《科学中国人》专访张嘉恒| 内有乾坤 为材料而作

记哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院教授张嘉恒

文章摘自：科学中国人 | 作者：刘玉杰

作为一种新型材料，离子液体与石墨烯、气凝胶等一同入选了“21世纪全球十大创新性材料”之列，它不但于近年来被广泛应用于军工、航空航天等重要领域，还在药品、食品、日化美妆和医疗保健等领域里发挥重要作用。

就在2019年年初，我国研发的离子液体微电推进器，成功完成了多次在轨点火试验、微电推搭载试验，使我国成为继美国之后，世界上第二个在立方体卫星平台开展离子液体微电推进空间验证试验的国家。

“离子液体虽不如石墨烯那样家喻户晓，但它是一个有巨大研究价值与研究前景的领域。”作为长期研究离子液体这种新材料的科研学者，哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院教授张嘉恒对离子液体抱有别样的情感。在他看来，离子液体浑身都是宝，利用这种新型材料，可以在绿色化学、航天航空推进剂系统、新离子液体合成及应用、新型离子液体微萃取方法设计等研究领域里发挥重要作用。

多年来，张嘉恒在该领域里相继取得了多项高水平的创新性成果，也让离子液体走进更多人的视线中。

探索离子液体之美

在张嘉恒多年的科研历程中，都有离子液体的陪伴，这是一类在21世纪初才在化学化工领域里兴起的新型绿色介质和环境友好的软性功能材料，通常被认为是熔点低于100℃、由有机阴阳离子构成的盐类材料。“通俗来讲，就像我们天天都会用到的食用盐，这就是一种离子化合物。”张嘉恒解释道。

在离子液体的发展初期，其作用还比较单一，主要被用作反应介质、电解质或催化剂，其在催化、有机合成、分离分析、电化学等领域取得了巨大的成功。但随着研究的逐渐深入，研究人员渐渐发现离子液体潜藏的秘密，它不仅仅可以被看作是一种反应介质或电解质，很多离子液体本身还具备功能材料的性质和用途。

新的惊喜出现后，研究人员便在这样的背景下，开始研究离子液体功能材料。到目前为止，离子液体作为功能材料，已被快速应用到光电材料、润滑材料、能源材料（太阳能储存）、核废料回收、生命科学、磁流体材料等多种领域，为这些领域的发展作出重大贡献。

张嘉恒在中国农业大学本硕博连读期间，在植物学、医学和离子液体等方面均打下了扎实的科研基础。博士期间，他的研究方向为植物活性物的高效提取及应用，他基于离子液体，开发出多种液分散微萃取技术，并将这些技术应用于食品、环境样品中农兽药的检测中，取得良好效果。期间他还参与了原农业部、国家重点基础研究发展计划（原“973”）和国家自然科学基金的多个项目。除了与上海市农业科学院展开合作，他还积极“走出去”，与德国莱布尼茨分析科学研究所和美国艾默斯实验室就多项分析化学领域的课题开展了合作研究。

为了加深研究程度，博士毕业后张嘉恒决定“走更远的路，看更大的世界”。于是，自2012年起他开始留学美国，师从Jean’ne M. Shreeve教授，分别作为项目研究员助理和博士后研究员在美国知名实验室从事研究。后来张嘉恒又于2015年入选日本学术振兴会（JSPS）研究员，随后他在世界知名离子液体和电化学专家Masayoshi Watanabe教授的指导下，于日本横滨国立大学从事研究，并做出多项重要科研突破。

“国外学习的这段经历令我印象深刻，在研究思路、学术态度上都让我有了新的认识。”张嘉恒感慨道。

勇做科研时代标兵

留学美国期间，张嘉恒参与了多个有关离子液体的重要项目的研究。其中，他在项目“高性能离子液体火箭推进剂”的研发上取得了突出成果。

含能离子液体是一类新型的离子液体材料，由于安全绿色含能材料需求量明显加大，也得以推动其快速发展，并迅速成为近年来研究的前沿与热点。

与传统的含能材料相比，离子液体具备的一系列低温离子型化合物特点，如不易挥发、液态区间宽、无毒、低毒等都使其占据很大优势。据悉，近几年已经陆续在高氯酸盐、二硝胺盐、叠氮盐及硝酰铝酸盐等中发现了早前被隐藏已久的含能盐熔点较低、具有离子液体等多种特点。但它们对空气或水不稳定、热稳定性差、机械感度高，再加上其还存在合成复杂、有腐蚀性和毒性等不足之处，都在极大程度上制约了这些离子盐的应用。因此，要想获得高性能的含能离子液体材料，需要针对低熔点、高能量、低感度、低成本等特征进行功能化设计。

