我的最新文章被Applied Catalysis A发表了。我的每一篇都有文章背后的故事、有不同的写作风格、有我的汗水和感悟。感悟,每一次都是新的。我觉得,这些悟出来的道理,比得到的实验结果更珍贵。
[1] 行百里者半九十
科研有“非线性效应”:找到好催化剂只要一周,一周后,也许老板叫你“好写文章了”,但是你要出快餐文学、两页快报,还是不朽之作?的确,很多“快餐文学”全是花拳绣腿,它们反复强调渲染的就是效果其好无比,而缺乏insights。要把工作做完整,后续时间就几十倍几百倍地投入了。我不但说这个催化剂效果好,我也要(改变焙烧温度、负载量、反应条件)说明“What will happen under other experimental conditions?”,要做实验(XRD, Raman, 元素分析, UV-Vis, TEM)证明为什么好,还要阅读大量文献展开深入探讨“What can we learn?”,分析自己和文献结果的异同,通过讨论文献中的现象来“put our work in perspective”或者说“place our current finding in the context of previous literature”,而不是泛泛而引文献说“谁谁谁做过了什么”。
但是这样会带来错觉,好像前段时间(一周内发现了好催化剂)效率高,后段时间(做了后续表征)只是添砖加瓦,效率低。但是,“行百里者半九十”,后面收尾的工作,是最难做,也最重要的。我的感觉就象是双手端着一个围棋棋盘走路一样,不但要走路,棋子也不能有位移,这就需要很大的功力。为什么那么吃力?因为你做“一点法”,把黄金负载在一个载体上,针对这个单一催化剂进行活性测试、表征,发篇快报,那只需几星期,相对简单。但是如果有40个样品,工作量就大了很多,并且各种表征结果未必能够完全吻合。
举例:老板在我把氧化钛磷酸化后,就催我做拉曼来说磷酸根的确上去了。我发现和氧化钛相比,洗过的、磷酸化的氧化钛似乎有一个额外小峰,初步证明实验结果是“对”的。但是即使把拉曼实验赶出来了,又不代表明天就能投稿,因为写文章远没有肉眼估测那么简单,花的时间远远超过做实验的时间:我不但把几条线叠在一起画图,还查阅大量文献,试图找出峰的归属。但文献说法很多,不一致。于是反复考证,分析不同说法到底是怎么回事,文献中结论是建立在什么基础上的:他们分析的是什么样品,是负载的磷酸根,还是含有磷的玻璃、陶瓷?磷含量多少?几百度烧的?是磷酸根,是五氧化二磷,还是其它?拉曼峰对应于P=O还是P-O?对应于振动还是转动模式?我又不能把拉曼数据往那里一堆,说因为有一个新的峰出现,所以这就是磷酸根。我也不能因为文献说磷酸根在这个地方有峰,就说这说明有磷酸根:因为,文献中磷酸根在这个地方有峰的时候,在其它地方也有峰;所以,如果仅仅这个地方有峰,那不足以证明这是磷酸根。这样就花了几周时间,当然,分析文献时,实验没停。
为了继续说明“行百里者半九十”的道理,请看下部份。
[2] 诊断实验、对照实验
在表面化学大师Zaera教授组里读博士时,他对学生要求非常苛刻。文章写完后,他提出很多问题,叫学生补做一些难做的实验,如同位素示踪、氢氘交换等。有时候恰巧仪器坏了,他就叫学生必须把仪器修好、把数据补好才能投稿。从他那里,我体会到从“可以发文章”到“发好文章”有很大一段路要走。而提高工作水平的方法之一就是做诊断实验、对照实验。
比如我发现把磷酸根放在氧化钛上,再放黄金,效果不好。如果我只是报道数据,不给解释,那么工作水平就差;如果我提出解释,却没有证据,这是臆测。那么,怎么显示工作水平?提出解释,并给出证据!证据分为两类:实验证据和文献证据。我怀疑把磷酸根放在氧化钛上再放黄金,在放黄金过程中磷酸掉下来了,降低了pH值。怎么证明?一,测pH值,发现放磷酸根比不放磷酸根的pH值掉得多,放得越多掉得越多;二,用元素分析,对比载体放黄金前后的磷含量,发现放黄金后磷含量少了很多,证明在放黄金过程中磷酸根掉下来了;三,引用文献说pH值对放黄金很重要,如果pH值太低,效果不好,和我们实验吻合;四,既然我说pH值掉下来会影响催化活性,那么我人为地加碱把pH值调回去,会怎么样呢?我也做了一批实验,发现有提高。(这里需要说明的是,磷酸根掉下来这件事情,在我没有做实验之前是没有预料到的,所以,我的科研不是那种不做实验也知道结果的科研。从事这种难以预料的科研,我充满探索乐趣。有时候有豁然开朗的感觉。)
[3] “What will happen under otherwise experimental conditions?”
