《南海院士风采录》系列—范海福(中国科学院院士、晶体学家)

来源:《南海院士风采录》 访问量:- 发布日期:2020-09-15 17:28:37

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  范海福院士1933 年8 月15 日出生于广州,祖籍广东省南海县狮山乡坑田村(今佛山市南海区狮山镇狮北坑田村)。1956 年毕业于北京大学化学系,1991 年当选为中国科学院学部委员(院士),中科院物理研究所研究员,晶体学家,主要从事晶体结构分析方法的理论和应用研究。主持建立多维空间中的直接法,提出了将直接法同重原子法、异常数散射以及同晶型置换法相结合的原理。


  2012年12月24日下午3点,气温-15℃,北京中关村中国科学院物理研究所。朱红色的大楼耸立在皑皑白雪中,格外醒目。在范海福院士简洁的办公室里,年近八旬的科学家面容略显疲乏。秘书说,院士因做过脊椎手术,身体还在康复中。院士微微一笑,说自己的疾患与张海迪相同——脊髓血管瘤,只是程度比她轻。虽然院士身体状况欠佳,但驰骋的思想、敏捷的思维和风趣的谈吐,依然展现着一个科学家的纯真情怀与睿智卓识,院士非凡的人生画卷亦随之展开。


◆ 颠沛流离的童年生活

  范海福的父亲原名范霭祥,上世纪20年代,从广东省南海县狮山乡坑田村到广州读书,改名为范曜华,后来就在广州当了一名中学教员。母亲李励精是惠州人,十几岁时,因为反抗包办婚姻,只身从农村来到广州,半工半读地完成了中学学业并考上大学。1933年8月15日,范海福在广州市永汉南路(今广州市北京南路) 仰忠街一栋民宅里出生,与他们一起生活的还有外婆、姨妈及表妹,一家人过着平静安稳的日子。然而这种安宁的生活只过了几年,就在日军侵略的战火中结束了。1938年,日军入侵广州,在广州上空频繁空袭,大批广州市民纷纷逃离他乡,范曜华带着全家人逃到香港,四岁的范海福跟随父母开始了逃难的生活。到香港后,范海福的父亲办了一所文德学校,是一个以商养学的私立学校,范海福就在这里接受了启蒙教育。在香港的四年里,年少的范海福一次次目睹洋人欺凌华人的场景,自己也经历了一生都难以忘却的屈辱。有一次,母亲带他到跑马地的草坪去玩,却被警察驱赶出来。母亲试图和警察论理:“英国人可以牵着狗进去玩,为什么我带着儿子却不能进去?”母亲的争辩当然是徒劳的,被驱赶出来的母子俩站在草坪外,眼巴巴地看着洋人牵着狗在草坪上嬉戏。年少的范海福不明白这是为什么,自尊心却受到了深深的伤害。1942年初,日军侵占香港,范海福的父亲又带着全家逃到澳门。在澳门,他们同样过着屈辱的生活。艰难的家国命运和低下的民族地位,不断刺激着少年范海福的神经,使他萌生强烈的自尊自强意识,同时也塑造了他蔑视强权、维护尊严的精神品性。这一点对他的人生及学术生涯都产生着极大的影响,以至于他在后来出国进行学术交流时,只要遇上态度傲慢、不尊重中国人的外国人,就会毫不客气地反击对方,这是童年的境遇带给他的一种本能反应。

  迁到澳门后,范海福的父亲没再办学,经商养家。不久,父亲在海上运输中遭突袭遇难,当时的范海福年仅9岁。父亲离世后,母亲撑起这个上有老下有小的家,全家靠着母亲微薄的收入在澳门生活了4年,抗战胜利以后他们才回到广州。


◆ 才艺出众的顽皮学生

  说到学业,院士风趣地说自己小时候十分顽皮,不是一个学业拔尖的学生,只是一个普通的中等生,从小学到初中,只对美术、音乐和语文感兴趣,除了美术在班上能进到前三名,其他的课目成绩一般,有的科目如数学甚至还有不及格的时候。