为此，张嘉恒将很大精力放在“高性能离子液体火箭推进剂”项目的研发中，经过艰难攻关，他成功开发出绿色环境友好型的硼烷类含能离子液体推进剂。经验证，其性能全面超越了传统剧毒的肼类衍生物，获得众多国内外专家学者的关注，被视为该领域的突破性工作。

同时，在参与美国“新型含能材料设计”的研发时，张嘉恒开发的固态高能材料具有环境友好、爆速爆压高、密度高、感度适中等特点，性能甚至可以赶得上目前多数国家大规模使用的高能含能材料。此外，在项目“高性能氧化剂设计”中，张嘉恒还开发出一系列固态氧化剂，这些氧化剂具有高氧平衡、高密度、点火延迟低等优点，可以用于替换推进剂中大规模使用的高氯酸铵。

在美国学习期间，研究进展得很顺利，张嘉恒利用离子液体在航天航空技术等领域里取得的成绩也让他小有名声，但他并没有止步于此，而是开始想要进一步拓展研究范畴，开阔学术眼界。碰巧，当时锂电池一度成为科研学者竞相研究的“抢手货”，这让张嘉恒也颇为“心动”，抱着试试看的心态，他开始在电检验及锂电池研究上下功夫。正是这次偶然的研究想法，让张嘉恒在研究过程中发现，他所研究的离子液体同样可以应用于该研究方向，欣喜中他也对其产生了浓厚的研究兴趣。

为了延续对锂电池的研究热情，张嘉恒狠下心，舍弃了美国优厚的研究条件，也暂且终止了在含能材料领域里探索的脚步。他遵从内心想法，转战日本，开辟了一条在生命科学方面进行产业化应用的新的研究道路。

在日本横滨国立大学日本学术振兴会工作期间，张嘉恒开始涉猎电化学清洁能源，他对包括锂离子电池、钠离子电池、锂空电池及锂硫电池在内的多种清洁能源电池中电解质的开发进行了深入的研究。他在系统研究溶剂化离子液体概念的基础上，创新性地设计出多种新型的多氰基电解质。与此同时，他还设计合成了多种共轭羰基有机物电极材料，并将这些电极材料成功地应用于锂离子电池和钠离子电池体系中，具有高理论比容量、低成本、绿色环保、操作安全等优点。

“还记得前几年频频出现手机爆炸事件，那就是锂电池出现问题所造成的。”提起锂电池安全性问题，张嘉恒颇为担忧。而离子液体让他看到了希望，他表示，离子液体本身具备的蒸气压低、无可燃性、热容量大等优点，极有可能彻底解决锂离子电池的安全性问题。

事实证明，张嘉恒的想法是正确的。他用离子液体添加剂替代传统添加剂，顺利解决了传统添加剂热稳定性效果差、耐高压性能差和功能单一等缺点。使用离子液体共溶剂类电解液后，张嘉恒发现不仅电池安全性能得到了提高，还大幅度提高了电池的高温及循环性能。他还从锂离子电池的“血液”——电解液入手，成功开发出新一代的离子液体电解液，可充分满足电池在容量、寿命、安全等方面的要求。