刚才在[2]里说到“发好文章”。其实“发好文章”和“在‘好杂志’发文章”是两回事。我喜欢这篇Applied Catalysis A,因为它体现我的研究哲学:“What will happen under otherwise experimental conditions?”荒谬的事很多:你合成一堆类似的纳米晶体,发现某结构非常奇特,你把这个数据“取出来”而把其它的数据删掉,报喜不报忧,就可以发表JACS两页快报;而如果你把所有的晶体的数据都总结归纳,报喜又报忧,你分散了读者注意力,只能投“低档次”专业杂志。这岂不是很荒谬:全面翔实的、学究气十足的文章,因为发表在“低档次”专业杂志,却被说成是“坏文章”;而删除数据、善于包装的、误导的两页快报,却被认为是“好文章”。别人看了这种两页快报很振奋,开展了拓展工作,却发现什么也拓展不出来,因为作者当时把好的拿出来报道,坏的删掉了。一句话:你到底喜欢“快餐文学”还是“严肃文学”?这种评价体系,无论在中国还是美国,都是黑白颠倒。
黑白颠倒又能怎样?美国的哲学就是这样:“Do whatever you want, and pay the price for your choice.”就是说,尊重个人选择的自由,但是也要自己为自己的选择而“买单”。我的哲学是:要研究清楚“What will happen under otherwise experimental conditions?”
感悟是:任何结论都是基于特定实验条件的,不能简单地说磷酸根好还是不好。如果实验没有做全,单单说磷酸根好,那就是误导。磷酸根好还是不好,取决于你说的“好坏”是针对活性、热稳定性、还是催化剂寿命来说的;取决于先放磷酸根再放黄金、还是先放黄金再放磷酸根;取决于放多少磷酸根,放一点点还是放很多。
实验做全后,发现在特定情况下好,能大幅提高催化剂热稳定性,这时如果我把这个数据“取出来”,狂吹一把,说磷酸根有很好的作用,也许能搞出篇Chemical Communications 三页快报来,引用因子很高的那种。以后别人重复我的实验,发现在其它条件下效果不明显,我也可以振振有词地说反正是快报嘛,本来就是报道初步结果的嘛,再说我只是对我这个特定的实验条件负责的嘛。但是如果我这么做,我能够积累好名声吗?
