，并取得了可喜的成果。
    1972年开始，卢嘉锡将研究重点放在了过渡金属的原子簇化学上，并与蔡启瑞一道共同开展全国化学模拟生物固氮的协作研究。同年卢嘉锡据于固氮酶生化研究结果，从结构上分析了氮分子的异常惰性以及氮分子发生络合活化的条件，在此基础上提出化学模拟生物固氮模拟物的结构应是能实现对氮分子侧基加端基络合，具有网兜状构型的多核原子簇化合物——福州模型I。他们提出上述模型后，立即开展了模型化合物的试探合成，并得出了有意义的结果。1980年，根据固氮酶的FeMo辅基的有关化学分析结果，即Mo：Fe：S≈1:8:6，卢嘉锡及其合作者将两个福州模型I平行孪合后提出了福州模型Ⅱ，接着又着手在实验室中试探合成模型物。卢嘉锡以这项重大研究工作为契机，并基于对国际化学前沿领域发展趋势的敏锐洞察力，以及化学模拟生物固氮研究实践，开始在国内率先开展了过渡金属原子簇化合物的研究。以卢嘉锡为首的研究集体,20多年来在合成和表征200多种新型簇合物的实践中，从合成化学、结构化学、量子化学和谱学表征方面对过渡金属化合物进行了综合研究，提出了原子簇化合物的“活性元件组装”理论和“类芳香性”概念。
    原子簇化合物的生成规律,多年来一直是原子簇化合物研究的热点。卢嘉锡在总结了钼铁硫原子簇化合物合成反应大量实验结果后发现立方烷型、欠完整立方烷型原子簇化合物在其自兜反应生成过程中，经常留下反应物基本单元的结构“遗迹”，由此提出复杂簇合物可由简单原子簇“元件”通过活化成为“活性元件”组装而成的设想。这一设想又得到了量子化学理论计算结果的支持。在元件组装设想的启发和指导下，卢嘉锡及其研究集体合成了许多类立方烷型铁硫、钼铁硫原子簇化合物和其他类型簇合物，使元件组装设想上升为“元件组装”理论，从而使黑暗中摸索的原子簇化学见到了一线光明。
    过渡金属原子簇化合物的研究、历经30多年，已合成了从两核至数十核的数以千计的各种金属簇合物。卢嘉锡及其研究集体在研究工作中发现，某些钼硫簇合物簇骼中含有[Mo₃S₃]折叠六元环，其[Mo₃S₃]簇环中基本等长的Mo-S键明显地较一般Mo-S单键短，其键长介于单双键之间。这个簇环还在置换、加成和氧化等典型笨环化学反应中表现了与苯环相类似的化学行为。由此他们总结出了[Mo₃S₃]簇环具有“类芳香性”概念，接着他们立即组织了有关量子化学计算和验证性实验研究，从理论上深化了这一概念。这样，卢嘉锡及其研究集体就把有机化学中最重要、最基本的传统概念——芳香性概念引入到过渡金属原子簇化学中，把芳香性概念推广到[Mo₃S₄]⁴⁺簇合物中的[Mo₃S₃]非平面折叠六元环中，在这一工作基础上，他们又揭示了[Mo₃S₄]⁴⁺簇合物中[Mo₃S₃]非平面折叠簇环的（d-p-d）三中心双电子p键共轭体系的成键特性，建立了与六元簇环芳香性相联系的三中心键模型。应该指出的是据于某一理论，解决某一领域中的问题，这是科学研究中的一种创新，是对科学的一种新贡献.将苯中的平面芳香性推广到[Mo₃S₄]⁴⁺簇合物的[Mo₃S₃]非平面折叠六元环中，是化学理论中的又一创新成果。
    卢嘉锡及其研究集体所提出的的固氮酶活性中心的诸结构模型，立方烷型原子簇化合物的结构规则、硫钼六元簇环芳香性概念和三中心键模型、金属原子簇化合物的“活性组装”理论均是原子簇化学中的重大创新成果。上述诸项理论成果无一不是通过化学实验取得的。化学作为一门基于实验的自然科学其每一项重大发现，重大突破，重大理论，都源于实验。卢嘉锡作为理论化学家在其科学研究工作中始终把实验摆在重要位置，通过化学实验发展化学理论，通过化学实验验证化学理论，同时又十分重视理论对实验的指导作用，用理论设计实验，用理论改善实验，实现了理论和实验的完美结合和统一。
    卢嘉锡院士在长期结构化学研究实践和领导福建物质结构研究所的工作实践中逐渐形成的上述研究风格，在推动我国结构化学研究工作，赶超世界先进水平使我国在过渡金属原子簇化合物研究领域和晶体材料研究领域跻身于世界先进水平行列方面发挥了重要作用，并将成为我国化学研究工作者的宝贵精神财富，继续指导和推动我国的化学研究工作。

参考文献
[1] 郭保章. 中国现代化学史略，南宁：广西教育出版社，1995年，236-242.
[2] 赵玉林、李振溅、陈建新等. 当代中国重大科技成就鸟瞰与探微，武汉：湖北教育出版社，1996年，383-385.
[3] 赵匡华、周嘉华、王扬宗等. 中国化学史，南宁：广西教育出版社，2003，522-530.
[4] 《中国化学五十年》编委会. 中国化学五十年，北京科学出版社1985年，129-130.
[5] 《化学哲学基础》编委会. 化学哲学基础，北京：科学出版社，1986年，368-375.

^*本文系2003年全国化学史、化学哲学双年会交流论文

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