张嘉恒所做的努力使得超级电容器、大规模储能系统的升级换代有了确切的新途径，还为推动电动汽车和新能源千亿级产业发展提供了有力支撑。

将技术成果转化落地，张嘉恒明白这是一条漫长的研究之路，但他从不曾有过一丝懈怠。2017年张嘉恒通过“国家高层次人才引进计划”被引进回国并加入哈尔滨工业大学（深圳），将科研基础研究与成果产业转化两手抓，先后主持参与了深圳市石墨烯制造业创新中心扶持计划项目“用于柔性印刷电子的石墨烯基材料与含能储能器件研发”、深圳市孔雀团队项目“柔性可穿戴电子器件中关键材料研发”、深圳市科创委学科布局项目“新型硼烷类‘自点火’离子液体推进剂的合成及性能研究”等。并于近5年内发表SCI论文150多篇，论文总影响因子之和大于500，引用次数达4100余次，h指数为38，其中3篇J. Am. Chem. Soc.一作研究文章和1篇Dalton Trans.入选了ESI高引论文。

在严谨而精细的离子液体领域里纵横多年，练就了张嘉恒如今的性格。他做事认真负责，几乎每天都要承受高强度的工作压力，在旁人看来，他似乎从不知疲倦，任何时候只要一有研究想法，他就要努力去尝试，去验证。但他认为，这些都是他乐意去做的，也是每一位科研人成功的必经之路。

一场材料竞赛

在忙着研究离子液体这一前沿课题的同时，张嘉恒还不忘带领更多人向独立创业的路上砥砺前行。

美国前总统林肯曾说过：“专利制度就是给天才之火添加利益之油。”仔细想想，其最终目的无非为了能让创新成果可以尽快地实现转移、转化，使之最大限度地造福社会。这也许是每一位科研人员的“终极梦想”，张嘉恒也早早加入了让离子液体技术“落地”的创业竞赛中。

硕士时期，张嘉恒就开始在创业路上“小试牛刀”，他聚焦大健康产业，充分利用离子液体具备的生物相融性、溶解性等出色性能，将这种新技术重点应用在生命科学应用药物、化妆品等产品的研发上，一点点通过自身与团队的共同努力为离子液体“正名”，使更多人看到了它的巨大价值，并被逐渐重视起来。

随后在经历多年海外留学与工作后，张嘉恒拓宽了研究视野，也意识到离子液体介质与功能材料还有很多值得挖掘的潜在价值。为了验证自己的想法，回国后，他把参与创建的广东萱嘉医品健康科技有限公司作为研发平台，在将离子液体新技术转化为产品的道路上不断创新，携转化成果参与多个国家级、省级创赛并获得优异成绩，其研究成果“植物源超分子溶剂及其绿色提取技术”顺利通过韶关市科学技术局科技成果登记的审核评定，完成了科技成果登记。

张嘉恒从不打无准备之仗，在产品研发前，他先是对离子液体的相互作用谱、离子键的设计方法及离子的化学、物理和生物性质等做到充分了解，进而在理论基础上开始实践，最终开发出“天然离子液体（盐）”“天然深度共融溶剂”“超临界流体萃取”等多项新技术，打破了国外多年的技术封锁，并将这些新技术用于动植物药用活性成分提取及应用、多种软性材料的生产及应用整合技术上，成功打造了离子液体技术支持的日化及美妆产品。

在张嘉恒的带领下，研发团队在植物原料的选取上格外费心，严格把好“质量关”，选择的原料均具有很高的离子液体油相萃取植物活性成分。团队还利用离子液体亲水、亲油及可调性等特点，对护肤产品的原料及配方进行了优化设计，使其在兼顾功效性、稳定性的同时，还提高了安全性。除此之外，这一系列产品选取的部分植物活性成分都具有抗菌性，可完全替代添加剂，从而减少对皮肤的刺激性。值得一提的是，使用产品后有效成分的吸收率也大大提升，功劳就源于生物碱离子液体技术。“应用这种技术后，可提高其溶解度，这样就有利于深层穿透，还能促进生物碱与有机酸的结合，从而产生协同效应。”张嘉恒解释道。

锐意进取的科研意识和一步一个脚印的研发规划，使得张嘉恒在技术成果及产品生产方面取得了一个又一个的重要成果。其中，不得不提的便是“植物源超分子溶剂及其绿色提取技术”。