再比如:我发现磷酸化催化剂热稳定很好,但是后来研究了活性随着时间变化的曲线,发现明显失活。这时,我没有删除这些失活数据,而是如实汇报,避免误导读者。从哲学上讲,有个“悖论”:“All’s well that ends well”,意思是说结果好什么都好。催化剂效果好,研究者就是好;催化剂效果不好,研究者水平就差。但是我并不这么看,我认为效果不好这并不是研究者的错,应该如实在文中“揭露”,所以这些失活的数据是好数据。
[4] 无聊 versus 有趣
从表面化学回到催化领域后,读很多文章提不起兴趣。为什么这样?因为很多文章很无聊,虽然每篇文章看起来振振有词,但是一是报道不做实验也知道结果的东西(比如负载比不负载好,用中孔氧化硅载体比普通载体好),二是依样画葫芦(比如研究氧化钛合成条件对光催化的影响:这篇文章研究pH值的影响,那篇文章研究合成温度的影响,第三篇文章研究不同沉淀剂的影响,研究方法都是XRD、XPS、UV-Vis、红外,结论都是自己的催化剂比工业催化剂P25好)。再比如,很多人都在做纳米晶体合成,文章一大把,但是文章里面除了电子显微镜照片,还有什么?没有应用,没有insights。
什么东西有趣?Unexpected results 有趣。比如说传统的光催化使用锐钛矿氧化钛,很少有人使用结晶氧化锆,因为效果不好;也没有人使用无定型氧化锆,因为无定型氧化钛的效果不好,于是人们类推无定型氧化锆效果一定也不会好。如果你发现无定型氧化锆效果很好,这就是unexpected results,这才有趣,所谓“狗咬人不是新闻,人咬狗才是新闻”。
具体到我的文章,实验结果从头到尾都是出乎想象的。老板叫我研究磷酸根对负载型金催化剂的影响,想发现热稳定性提高了。传统合成Pt/SO42-/ZrO2 的方法是先合成SO42-/ZrO2,再负载白金。但是当我把传统方法移植到Au/PO43-/TiO2 体系的时候,发现效果不好,而只有先合成Au/TiO2 再上磷酸根,效果才好。为什么?因为按照传统方法先合成PO43-/TiO2 再放黄金,在放黄金的过程当中,部份磷酸根会溶脱,影响了pH值,也影响放黄金;而如果不按传统方法,既然黄金已经预先放上去了,那么后续放磷酸根也不会影响放黄金,因此效果最好。
第二个出乎想象的地方是磷酸根含量的影响。想象中,磷酸根越多越好,因为在想象中磷酸根能稳定黄金。但是在实验中发现正好相反:磷酸根越多越反动!在文献中合成Pt/SO42-/ZrO2 , SO42-/ZrO2 是不用清洗的,因为如果清洗,就把大量硫酸根洗掉了;但是在我们的Au/PO43-/TiO2 体系里,我发现把清洗是必须的,不清洗就没有活性。为什么?因为传统Pt/SO42-/ZrO2 适用于酸催化,因此硫酸根越多越好;但是Au/PO43-/TiO2 用于氧化催化,金的功能是第一位的,必须确保,而如果磷酸根太多,就钳制了活性位,喧宾夺主了。
以上讨论,涉及到具体的学术课题,下面写下我体会到的方法学、哲学:
[5] 学习新东西 versus 出文章
很多人就知道引用因子、文章篇数,其实很荒谬。好比说一个研究生做了某种表征,有的合作者合成了样品,有的合作者测了红外,有的合作者提供了HRTEM,老板出点子并写文章,那么该研究生能出五篇第一作者的文章;而同样是这个学生,如果他不要别人数据,自己从头学起,不但学会有机合成,学会各种仪器,还学会写文章,但是因为他一个人干了五个人的活,而且其它四种活他并不是最擅长,因此五年才出一篇文章,甚至一篇都没有,那么他还是好学生吗?这就是一个“悖论”。
在做这篇文章的时候,我本来也可以把自己的样品交给别人表征,这样的话我还是第一作者,出文章还快点呢,但是在老板的鼓励下学会了拉曼光谱和ICP元素分析,还温习了XRD、BET、IR。在学习中花了一些时间,影响了实验进度,但是学习的意义一在于“我会了”,简历上至少可以写上去;二在于一旦学会,以后就快了。
[6] 两手一摊:“谁又知道呢?”
刚来这里做博后,周末无法去实验室,故无法上网。后来发现社区图书馆可以上网,但无法看中文;后来发现图书馆有四台机器可以看中文;后来发现图书馆有中国人自带手提电脑,可以无线上网,因此我也来无线上网;再后来发现我家对面的咖啡馆就有无线上网。早知如此,我也不会跑那么远的路去图书馆了;如果我一来就知道这个“捷径”就好了!但是谁又知道呢?