  谈起美术和音乐,院士十分兴奋,说自己从小就喜欢画画,差点就当了岭南画派创始人之一的高剑父的弟子。那是在澳门时候的事。当时,客居澳门的高剑父想招收弟子,便到范海福就读的粤华中学找苗子,校长当即就向他推荐了范海福。高剑父看过范海福的画作后很是欣喜,有意收这个有绘画天分的学生为弟子。当时抗战已经胜利,母亲考虑再三之后还是决定迁回广州,范海福与高剑父的师徒缘也因此失之交臂。1946年初夏,范海福跟随母亲回到广州后,考上一家私立中学,由于学费比较高,而家里的经济条件不是很好,打算再考公立学校。正当他准备考中山大学附中的时候,得知高剑父也回到广州,并开办了美术学校。母亲闻讯就带他去找高剑父,高剑父表示只要孩子愿意就可以来上学。母亲说孩子正准备考中大附中,如果考不上就来这里学画画。结果范海福考上了中大附中,还是没有成为高剑父的弟子。

  在中大附中,范海福的美术科成绩尤为拔尖,总是班上前三名,而且还迷上了音乐。他先是跟着收音机唱歌,后跟一个要好的同学学口琴和小提琴。没想到学了一段时间之后,琴艺居然超过了该同学。一直到高中毕业,音乐科成绩也常常是排在班上前几名。那位同学考上中央音乐学院声乐系,后来成为一名男高音歌唱家。院士笑言:这我就没法跟他比了,他的音乐素养和自身条件都比我好。院士说自己虽然比不上那位同学,但却深受该同学的影响,使他上大学后能够顺利地考进北京市大学生合唱团。

  中学时期的范海福才艺出众,也是个顽皮捣蛋的学生,有时甚至还会无礼顶撞老师。有意思的是,院士后来招的一个研究生,总爱给导师出难题,想把导师问倒。院士就对他说:“我年轻的时候跟你一样的毛病。其实,人不管有多高的学问,总有不懂的东西。学生要问倒老师其实不难。尽管你现在还没有把我问倒,但如果你坚持下去,总会如愿的。不要把心思花在这上面。”院士是借机将师生之间的较劲状态引导到另外一个方向,建立良性互动的关系,以减少不必要的精力损耗。


◆ 教子有方的母亲

  父亲离世后,母亲担起了养育范海福的责任。院士说,自己走上科研的道路,有母亲的引导,也有偶然机缘。母亲是一个注重启发式教育的老师,在范海福的成长过程中,母亲总是能根据他的特点加以引导,正是母亲的循循善诱造就了他。在澳门时,为了培养喜欢画画的儿子,母亲请街上卖画的艺人到家里来教他素描,又买来有不少名画作插图的英国小学教材让他临摹,从中学习西洋画绘画技法,这些使他的绘画大为长进,得到高剑父赏识的画作,正是他临摹的那些西洋画。

  上中学后,范海福还是只对美术音乐和语文感兴趣,对数理化兴趣不大。初二时,为了引导他学习化学,母亲给他买了一本顾钧正编的《少年化学实验手册》。让母亲意想不到的是,这本书从此改变了范海福的兴趣。书中的化学实验一下子就吸引住了范海福,他发现书里的实验很好玩,原本就好动淘气的他,按照手册里的步骤,在家里搞起了“实验室”,由于条件所限,不可能完全按照手册的要求来做实验,需要找替代品和采取一些变通的办法,这就迫使他必须要更透彻地弄清实验的原理。为此,他不停地跑图书馆,查阅各种化学实验书,反复琢磨,反复试验。当他用变通的方法实验成功后,兴趣就更大了,化学科成绩很快就升了上来。随后他又和几个同学在家里搞起无线电实验,对物理的兴趣也慢慢浓厚起来。与同学一起搞的“家庭实验室”一直持续到高中毕业。上高中后,学校图书馆的《科学画报》和《电世界》杂志等成为他最爱看的课外读物,不仅于此,他甚至还读了曾昭抡的《原子与原子能》、爱因斯坦与英费尔德合作的《物理学的进化》等科普著作,这些科普著作为他打开了科学之门,将他引向奥妙无穷的科学世界。


