南科大新晋院士夏海平：在分子世界栽种“中国梅花”

在南科大创园实验室里，一朵由化合物构成的“梅花”悄然绽放——它并非草木，而是一个被称为“金属核轮烯”的分子结构。这项由化学系讲席教授、深圳格拉布斯研究院执行院长夏海平团队攻克的成果，破解了困扰化学界70年的难题。今年11月，夏海平当选中国科学院院士。

“分子梅花”绽放南科大校园

夏海平院士的申报依托单位为南方科技大学，整个推荐流程均在南科大完成。其中最为关键的工作，是成功合成了“金属核轮烯”的分子结构。

“这一系列成果总称为‘碳龙化学’，相关研究始于十几年前我在厦门大学工作期间，来到南科大后实现了系列突破，并且做出了最关键的成果，就是‘金属核轮烯’。”夏海平介绍：“这是‘碳龙化学’的一个升级版。其最核心的分子结构，看起来就像一朵梅花。”

“非常梦幻！”夏海平团队的博士后徐宾彬回忆起她第一次用X射线单晶体衍射仪观测到这朵“梅花”的时候，依然十分兴奋。那是2023年底，为了合成这个五个五元环结构的分子，徐宾彬已经在实验室里尝试了多种方法，奋战了一年多，而整个团队为之付出的时间则更长。

“之前我一直不知道到底能不能做出来，一直到它出现在眼前，我才发现这个结构真的可以实现。”那天测完晶体已经是晚上12点多了，徐宾彬却毫无困意。第二天一大早，她就敲开夏海平办公室的门做了汇报。

该成果带给徐宾彬的是震撼，而对夏海平而言，这更是对他多年来孜孜探索方向的一次确认。在苯环发现200周年，也是他沿此方向攻关的第十年，“金属核轮烯”终于清晰展现出其轮廓——精致、规整、优美。

夏海平马上组织团队开会讨论这个进展，大家马不停蹄继续试验、观测、收集数据，几个月的奋斗后，他们终于收获了更完美的分子结构：它花瓣匀称、结构完整，环的中间有一个类似“花蕊”的金属原子。

“梅花”绽放，“芳香”扑鼻。今年5月1日，Nature发表了这项成果，美国化学会发布的《化学与工程新闻》对该成果的评价是：“该成果重新定义了金属杂芳香性，或将载入教科书。”

十年攀登，破解学界七十年猜想

“金属核轮烯”为何如此受到学界重视？这要从化学史说起。

“你知道苯分子吗？它是一个六元环，是法拉第在1825年发现的，今年恰好是它被发现200周年。”夏海平告诉我们。苯正是第一个被认识的“轮烯”体系。

到了1951年，科学家发现了二茂铁，它有着由轮烯分子与金属形成的“三明治”结构——金属夹在两个轮烯环中间。这类分子在催化领域极为重要，相关发现者也在1973年获得了诺贝尔化学奖。此后，许多科学家开始思考一个问题：金属能否不只是在环外“夹心”，而是直接嵌入到轮烯环的内部？这个难题70年来一直未获解决。

夏海平介绍，他团队的工作就是首次成功将金属原子“塞进”了轮烯环的内部。更关键的是，他们发现这个新分子具有非常独特的性质。首先，它的大环芳香性比传统认为完美的苯环还要强。同时，由于金属的嵌入，它周围的五个小环也被赋予了芳香性，形成了一个结构独特且高度对称（具有五重对称性）的分子。

“如果说苯分子是‘大道至简’的美，像山村淳朴的少女；那么这个新分子则展现出一种‘巧夺天工’的精致与华丽之美，像是精心选拔出的选美佳丽，是不同维度的美。”夏海平笑道。恰好今年是苯发现200周年，一些国际机构也用这一分子制作视频来纪念这一时刻。

有意思的是，这个“分子梅花”与化学系沿用近十年的“系标”十分相似，这个“系标”本就是以苯分子为原型而设计的花型。夏海平说：“许多人说我们把化学系的‘系标’做出来了，而且比‘系标’的设计更精美、更严丝合缝。科学的进展往往会突破我们的认知，而且比我们想象的更精妙。”