科研中也是这样,这篇文章的点子是把黄金负载在磷酸化的氧化钛上,当时按照传统思维,先把氧化钛磷酸化,再负载黄金,发现效果提高一点点。怎么办呢?我想老板雇佣我,就死死拘泥于老板的点子,不厌其烦改变条件,合成了20个催化剂,效果提高一点点。在一个偶然的机会里,我先把黄金负载在氧化钛上,然后再磷酸化,效果提高很大。如果早知道方法B比方法A好,我也不会在方法A上花那么多时间了。但是这样的“实验捷径”,又有谁知道呢?
后来,老板又给我一些点子,这时我才知道“捷径”就是把他的点子快速试一试,如果效果不好,就如实相告,他不会杀了我,而是说不要继续做下去了,快换别的。但是这样和老板相处的“捷径”,谁又事先知道呢?
我的观点:避免走弯路,如果走了,也没关系,善于总结,从失败中学会成长。
[7] 苦干 versus 巧干
环境就是这样,无论在美国和中国都一样:你同样时间出更多文章,你就被认为是好学生,不管是两页快餐文学还是三十页严肃文学;而如果你把三篇文章合在一起写,你就被认为是傻瓜;你到“正好写文章”的程度写文章,和到“工作完美”的程度写文章,对于老板来说都是一篇文章。如果我前面六个月投一篇文章,后面六个月投一篇文章,老板就会很慢意,认为数据源源不断出来;如果我前面六个月做了实验、写了文章,但什么也不投,老板就会经常催,虽然我第十二个月一下子投出两篇,总量不变。在环境里既要活下去,又要保持自己的风格和准则,靠什么呀?只有自己利用额外时间苦干加巧干了!
怎么苦干?一开始的时候为了一天测两个样品,我早上六点到实验室,晚上九、十点才离开。这里面也有“奥妙”在里面:我选取的催化剂活化条件是活化两个半小时,这样的话一天做两个样品,时间很紧、折磨自己;而如果活化半小时,一天就可节约至少四小时。但我并没有这么做,是因为既然第一个催化剂活化了两个半小时,以后所有催化剂都要同样的条件。
其实做实验是不能靠“蛮干”的,应该“谋定而后动”,所以后来我“巧干”:这个星期我要做大量催化剂表征,精力集中不到反应测试中去,我就开展“长寿命测试”,让反应器工作120小时,进样器一天24小时全自动进样。这样,我不但拿到了表征数据,还得到了长寿命数据。“巧干”的原理之一就是“大的”加“小的”,1 + 9 = 2 + 8 = 3 + 7 = 4 + 6,意思是说在安排每天工作的时候,重活搭配轻活,而不要今天很忙,明天没有事情做。
另外,一开始周末无法进入实验室,这样话我就损失两天半时间。后来发现为了把这两天半时间救出来,就在周末到来之前开始把催化剂装上去做“长寿命实验”,甚至连我到外地去探亲一个星期我也做“长寿命实验”,这样,人一回来,数据也有了,休假也利用了。
结束语:要出篇文章不难,但要出好文章很难。好文章不代表引用引子几点几,而是要站得住脚,有长久的价值。要糊弄老板不难,只要把数据交给他交差就行了,但是第一作者自己得把关。文章不在于几篇,而在于在科研中学会了什么科研方法、实验工具,体会到了成长的喜悦和烦恼。从一篇文章背后的故事中,能够悟出很多道理。
附注:有兴趣的读者可以浏览一下我在这里做博士后出的另外的文章,看看是不是工作量很大、写得很透彻、花了功夫的文章:
Au/MxOy/TiO2 Catalysts for CO Oxidation: Promotional Effect of Main-Group, Transition, and Rare-Earth Metal Oxide Additives
Z. Ma, S.H. Overbury, S. Dai*, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical (2007) in press.
http://dx.doi.org/10.1016/j.molcata.2007.04.007
Low-Temperature CO Oxidation on Au/Fumed SiO2-based Catalysts Prepeared from Au(en)2Cl3 Precursor
H.G. Zhu, Z. Ma, J.C. Clark, Z.W. Pan, S.H. Overbury, S. Dai*, Applied Catalysis A: General (2007) in press.
http://dx.doi.org/10.1016/j.apcata.2007.04.004