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严纯华 | 纪念徐光宪院士诞辰一百周年

《中国科学:化学》   严纯华   2020-11-11
导读:2020年是中国科学院院士、中国"稀土之父"徐光宪教授诞辰100周年,《中国科学:化学》邀请兰州大学校长、北京大学稀土材料化学与应用国家重点实验室主任严纯华教授担任特约编辑,组织徐先生的学生以及在实验室学习工作过的同仁撰文,编集出版了“纪念徐光宪院士诞辰100周年”专刊。严纯华院士撰写了《前言: 纪念徐光宪院士诞辰一百周年》,以下为前言全文。

徐光宪,浙江省绍兴人,中国共产党党员,中国著名的化学家和教育家, 1980年当选为中国科学院学部委员(院士),1920年11月7日出生,2015年4月28日仙逝。

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徐光宪先生1944年毕业于上海交通大学化学系, 获得理学学士学位. 1949年和1951年在美国哥伦比亚大学先后获得理学硕士和哲学博士学位, 被选为美国Phi Lambda Upsilon荣誉化学会员及Sigma Xi荣誉科学会员. 抗美援朝开始后, 他冲破美国设置的阻止中国留学生归国的封锁, 与妻子高小霞一道, 毅然回国投身于新中国建设. 他历任北京大学化学系副教授、教授, 期间由于国家发展原子能工业的迫切需要, 服从组织分配, 调到技术物理系任副系主任兼核燃料化学教研室主任十余年. 文革后返回化学系, 担任化学系无机化学教研室主任, 先后创立了稀土化学研究中心和稀土材料化学及应用国家重点实验室, 并分别担任主任、学术委员会主任、名誉主任. 1980年与老一辈稀土科学家和管理专家一起, 发起成立了中国稀土学会, 并当选为副理事长, 1998年当选为荣誉副理事长. 1986年当选为中国化学会第22届理事会理事长、1986-1994年兼任国家自然科学基金委员会化学科学部主任. 1987年任IUPAC第25届国际配位化学会议大会执委会主席, 1986-2007年连续担任第1至第5届国际稀土开发和应用大会主席或学术委员会主席. 1989-1995年任亚洲化学联合会主席. 他长期担任《中国科学》、《科学通报》、《高等学校化学学报》副主编, 2002-2007年任《中国科学: 化学》中、英文辑执行主编; 创立《中国稀土学报》(中、英文版)并担任主编. 他还曾是第三届全国人大代表、第五至第八届全国政协委员。

徐先生始终坚持“立足基础研究, 面向国家目标”的研究理念, 将国家重大需求和学科发展前沿紧密结合, 在稀土分离理论及其应用、稀土理论和配位化学、核燃料化学等方面做出了重要的科学贡献。

稀土是化学元素周期表中Sc、Y和15个镧系元素的总称, 由于镧系元素化学性质十分相似, 分离十分困难. 但镧系元素含有不同数目电子占据的4f电子亚层, 能级极为丰富. 13种三价镧系离子共有1639个能级, 在这些能级之间, 有199177个可能的光学跃迁. 因此稀土元素具有十分丰富的光、电、磁性能, 在高新技术材料和国防尖端技术中有广泛的应用. 美国国防部和日本防卫厅都把除Pm以外的16种稀土元素定为战略元素. 我国拥有得天独厚的稀土资源, 储量居世界前列。

1972年初, 徐先生从研究Pr/Nd分离开始, 系统地开展了稀土分离方法的理论和实验研究. 针对常用的Alders液液萃取理论只能计算级数, 不能提供完整优化的工艺参数, 以及易萃和难萃组分萃取比EA和EB分别恒定的基本假设与实验不符合的缺点, 提出“混合萃取比EM(即稀土混合组分的总萃取比)”的新概念以及“EM恒定”的新假设, 在国际上首次创建了适用于稀土分离的串级萃取理论, 并推导出计算最优化工艺参数所需的全部理论公式. 由于取消了EA和EB恒定的假设, Alders的级数公式不再成立, 徐先生借鉴了石油化工分馏工艺设计中计算理论塔板数所用的“纯度作图法”, 针对单一稀土产品的高纯度要求(99~99.999%), 提出了“纯度对数求级数的作图法”, 大大提高了高纯度稀土分离中萃取级数的计算精度. 在此基础上, 又推导出基于EM的级数计算公式, 使之可以准确地计算萃取段和洗涤段的级数, 料液、萃取剂、洗液的流量和浓度比, 以及其它最优化工艺参数。

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严纯华教授在研究生期间向导师徐光宪院士、李标国教授汇报计算结果

为把该理论应用于实际生产, 徐先生带领科研组深入到我国早期三个最大的稀土分离厂, 包头稀土三厂、上海跃龙化工厂和广州珠江冶炼厂等, 进行了一系列小型实验和工业规模的验证试验. 在将该理论用于工业生产获得成功的基础上, 又分别在上海跃龙化工厂、包头冶金研究所以及广东、江西等主要稀土分离研究和生产基地举行了“串级萃取理论讨论班”, 使该理论在国内稀土分离研究、设计院所和生产企业的骨干技术人员中广泛传播并迅速得到推广应用。

