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在化学研究领域砥砺奋进

——访桂林理工大学材料科学与工程学院研究员匡小军

文/本刊记者  李国君  邓  卉  通讯员  方  亮

　　1869年的俄国，科学家门捷列夫提出了一张神奇的表——“元素周期表”，这张表把一些看似互不相关的元素统一起来，组成一个完整的自然体系，揭示了物质世界的秘密，它的发明，使人类重要的基础学科——化学进一步走近世人的视野。这里也有一位从江西走出来的农家子弟“痴迷”在化学研究的世界里，辛勤探索，奋力跋涉在科研报国的大道上。

　　农家子弟勇闯百年名校
　　地处井冈山东麓的江西省泰和县，自东汉末年以“地产嘉禾，和气所生”而得名，是庐陵文化的发祥地之一，历来文风鼎盛。1978年，匡小军出生在泰和县的一个普通农村家庭，13岁时母亲去世，家庭经济条件艰苦，但匡小军在百般艰难中始终坚持向学，1995年考入南昌大学化学系，高考成绩为当年南昌大学新生的第二名，获得江西省人民政府新生专项奖学金。
　　“化学是基础学科之一，属于冷门专业，需要静心修炼，我不怕吃苦。”匡小军以优异的高考化学成绩选择就读南昌大学化学系，1999年本科毕业后，他一举考入北京大学化学与分子工程学院硕博连读。
　　从南昌到北京，北京大学浓厚的历史文化和求实探索的科研精神深深感染着匡小军，欣喜之余，他发现身边有很多同学本科就是在北京大学读的，学术功底扎实，匡小军绷紧心弦，以百倍的精力投注到学业中。导师荆西平教授精心引导他朝着硕博连读的方向努力，后来拜读在我国著名固体化学家林建华教授门下，从此开始深入和系统地开展固体化学研究。
　　由于出身贫寒，没有条件深入学习英语，匡小军的口语成为弱项。导师对学生的英语水平要求高，在一次组会上，所有研究生需要用英语汇报工作，匡小军硬着头皮开口，林建华教授耐心指出他的发音缺陷，一点一滴校正读音，并教导匡小军加强英文练习，逐步提高英语写作和口语能力。匡小军回忆两位恩师的教导时满怀感激：“林老师和荆老师对寒门学子的关心爱护，一次次激励我闯过一道道学术关口，也让我明白传道授业解惑的应有之义。”
　　1999年9月至2004年6月期间，好学不倦的匡小军参与了导师荆西平教授的国家自然科学基金项目“微波介电陶瓷材料介电损耗机理及其改善的研究”，研究工作内容为：钛酸盐基微波介质陶瓷介电损耗机理以及粉末衍射法晶体结构解析；对MgTiO3介质材料中缺陷对介电损耗影响机理做了系统研究，利用X-射线和中子粉末衍射解析六方钙钛矿结构。在导师的悉心指导下，匡小军利用粉末衍射数据将一个新的12层六方钙钛矿结构解析出来了，以第一作者身份将该研究结果发表在世界材料化学专业领域顶级期刊——Chemistry of Materials上。这是一项有分量的科研成果，正是这篇论文使他于2004年顺利获得无机化学专业博士学位，同时让他得到英国利物浦大学Matthew J. Rosseinsky教授提供的博士后职位。