和传统有机溶剂相比，植物源超分子溶剂及其绿色提取技术在天然成分提取中具有十分突出的优势。首先，植物源超分子溶剂与水的可溶性强，可解决一些天然成分溶解性差、难以吸收等问题；其次，植物源超分子溶剂原料种类丰富，可设计性强，有利于根据待提取物设计超分子溶剂，富集待提取物，提高提取率；同时，植物源超分子溶剂本身为绿色天然成分，在使用后不须分离，可直接作为大健康产品的原料使用，安全环保，免去了分离提纯的步骤，节约时间和成本。由此来看，植物源超分子溶剂及其绿色提取技术是一种十分有前景的天然成分提取技术。

凭借该技术，张嘉恒领导下的深圳市萱嘉生物科技有限公司现已成功开发出多个系列的植物源超分子溶剂并应用于植物活性成分的提取，例如提取黄芪中生物碱、提取关黄柏中生物碱、提取橄榄中多酚类物质等。相关技术已成功开发出植物源萃取精华、植物源美白精华、植物源抗炎精华等多种产品，且已达到规模化生产水平，可保持产量充足。并且，由其研发的植物源超分子溶剂及其绿色提取技术适用于多种植物有效成分的提取，并且提取后不须将植物源超分子溶剂分离，可与植物活性成分共同作为食药妆原料用于大健康产品领域。

企业应该通过自己的实力去造福社会，推动社会科技水平的进步，在张嘉恒看来，这是企业应该具备的使命与责任。因此，在他关于公司的发展规划中，向社会推出高质量的产品与钻研先进的科学技术从来都是并行齐进的。得益于他的社会责任意识，深圳市萱嘉生物科技有限公司多年来才能够取得一系列的先进技术成果，并于2020年12月11日顺利通过国家高新技术企业认定，收到由深圳市科技创新委员会、深圳市财政局、国家税务总局深圳市税务局联合颁发的《高新技术企业证书》。

不仅如此，2021年1月28日，萱嘉生物科技有限公司顺利通过了质量认证的专项审核，正式获得了ISO9001质量管理体系认证证书。在张嘉恒看来，这是对公司经营以来质量管理体系工作实施的肯定，同时，这也说明了萱嘉生物研发的产品质量得到了充分的保障，并且各项管理工作的规范化、标准化达到了国际标准水平。他说，在今后的发展中，他将会不断提高公司的管理水平，保持公司在市场竞争中的良好企业形象和信誉，为社会创造更大的价值。

更上一层楼

古语云：“流水不争先，争的是滔滔不绝。”但对于张嘉恒及其领导的萱嘉生物科技有限公司来说，既要争做行业领先，也要时刻保持不断前进的发展状态。2021年6月1日，历时两年，斥资过亿元，占地22亩、建筑面积达26500平方米的功能性化妆品及功能性食品产业园——萱嘉医品科技产业园已作为韶关市百亿重点项目之一正式竣工。该产业园位于韶关新区，占地20余亩，并配备有10万级GMP生产车间，得到了韶关政府的高度重视。不仅如此，萱嘉生物科技有限公司还获得了深圳市人才创新创业三号基金和深圳市国华投资管理股份有限公司数千万元A轮投资，以此来专注于新材料开发与具有核心自主技术的创新。

政府及外界其他相关资源的加持，以及强大的研发团队是张嘉恒保持先进研发技术、提升转化能力的关键武器。张嘉恒提到，如今，他的研发团队中已有多位高校博士后出站研究人员，其中多位在哈尔滨工业大学（深圳）材料学院从事博士后研究并经考核出站全职加入了萱嘉生物，同时，深圳市政府也向萱嘉生物发放了近百万元的配套研发经费。今后，张嘉恒将以萱嘉生物科技有限公司为平台，通过先进材料探索生命科学的奥秘，推动科技创新工作走深走实，为建设科技强国贡献一份力量。

张嘉恒教授近年来共发表SCI论文150多篇，论文被引用4100余次，H指数38，获得了广东省向上向善好青年、首届深圳五四青年奖章、深圳市优秀班主任、广东省“众创杯”博士博士后创新赛金奖、第四届“中国创翼”创业创新大赛全国三等奖、第七届“创青春”中国青年创新创业大赛全国赛金奖等荣誉和称号。