◆ 从北大走向科学的道路

  1952年,范海福考上北京大学化学系,在这里,中国晶体学奠基人之一的唐有祺教授带他走进晶体学世界。大学里还有一位令范海福难忘的老师周光召,是当时在化学系授课的最年轻的老师,他不仅教授知识,还注重训练学生的思维方法,他说:两个类似的概念,不仅要注意它们的相同之处,更重要的是要搞清它们的差异。这句话言简意赅,范海福一直牢记在心里,贯彻于科研实践之中。

  在北大读书的几年里,范海福的表现有点“另类”,常会做一些不守“规矩”的实验。有两个化学实验范海福自己觉得很得意,但却遭到老师批评:一个是要证实碳酸钙能溶于二氧化碳的水溶液使溶液呈碱性。按照当时从苏联搬来的一本实验教程,要将碳酸钙放入盛蒸馏水的烧杯中然后通入二氧化碳直至溶液呈碱性,一些同学做了几十分钟还没有结果。他装了半试管澄清的石灰水溶液然后通入二氧化碳,一两秒钟后就出现白色沉淀,这就是碳酸钙,继续通入二氧化碳,白色沉淀消失,这就说明了碳酸钙能溶于二氧化碳水溶液。整个实验只用了大约一分钟。另一个实验是要证实碳酸钙加热后可以变成能溶于水的氧化钙,使水溶液呈碱性。教程要求把碳酸钙放入坩埚再用煤气灯烧半小时。他用一把镊子夹了一小块碳酸钙直接放在火焰中,只烧了几秒钟实验就完成了。两个实验从准备到结束总共不到10分钟。做完后他就溜出实验室玩去了。事后老师批评他:一不重视苏联“老大哥”的经验;二不遵守课堂纪律。范海福只接受了第二点批评。另有一个用桥式电路测量电压的物理实验,范海福“擅自”改动了电路的一小部分。结果简化了实验过程,但仍然可以达到所要求的实验目的。这回他受到老师的表扬。

  1956年,范海福大学毕业,当时北大化学系计划留11 位品学兼优的毕业生读研究生,范海福也在其中。正当他期待着继续深造的时候,一件偶然的事让他的人生道路发生了改变。就在范海福毕业的那一年,国家成立了研制原子弹的“三机部” (第三机械工业部,1958 年改为二机部),需要抽调一批大学毕业生,刚分配到科学院物理研究所的一个北大毕业生被抽调了,物理所需要从北大再补充一个毕业生,范海福就这样被“填补”进了中科院物理研究所。虽然没有能够读研究生让他很是懊丧,但他很快从懊丧的情绪中走出来,投入到物理学研究的世界里,从此,晶体学研究领域多了一颗闪亮的新星。