一把“同花顺”背后的科学坚守

走进夏海平的办公室，人们往往会被他桌上的一副特殊扑克牌吸引。这不是普通的扑克牌，而是一套“碳龙化学”主题牌——每张牌背后，都凝聚着一段艰苦的科学历程。

“我的研究方向是金属有机化学，核心是探索碳与金属之间的化学键。”夏海平说，“我一直想探究一个根本问题：一个金属原子上最多能形成多少根碳—金属键？极限在哪里？”夏海平不想沿用前人方法，他选择了一条原创路径：用一条至少三爪的碳链去“抓住”金属。随着碳链不断增长，碳—金属键的数量也不断增加。2016年，团队已成功合成碳原子数从7到12的一系列化合物。

“在一次交流中，丁奎岭院士对我说，你这7、8、9、10、11、12的碳系列，不正像一副‘同花顺’吗？”夏海平回忆道。从此，“同花顺”成了这个系列化合物的昵称。

此后，团队继续推进，这副“同花顺”越连越长。其中最高阶的“K”和“A”分子，是在南方科技大学完成的。尤其是“A”——梅花型的“金属核轮烯”，是整个研究中最难攻克的堡垒。为了纪念这项历时近十年的工作，团队设计了一套“碳龙化学”扑克牌。未来，这个“同花顺”家族还可能进一步扩展，例如嵌入更多金属或构建更大环系。

这一系列成果都是从“0”到“1”的工作，在方向不确定、结果未知的情况下，如何坚定做出选择，并带领团队持续探索？

“我的心得是：第一，要找准你所在领域的核心科学问题；第二，要从中找出尚未解决且足够重要的问题。第三，也是最关键的一点，必须尝试用前人未曾用过的方法去解决它。这也是我一直对年轻科研人员做出的建议。”夏海平说。

水到渠成之下，“碳龙化学”作为中国原创成果，已获得多方认可。夏海平将其概括为“走进书架、登上货架，还进了试卷”——走进“书架”指的是它被写入了国际权威的有机化学教科书《March Advanced Organic Chemistry》，上“货架”是指进入J&K（百灵威）试剂目录国内外销售。

“我们课题组不提倡‘弯道超车’，因为所谓‘弯道’，那还是在别人的赛道上。我们强调‘独辟蹊径’，自己闯出一条新路，这样后面才会有千千万万人跟随。”夏海平说。

在创新沃土的精彩“再创业”

“不走寻常路”的选择，不仅贯穿于夏海平的科研探索，也同样鲜明地刻写在他的人生轨迹中。

2018年，55岁的夏海平离开学习、工作了40年的厦门大学，全职加入南科大。“很多人问我原因。其实我不是被‘挖’来的，而是觉得如果55岁还不改变，可能一辈子就呆在一个单位了。”他坦言，“我来南科大看了看，和学院领导聊了聊，就做出了决定。”这个选择也与他的成长经历有关：父亲是中山医学院的医生，他在广州中山二路长大，对广东很熟悉；香港回归前，他还在香港科技大学做过两年访问学者。“南科大的办学模式与港科大很相似，我来了之后感觉很亲切。”

目前，夏海平主讲两门课：《高分子材料结构、性能与应用》与《化学实验安全与环保》。“实验室安全课我已坚持十多年。化学实验性质决定了化学系是安全高危区，实验室安全是重中之重。没有安全，一切研究都失去意义。”课堂上，他融入真实案例，反复强调规范操作与应急流程，从试剂存放、仪器使用到应急处置，都亲自示范、严格把关。“实验台前无小事，一个细节的疏忽可能造成无法挽回的后果。”他常这样叮嘱学生。

作为深圳格拉布斯研究院执行院长，夏海平为这深圳首个“诺奖实验室”倾注了大量心血。研究院以2005年诺贝尔化学奖得主罗伯特·格拉布斯命名，聚焦其核心成果“格拉布斯催化剂”，主要开展两大方向研究：一是有机合成催化，发展高效、绿色催化剂体系，降低医药、材料合成的成本与污染；二是高分子合成催化，探索新型高分子材料制备路径，服务新能源、生物医药等产业需求。研究院刚与一家企业签署协议，共建联合实验室。此前这家企业已经与他们连续五年开展合作。“这说明合作见效，企业获得了收益。”夏海平说。