　　留英6年找出氧离子导体设计的四面体结构化学新途径
　　2004年8月，匡小军转到英国进入利物浦大学化学系做了4年的博士后工作，2008年到英国杜伦大学化学系做了2年的博士后工作。
　　英国是世界上固体化学研究做得最好的国家之一，而利物浦大学化学学科在英国大学化学专业排名第一。在英国的六年，匡小军潜心投入科研工作，合作导师Matthew J. Rosseinsky教授是英国皇家学会院士，也是英国新一代中最具有实力的材料化学家，对科研工作质量有着很高要求。
　　北京大学五年的学习让匡小军打下了良好的固体材料研究基础，而在利物浦大学的四年，则全方位培养了匡小军独立开展固体材料研究的能力。匡小军对六方钙钛矿氧化物介质材料开展研究，并在Chemistry of Materials和Journal of Materials Chemistry 上陆续发表论文，但Rosseinsky教授告诉他：“我们需要做一些更有创新性的工作，发表更有影响力的论文。”
　　从2006年开始，匡小军逐渐将研究内容从原来的介质材料转移到固态离子导体。早在北京大学读研究生的时候，匡小军开展了很多相关系和相图的研究工作，养成良好的学术素养，后来寻找新材料的过程中他喜欢去关注相图，利用相图来理解化学家的制备过程中出现的物相，从相图中去寻找是否有一些物质还未被发现或者其结构未曾解析出来。这个习惯让匡小军在阅读相图文献的时候看到了德国马普所在镓酸盐黄长石材料氧离子导体的研究工作，并敏锐地感觉到他们对材料结构以及氧空位导电机制的研究结果存在问题。于是匡小军和Rosseinsky教授讨论并提出要重复他们的工作并开展精修的结构分析和氧离子导电机理研究工作，这得到了Rosseinsky教授的肯定。
　　功夫不负有心人。匡小军克服了材料制备不纯的困难，开展了更为细致的氧离子导电表征，做了高温变温中子衍射，研究结果印证了他之前的观点，黄长石镓酸盐材料是一个间隙氧缺陷导电材料。当时，匡小军从中子衍射数据中获得了间隙氧的位置，找到黄长石材料的间隙氧导电确切证据。之后匡小军沿着缺陷结构的思路，提出了分离本体和缺陷结构的结构精修创新策略，利用中子粉末衍射数据在原子级尺寸上阐述了间隙氧离子缺陷在黄长石结构中稳定与迁移机理，该工作开辟了氧离子导体设计与合成的四面体结构化学新途径。经过5个多月的投稿和修改，相关论文在材料领域顶级刊物英国自然子刊Nature Materials期刊发表。近年来，匡小军进一步深入研究黄长石结构的间隙氧缺陷导电的局域化机制和离子尺寸效应，发展了黄长石结构的间隙氧缺陷导电机制。最近，他基于缺陷工程的创新思路对黄长石材料开展了缺陷控制和物理性能调控研究，目前获得的初步研究进展表明他一直坚持的固体材料构效关系研究领域将会具有更广阔的天地。
　　众所周知，固体材料中的缺陷普遍存在，对材料物理性能具有重要的影响。通常固体材料中缺陷含量低，要清晰地表征缺陷结构并弄清楚其对材料物理性质作用关系一直以来是固体材料研究的核心和难点，在现有条件下人们依旧需要花费很大的精力借助于多种先进的手段来研究缺陷结构并探索材料的构效关系。而这些基础问题关联着新材料企业在材料制备工艺和如何调控材料性质等问题，因此，匡小军的研究有可能为国内电子陶瓷类的产业带来具有商业价值的新材料的机会，为广西有色金属资源的高效利用提供智力支持，为企业改善材料制备工艺和调控性能参数提供理论指导。
　　2008年，匡小军离开利物浦大学前往位于英格兰东北部的杜伦大学开始第二个博士后研究工作。杜伦大学是英国继牛津大学和剑桥大学之后第三个实行学院制的名牌老校，合作导师Ivana R. Evans博士与John S. O. Evans教授的课题组更擅长复杂结构研究，这使匡小军有机会学到更多的结构分析方法和技术。短短两年时间，匡小军取得了一批研究成果，最好的一项成果发表在化学领域顶级刊物——《德国应用化学》（Angewandte Chemie）上。