八十年代初, 徐先生带领科研组又发展了上述理论和计算方法, 与北大数学系徐献瑜先生合作, 建立了萃取流程的传质和平衡模型, 使之不仅可以进行多组分稀土串级萃取分离最优化工艺参数的设计, 还能利用计算机进行动态仿真计算, 从而可以实时、动态、准确地反映多个稀土组分在各级水相和有机相的浓度分布. 在此基础上所建立的稀土串级萃取“一步放大”新工艺设计专家系统, 可以根据国内外各种的稀土资源、不同的原料组成以及多种产品纯度规格和收率要求等市场需要变化, 在一周内设计出优化的分离工艺流程和参数, 并可将设计参数不经过传统的小试、中试、扩试和工业规模试验, 直接应用于工业生产, 大大缩短了新工艺从研究、开发转化为生产力的周期. 此外, 徐先生还领导建立了包括“三出口”分离工艺、“轻、中、重稀土元素的全分离”、“高效的新启动方式”、“高纯中重稀土萃取分离”, 以及工艺衔接中的“稀土皂化”和“稀土洗涤”等多个稀土分离新工艺流程. 上述理论和技术已在我国稀土分离工业中得到普遍的应用, 彻底改变了我国稀土分离工业的落后面貌, 实现了我国从稀土资源大国向稀土生产大国的跨越, 为实现我国拥有自主知识产权的单一和高纯稀土的生产技术、并在国际竞争中超过法、美、日等国而领先于世界做出了重大贡献。

徐先生在晚年密切关注我国稀土及伴生钍资源的保护性开采和环境效应问题, 以80多岁的高龄之身, 先后赴四川冕宁和内蒙古包头白云鄂博矿区考察, 两次组织相关领域的院士给时任国务院总理温家宝建言献策, 呼吁稀土和伴生钍资源的保护和可持续绿色开采. 温家宝同志均给予及时批复, 并责成中央有关部门和相关地方政府予以落实. 徐先生为我国稀土和钍资源的综合利用和环境保护贡献了重要力量。

在量子化学和化学键理论研究方面, 徐先生及其课题组在国际上首先提出正弦型同系能级线性规律公式; 建立了适用于稀土化合物量子化学计算的方法和程序, 并对多种类型稀土化合物的电子结构进行研究, 深化了对稀土化合物电子结构和成键规律的认识; 提出原子共价的新概念及其量子化学定义, 通过对一系列化合物中原子价的计算和分析, 证实原子共价新定义的普遍适用性, 圆满解决了Pauling、Mayer等人的定义中存在的问题; 提出根据分子中包含的分子片数n、成环数cπ键数目π和分子的超额电子数x划分分子结构类型的(nxcπ)计算方法和判断其稳定性的结构规则, 为全部无机分子和有机分子提供了一个新的分类法, 可用来预测分子的结构类型和稳定性、指导合成实验。

在配位化学研究方面, 徐先生及其领导的团队在国际上最早发现钠钾等碱金属离子具有络合配位能力, 并测定出其与某些阴离子之间的配位平衡常数; 提出络合平衡的吸附理论, 可以简便地描述溶液中弱配位平衡过程; 合成了许多新颖的固体配合物并测定其结构、光谱等, 特别在稀土元素多核异核配合物方面取得了一系列创新成果; 在固体配合物研究的基础上开拓了分子基功能材料研究的新领域, 合成了多种具有优良荧光性质的稀土配合物及其高分子复合材料. 在分子基稀土磁性材料研究方面, 设计、合成了一系列结构新颖的二维和三维分子磁体, 观察到丰富的磁有序相(铁磁、反铁磁、亚铁磁、自旋反转、变磁、自旋倾斜和自旋玻璃等); 在多个弱磁相互作用的配位聚合物体系中观察到一种外磁场依赖的磁弛豫现象; 合成了一系列结构新颖奇特的过渡金属或稀土金属簇合物, 研究了一些稀土-过渡金属(Ln-M)异核化合物中Ln-M磁相互作用的性质。这些研究对理解分子中磁物理现象的本质、发展新型分子磁性材料有重要的意义。

他还指导课题组系统开展了稀土配合物与酰胺基团相互作用的基础研究, 并将研究成果应用于细旦尼龙纤维制造技术中. 他不辞劳苦, 多次南下杭州, 指导组织了“基于富镧稀土添加剂的细旦尼龙纤维制造技术”的原理性实验、小试实验和中试实验, 取得了令人满意的结果, 可生产出单丝纤度在0.7-0.8旦之间、断裂强度、断裂伸长等力学性能指标均符合国家常规尼龙纤维标准的细旦尼龙纤维(获授权专利十余件). 这一研究和技术的成功对于拓展稀土应用领域、打破国外跨国集团在细旦尼龙纤维制造技术领域的垄断具有重要意义。