◆ 直接法新应用领域的开拓者

  到物理研究所以后,面对物理学广袤的世界,范海福对晶体结构分析方法有着浓厚的兴趣,将它作为研究的方向。晶体结构分析是研究物质微观结构的重要手段,它可以精确而全面地提供原子在晶态物质中的布置情况。为此,许多重要的学科,如分子生物学、结构化学、凝聚态物理学、矿物学、药物学等,都需要晶体结构的资料作为实验基础和理论探讨的依据。早在1963 年,范海福提出将直接法与原有的其他衍射分析方法相结合,以提高直接法的效能,拓展直接法的应用领域。其撰写的论文(正式发表于1965年)率先进入了当时晶体结构分析方法研究的一个新领域。1987年,他主持建立了多维空间中的直接法并用于测定高温超导材料的非公度调制结构,属于国际首创。他于1989年就成功地测定了一种新矿物的非公度调制结构,并于1991年成功测定出掺铅的Bi系2223高温超导相的非公度调制结构,引起国际高温超导界的普遍关注。在将直接法用于测定蛋白质晶体结构方面,范海福是国际上最早的倡导者之一。上世纪80年代至本世纪初,这方面的研究是国际晶体学直接法研究的一个重点。范海福的研究组用直接法首次从2分辨率的单波长异常衍射数据解出一例原属未知的蛋白质晶体结构。其后,他们陆续发展了一系列新方法,并在实际应用中不断有新的突破。我国的相关研究也因此在国际上占有重要的地位。


◆ 获奖不是科研的终点站

  上世纪60—80 年代,国际晶体学界的直接法研究迅速发展,使测定小分子晶体结构的周期从几个月缩短为几天,使能够测定的晶体结构从二三十个独立原子提高到一百多个独立原子,为小分子的药物设计提供了必不可少的实验基础,并有力地推动了凝聚态物理、结构化学、材料科学等的发展。为此,直接法研究的两位先驱J.Karle 和H.Hauptman 于1985 年获得诺贝尔化学奖。当时不少人在问:诺贝尔奖之后的直接法研究,还能做什么?更多的人认为,直接法已经取得如此重要的成就,它的发展也已到了尽头,想给“直接法研究”画上句号。但是,范海福却认为获奖并不是科研的终点站,固然直接法在理论上和应用上都已有了相当完整的体系,但其应用领域至今仍局限于一个比较狭窄的范围——小分子单晶体的 X 射线衍射分析。因此,使直接法走出传统领域到更广阔的天地中去寻找新的机会,迎接新的挑战,这应该是直接法今后的一个至关重要的发展方向。

  1987 年在澳大利亚的珀斯(Perth) 召开了第14 届国际晶体学大会。其中举办了一个庆祝J.Karle 和H.Hauptman 获得诺贝尔奖的专题报告会。范海福是5 位报告人之一。他的报告阐明诺贝尔奖之后的直接法应该走出传统领域去开拓新的应用,并指出了四条拓展路径: (1) 从单晶体试样到粉晶试样; (2) 从小分子到生物大分子;(3)从完整晶体到不完整晶体; (4) 从X- 射线晶体学到高分辨电子显微学。90 年代初以来范海福和他的同事们在其中的三个方面取得了重要的成果。1996 年第十七届国际晶体学大会的一个分会主席S.Fortier 在她的总结报告中引用了范海福提出的拓展路径。

  1988 年,美国科学院派了一个生物技术代表团访问中国,1989 年,其出访报告写成Biotechnology in China 一书并出版。该书对范海福等在上世纪80 年代中期的部分工作这样评论:“在北京的(中科院) 物理研究所……已经使用概率相位推定方法测定越来越大的生物分子的晶体结构。他们是最早发展并使用随机起始、从头相位推定技术的一员。这一方法的优点在于无需对重原子衍生物在不同波长下作重复的测量……这对蛋白质工程将有广泛而重要的潜在意义。”

  在晶体结构分析研究中,范海福率先将直接法开拓到新的应用领域,科研成果独具特色。自1980 年起,他先后约五十次分别应邀赴二十个国家和地区,在多个国际学术会议及科研单位作报告,受到国际同行的高度重视与赞誉。范海福也因此获得国家级有突出贡献的中青年科学家称号、国家自然科学二等奖、叶企孙物理奖、第三世界科学院物理学奖、何梁何利基金科技进步奖以及陈嘉庚数理科学奖。

  获奖并不是科研的终点站。如今,年届八旬的他仍然在科研的道路上探索、攀登,用行动和科研成果诠释着这一崇高的思想观念。


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