采写：赵维杰（NSR编辑部）
翻译：马亚伟
2026年5月，《国家科学评论》（National Science Review, NSR）赴南开大学，采访了在2025年离开东京大学、全职加盟南开大学有机新物质创造前沿科学中心的著名化学家中村荣一（Eiichi Nakamura）。
中村教授是享誉世界的有机化学家和分子影像化学家。他用高分辨率透射电子显微镜看到真实的化学反应过程，为有机化学研究推开了“眼见为实”的“单分子”大门。他提出的“元素战略”获日本等多国政府支持，致力于让催化工业更加绿色、清洁、可持续。
2024年，中村荣一教授获授瑞宝中绶章。图片由中村教授提供。
在随后近两个小时的采访中，这位75岁的科学家给我们留下了极深的印象——浪漫而严谨，克制而幽默。
在东京大学任职30年后，加盟南开的中村教授正计划开启全新的研究课题。在这篇访谈中，你不仅能读到他在化学研究领域的经历、成就与展望，更可以从他丰富的人生故事里读出“顺势而为”与“专注当下”的智慧。
“眼见为实”：让化学反应被看见
NSR：您是如何走上化学研究道路的？您最初关注哪些问题，又是怎样开始将电子显微镜用于研究的？
中村荣一：说来话长。人生常常很有戏剧性，所以我总说，许多事情都“出乎意料”。上大学时，我考虑过建筑学和化学，因为我一直喜欢动手制作东西。小学时，我用木头制作过1∶1000的日本海军战舰模型；到了高中和大学，我又迷上了铁路，用黄铜制作1∶80的列车和蒸汽机车模型。21岁时，我甚至发表过一篇关于以色列铁路史的学术论文。
中村教授高中时亲手制作的1∶80黄铜铁路模型，置于iPhone 5上。图片由中村教授提供。
我高中成绩不错，本以为进东京大学十拿九稳。不料1969年正值日本“全共斗”运动，学生占据了校园，东京大学取消了入学考试。我只好转考东京工业大学，并就此入学。
当时四十出头的向山光昭教授是东京工业大学最出色的化学教授，从事有机合成研究。我选他做导师，理由很简单：合成，就是“造分子”，这与我的兴趣十分契合。
向山教授以有机合成闻名，但他的本行其实是物理有机化学，对反应机理很感兴趣。受他的影响，我也开始关注机理。可在当时，反应机理是不可见的：看不到真正的分子，就只能推测反应是如何发生的。很长一段时间里，我和所有化学家一样，都希望能亲眼看到分子。
1989年，我38岁时，想请著名量子理论化学家诸熊奎治教授帮我的课题做些模拟。他反倒建议：“你为什么不自己试试呢？”于是39岁那年，我开始用“大型机”（mainframe computer）做计算化学。那些机器体积庞大，运算速度却还不如今天的iPhone。
渐渐地，我不再满足于模拟。作为实验化学家，我不喜欢虚拟的东西，而是想看到真实的分子和真实发生的反应。
在1998年，又一件出乎意料的事发生了。我偶然有机会与饭岛澄男教授在一家酒店同住了两晚。饭岛教授是碳纳米管的发现者，也是世界知名的电子显微学家。我对他说：“我有一个梦想，想用电子显微镜看到分子。”他说：“这不可能。有机分子在电子束下会分解。”
但我们还是开始了合作。在三年的合作中，我逐渐确信，他的判断并不成立：有机分子没有那么容易分解。强电子束确实会烧毁样品，但显微观测所用的弱电子束，并不会那么轻易地使有机分子分解。2007年，我们在Science发表论文，证明我们能够看见单个有机分子的运动［Koshino M et al. Science 2007; 316: 853］。
故事就是这样。简单来说，我首先从有机合成出发，学习如何制备化合物；然后受向山教授的影响，开始关注反应机理；随后转向理论模拟；最后才转向电子显微镜，相信我们能够亲眼看到分子。从最初的起点算起，这条路走了20年，是一步一步走过来的。如果没有与饭岛教授同住一间房的经历，我大概永远不会走上电子显微镜研究这条道路。
NSR：用透射电子显微镜观察有机分子，技术上难吗？
中村荣一：非常难。单分子成像需要特殊的技巧和敏锐的感知力。直到今天，全世界能做这件事的人也屈指可数。
单个分子在溶液中运动极快，我们需要通过化学方法将它们固定到载体上，让它们受到适度约束，又保留一定的活动空间，才能在显微镜的真空环境中观察其运动。我们的成功，依赖于将有机分子从溶液中转移并连接到载体上的化学技术。这本质上属于单分子合成化学。
NSR：您的团队在这一领域作出了哪些主要贡献？