　　所有的才学都应该用来报效祖国
　　自2004年去英国留学，三年之后匡小军第一次回国探亲。匡小军发现家乡发生了很大变化，原来的小路已是崭新大道，国内的经济快速发展。祖国日新月异的变化，让匡小军深思：从本科到研究生经历9年学习，读完博士出国6年，这15年国内经济不断发展，而自己一直是一个旁观者，再不回去，可能这辈子就会错过为国家贡献力量的黄金时期了。
　　“所有的才学都应该用来报效祖国，这是一个学者的本分。”匡小军心底深处的想法得到了妻子和家人的大力支持。
　　化学是中山大学传统优势学科，聚集众多优秀人才。2010年7月至2013年3月，匡小军作为中山大学海外引进人才，在中山大学化学与化学工程学院任副教授和硕士生导师。
　　2012年，因为科研实验的需要，匡小军联系了桂林理工大学做材料测试实验，开始了与桂林理工大学的第一次接触。近年来，桂林理工大学广招贤才推动学科发展，加大引才力度，真心诚意向各路人才抛出橄榄枝。在协作实验的过程中，桂林理工大学科技处发现了匡小军正是他们苦苦寻觅的紧缺学科带头人。为了引进匡小军，桂林理工大学在其做材料测试实验工作阶段，不仅在实验室建设上给予大力支持，还优先为匡小军解决住房、配偶工作和两个孩子入学问题，这些西部欠发达地区渴求人才的实实在在引才举措深深感动了匡小军。2013年年初，匡小军正式入职桂林理工大学。匡小军一如既往秉承优良的工作作风，近几年来，他先后入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”、广西高校引进海外高层次人才“百人计划”、广西“新世纪十百千人才工程”第二层次人选，先后获广西自然科学基金杰出青年科学基金、国家自然科学基金优秀青年科学基金的资助。
　　“桂林理工大学为我提供了实现自我价值的平台，也让我有安居乐业的环境。”如今，匡小军继续深入开展固体化学方向的基础研究，希望在获得国家自然科学基金优秀青年科学基金项目的基础上，能在西部欠发达地区形成一个固体材料化学领域内的在国内及国际上具有影响力的研究团队，支撑西部有色金属资源的开发利用及新材料产业的发展，在固体化学界举起“广西牌”。2013年入校以来，匡小军邀请了包括多名化学与材料学科的院士在内的众多国内和国际著名学者来校交流、讲学。2015年桂林理工大学发起第一届无机材料与固体化学前沿研讨会，得到众多专家和学者的支持，扩大了桂林理工大学在材料和化学学科领域的影响力。
　　在桂林理工大学的讲坛上，匡小军坚持为本科生教学传道授业，坚持以“专业合格与人格健全”的人才培养理念去培养学生，尊重、关爱、指导和帮助学生，注重培养学生的独立思考和解决问题的能力。匡小军充分发挥自身在固体材料研究上的优势和基础，主要承担了材料测试方法相关的课程教学，担任《材料现代测试方法》院级公共课程的责任教授，还开设《粉末X-射线衍射》应用研究型课程，将无机固体材料领域最新的科研成果，尤其是与自己科研工作密切相关的无机光电磁功能材料的前沿研究进展与课程结合，让学生了解最新前沿进展，同时启发学生利用所学到的基础理论知识来理解最新的科研成果。
　　在研究生培养工作上，匡小军坚持以学生在校期间能得到系统的科学研究训练的教育理念，经常与学生讨论问题，引导学生去思考和理解所开展的科研工作的背景和目的，从逻辑思维、动手能力、口头表达与书面写作能力等多方位来培养和锻炼研究生，帮助他们自觉成长为科研工作的先行者，而非仅是导师科研工作的助手。四年来，匡小军已完整培养8名硕士生，其中3名硕士生以第一作者身份在Chemistry of Materials和Journal of Materials Chemistry A上发表学术论文，3名硕士生获得校级优秀硕士论文，正在指导1名博士生和10名硕士生。课题组所培养的研究生在固体材料的物相分析，粉末X-射线衍射结构分析、导电性质表征上具备一定理论知识和经验，为中山大学、武汉理工大学等国内名校在固体化学研究方向上输送了多名优秀的博士候选人。