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院士团队论文被质疑,发《Science》正面“怒刚“质疑者!

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高分子科学前沿 2021-01-24 11:36

缘起

2020年7月31日,韩国软物质及生命材料基础科学研究所(IBS) Steve Granick教授团队利用脉冲场梯度核磁共振(NMR)技术探究了15个常见有机反应中的溶剂分子扩散情况,包括铜催化的电击反应和Diels-Alder反应。()

研究表明,当化学反应放出能量的速率超过一个阈值时,该反应就可以通过发送长距离波来加速反应物和周围溶剂分子的运动,从而使得反应物和附近溶剂的移动性比布朗扩散更快。这一研究成果打破了遵守多年的化学基本规律!证实了分子扩散和化学反应无关

作者指出,增强的“流动性”是由于能量释放过程中产生反应中心的瞬时平移运动,从而扰动了溶剂分子。这一发现,有助于人们了解化学反应中的基本问题,即在溶剂环境中能量是如何从反应物传递到产物,填补了以往对化学反应过程中化学反应对周围环境的影响的未知。

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质疑

2021年1月15日,来自德国马普索智能系统研究所Peer Fischer教授和澳大利亚新南威尔士大学Jonathon E. Beves教授领导的国际团队对Steve Granick教授等人的工作提出质疑。

他们认为,Steve等人观察到的明显的“增强的分子流动性”是一种已知的人工假象。他们使用扩散NMR技术来验证化学物质(包括溶剂)在化学反应过程中会经历较高的自扩散性,并将这种增强的分子扩散性归因于微观能量耗散的方式:将化学反应产生的能量转化为动能。然而,在NMR测量期间,Steve 等人忽略了非扩散以外的因素对信号强度的影响,实验过程中使用单调递增的梯度幅度会产生错误的扩散系数。

Peer和 Jonathon等人使用随机磁场梯度进行验证,发现并没有观察到分子扩散增强的现象。也就是说,Steve 等人观察到的“增强的流动性”很可能仅仅是一种假象,是由于测试过程中测量方法不当导致的

质疑一:Peer和 Jonathon等人通过仔细分析Steve 等人文中的数据发现,虽然作者在测试过程中避免了对流伪影对实验数据的影响,但未考虑到非扩散性因素对NMR信号强度的干扰。在原文中,同一分子的炔烃和亚甲基质子的1H NMR信号的扩散系数也相差近30%,分别为6.62×10 –10 m 2 s -1和8.55×10 –10 m 2 s -1。

质疑二:Peer和 Jonathon等人重复了文中所示的铜催化点击化学反应,当使用单调递增的梯度振幅测试时,观察到了原文作者描述的扩散增强现象。而当使用递减的梯度变化磁场时,却观察到相反的实验结果,即较慢的扩散现象。值得注意的是,使用动态的时间分辨扩散NMR测量并没有观察到所谓的扩散增强或减慢的现象(图1),且此时炔烃和亚甲基质子具有相同的扩散系数。

这充分说明,与扩散衰减无关(即非扩散性因素)的信号强度变化是伪像的来源,这导致测量的扩散系数出现明显变化。因此,Peer和 Jonathon等人认为原文作者的实验结论并不可靠!

图1:不同磁场条件,如单调递增、递减和随机磁场梯度下的扩散系数变化。

正面回应

同一天,原文作者(Steve等人)在《Science》正面反驳了上述质疑。他们声称,通过补充使用随机磁场梯度序列测量的实验数据,证实使用随机磁场梯度和原文中的递增梯度或递减梯度所获得的实验结果都是一致的,进一步验证了他们之前的实验设计预期。

回应一:通过使用Peer和 Jonathon等人推荐的随机梯度测量方法与原文的方法进行比较,原文作者发现无论使用随机梯度磁场、递增梯度磁场或递减梯度磁场,所得到的实验结果完全一致(图2)。

作者表示,为了保证作为数据分析基础的稳态假设的有效性,他们选择的化学反应速率足够慢,允许平均3至5分钟的信号采一个数据点而Peer和 Jonathon等人提供的模拟数据(图1)是在实验时间窗口内将可观测值改变了80%左右的效果。言外之意,Peer和 Jonathon等人质疑时提供的实验数据的有效性有待考证。

图2:作者回应的数据:使用随机,递增和递减的磁场梯度时,点击化学反应的扩散系数变化。

回应二:Peer和 Jonathon等人在质疑时提供的数据并没有说明任何有关化学反应速率的信息而原文作者设计的实验中,化学反应的时间为100分钟甚至更长的时间,是Peer和 Jonathon等人进行实验的5倍时长。因此,原文作者认为,Peer和 Jonathon等人所重复的反应条件与原文的实验条件并不相同,所得出的结果有出入也是正常的,并不能证明原文的结果有误。此外,原文作者强调,仅当反应的能量释放速率超过给定化学反应的阈值时,才能观察到增强的扩散现象。

回应三:针对Peer和 Jonathon等人所质疑的同一分子上的不同质子具有不同的扩散系数,原文作者给出的解释是:实际上,对于质子与氘核在溶剂中快速交换的情况,是业界公认的。在原文的补充材料中,作者已经在“反应中间体的扩散”中讨论了化学反应的情况,其中不同的中间体在反应周期中存在不同的时间。而且,作者使用随机磁场梯度测量方法证实了这一结论。

综上,原文作者采用质疑者提供的测量方法给出了相对更加令人信服的数据,直接有力地回应了Peer和 Jonathon等人的质疑。

思考

认真揣摩了上述的质疑与回应之后,小编也想表达自己的一些思考,抛砖引玉,与大家探讨交流:

1. 虽然目前原文作者给出了令人信服的数据,但是究竟是否还有遗漏或补充的地方仍然尚未可知,说不定还会有下一轮交锋。尽管如此,Peer和 Jonathon等人这种质疑的学术精神还是值得我辈推崇的,身为科研人,大胆猜想,小心求证,方是王道!

2. 面对质疑,我们首先要相信自己经过无数日夜打磨的研究成果。客观辩证地看待质疑,然后像原文作者那样,使用质疑者推荐的方法或观点获得令人信服的实验数据。要用有力数据来反驳质疑者!

作者简介:

Steve Granick现任韩国软物质及生命材料基础科学研究所(IBS)教授、美国科学院院士、美国艺术与科学院院士。他1982年于威斯康辛大学取得博士学位,之后先后于法国法兰西学院及美国明尼苏达大学从事博士后研究,1985年至2015年于美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校从事研究工作,2015年起于韩国软物质及生命材料基础科学研究所从事研究工作并任实验室主任。Steve Granick长期从事单分子物理化学,高分子及复杂流体和生物材料方向的研究并作出杰出贡献。迄今为止,他已在包括Science, Nature, Nat. Mat., JACS, PNAS,Phys.Rev. Lett.等杂志上发表论文300余篇。现任Langmuir, J. Phys. Chem., J. Chem. Phys.等多个期刊编委。曾获2009年APS高分子物理国家奖,2013年胶体与界面国家奖,2014年巴黎科学奖章等诸多荣誉与奖励。

来源:高分子科学前沿

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