在萃取化学研究方面, 上世纪六十年代, 徐先生通过分析大量萃取机理实验结果, 提出新的萃取体系分类方法, 指导建立了萃取体系的两相滴定法, 首先提出协同萃取体系的概念, 并运用于核燃料的萃取分离研究中. 徐先生及其课题组1980年在国际上率先提出在某些萃取体系中外观清亮透明的有机相不是真溶液, 而是油包纳米尺度水滴的微乳液的新观点, 微乳生成的本质是萃取剂分子极性基团的水化作用, 微乳或反胶团中的微量水具有超浓溶液中水的特殊结构和性质, 并以多种实验方法证明萃取稀土前后有分子聚集态结构的变化和破乳现象. 这一研究开创了微乳萃取研究领域, 八十年代后期逐渐被国际同行所接受, 到九十年代已成为国际萃取界的研究热点. 徐先生在该领域所发表的首篇论文被国内外同行广泛引用。

在分子光谱的研究方面, 徐先生指导应用振动光谱方法, 系统研究了多种化学问题, 发展了从光谱中提取分子结构信息的方法; 发现了分子模拟计算中存在分形现象, 揭示了其数学本质, 并利用分形的自相似性可以解决分子势面上多重极小点问题; 在用Raman光谱研究钕离子4I9/2®4I11/2的电子拉曼谱带时, 发现了一种新的不同于已知的拉曼共振增强和表面增强的机理, 称之为拉曼反馈增强机理。

作为一名著名的教育家, 徐先生倾心教育事业, 为党育人、为国育才, 培养了一大批化学科学和稀土科技及产业领军人才. 徐先生编写的《物质结构》一书, 作为高等学校教材培养了我国第二、三代的物质结构方面的教学和科研骨干人才, 为此获得了全国优秀教材特等奖. 他主持编写的《量子化学》一书共三卷, 对我国量子化学人才的培养也起到重要作用. 他为国家培养了大批放射化学、萃取化学、核燃料化学、量子化学和稀土化学的人才, 培养硕士、博士研究生近百人, 他们中很多后来成为相关学科的学术带头人和技术骨干或学术机构领导。

徐先生晚年仍坚持躬身教学和科学研究工作. 在2003年SARS抗疫期间, 他不仅捐款支持, 还利用网络媒体, 发表了两篇与青年学子谈读书治学、讲做人哲理的文章. 他还基于长期的科学研究和哲学思考, 在分子周期律的研究中提出了一系列创新的学术思想, 并始终参与制定和指导我国化学和稀土科学及产业的发展规划。

他对20世纪的化学发展进行了总结, 认为20世纪的化学发展积累了大量实验素材, 但理论研究相对滞后, 从而提出了“21世纪化学的四大难题和突破口”、“化学信息学”等观点, 对我国新世纪的化学研究和学科建设倾注了满腔热情。

基于徐先生的杰出教育和科学贡献, 他曾先后获得国家自然科学二等奖(1987)和三等奖(1987) 、全国高等学校优秀教材特等奖(1988)、国家科技进步二等奖(1998)和三等奖(1991)、何梁何利基金科技进步奖(1994)和科技成就奖(2005)等多种奖励, 并荣获2008年度国家最高科学技术奖。

值此徐先生百年诞辰之际, 在《中国科学》杂志社的支持下, 在各位老师、同事和编辑的鼎力襄助下, 我们得以出版《纪念徐光宪院士诞辰100周年专刊》, 缅怀先生致力科学、培育人才、奉献祖国的大师风范, 学习先生严于律己、宽以待人、扶持后学的人格魅力, 期冀先生之功、先生之德在我辈和后继者身上不断传承光大。


特邀编辑简介

严纯华, 中国科学院院士, 发展中国家科学院院士. 1982年7月在北京大学化学系获理学学士学位后, 在导师徐光宪、李标国、吴瑾光教授的指导下, 先后在北京大学获理学硕士(1985年7月)和博士学位(1988年1月). 毕业后留校工作, 先后任北京大学讲师(1988年)、副教授(1989年)、教授(1992年)、长江学者特聘教授(1999年)、北大博雅讲席教授(2016年)、兰大萃英一级教授(2019). 现任兰州大学校长, 北京大学稀土材料化学及应用国家重点实验室主任、北京大学-香港大学稀土生物无机和材料化学联合实验室主任等. 长期从事稀土分离理论、应用与稀土功能材料研究. 发展了徐光宪先生创立的“串级萃取理论”及稀土分离流程的最优化设计方法, 在高纯重稀土分离流程设计和工业应用、“联动萃取工艺”的设计和控制方法、稀土纳米晶的可控制备方法, 以及稀土纳米晶发光、催化、生物影像和生物催化技术研究等方面取得了系统创新性成果. 先后发表论文、专著章节560余篇, 曾多次获得国家和省部级重要奖励. 目前兼任《中国稀土学报》、J. Rare Earths主编等国内外重要学术服务工作。

《中国科学:化学》出版“纪念徐光宪院士诞辰100周年”专刊


参考资料

【1】SCIENTIA SINICA Chimica, Volume 50 , Issue 11 : 1469-1472(2020), https://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SSC/50/11/10.1360/SSC-2020-0185?slug=fulltext


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