中村荣一：第一项重要成果，就是我刚才提到的2007年那篇Science论文，题为“Imaging of Single Organic Molecules in Motion”（单个有机分子的运动成像）。文章发表后，在近十年内几乎无人引用，因为它违背了当时电子显微学界的共识：有机分子在电子束下必然分解。
第二项重要成果发表于2017年的《美国化学会志》（JACS），题为“Direct Microscopic Analysis of Individual C60 Dimerization Events: Kinetics and Mechanisms”（单个C₆₀二聚反应的直接显微分析：动力学与机理）［Okada S et al. JACS 2017; 139: 18281–7］。我们在200秒内，看到20个分子一个接一个地发生反应，但它们的“寿命”差别极大：最短的像是半岁就夭折的婴儿，最长的像是寿登百岁的老人，整体呈高斯分布。我们精确测量了这一过程，得到了反应速率的分布，这也就成了我们走向“统计力学化学”的起点。
这是人类首次在单分子层面以定量方式研究化学反应。我常对人说，我们做的事就像是“分子民意调查”：首先去“采访”和了解每一个分子，然后再重建整个群体的行为。化学家长期以来太习惯于“从初态到终态”的化学研究，关注整体行为，却忽略了单个分子。但我们应当尊重每一个分子、每一条反应路径，就像尊重每个人的选择一样。
第三个突破是在两年前，也就是2024年发表于Science的一篇论文［Liu D et al. Science 2024; 384: 1212–9］。在这项工作中，我们通过实验证明了熵的两种定义，克劳修斯定义（
）与玻尔兹曼定义（
），是等价的。这种等价关系早已得到理论证明，但实验验证却极其困难。由于熵本身是物理概念，这几乎可以算是一项纯物理研究，与单分子动力学的实时成像迥然不同。
我们的做法是用电子束照射晶体。晶体被电子束“摇动”后，结构被扰乱。我们测量了照射引起的晶体衍射峰的消失，再通过分析状态变化的速率，推算出熵值。具体细节不太容易解释，但核心思路就是这样。
NSR：您是怎样选定“熵”这个研究课题的？
中村荣一：这个选择看起来可能是“出乎意料”，实则是自然发生的。人们早已知道，在电子束照射下，晶体的衍射峰会逐渐衰减、消失，但是一直把这看作是晶体降解的结果。现在，既然我知道有机分子在电子束下不会分解，那么由众多分子构成的晶体，按理也不该降解。凭着这份直觉，我做了实验，证明了自己的判断：晶体只是结构变得无序，并没有降解。它是变乱了，而不是被“烧成了灰烬”。此后再经过更精细的测量和分析，便有了那篇Science论文。
NSR：您对分子影像化学领域有怎样的期待？
中村荣一：我希望化学家，尤其是有机化学家，能够把电子显微镜当作一件常规分析工具来使用。我有幸见证了一代代有机分析工具的更迭：最早是红外光谱，它在我进入这一领域之前就已有应用；然后是核磁共振（NMR），在我读本科时开始使用；第三代是20世纪80年代逐渐成为有机化学常规分析工具的X射线晶体学；第四代是90年代兴起的量子化学理论计算。我相信，电子显微镜将会成为化学研究的下一件常规工具。再往后，就该是生成式人工智能了。
我认为有一个重要挑战值得所有人思考：我们正在跨越烧瓶和试管的边界，进入纳米尺度的化学世界。如今在电子显微镜下，我们把碳纳米管当作试管使用。这早已超出了普通化学家的想象。
铁催化与元素战略
NSR：除了“影像化学”，您在化学领域还有哪些重要成果？
中村荣一：那自然是铁催化。从科学上讲，将透射电子显微镜用于化学研究，是我最重要的贡献；而从实际应用来看，我认为我最有影响力的贡献是推动铁催化受到广泛关注，并提出“元素战略”。
20世纪40年代，芝加哥的Morris S. Kharasch率先开展了铁催化研究，但后来中断了。这之后，日裔美国化学家Jay Kochi也研究过铁催化，但也在70年代停止了相关工作。此后就很少有人继续探索这一方向，直到2000年，我们发表文章“Iron-Catalyzed Olefin Carbometalation”（铁催化的烯烃碳金属化反应）[Nakamura M et al. JACS2000; 122: 978–9]。2004年，我们又发表了另一篇有影响力的论文［Nakamura M et al. JACS 2004; 126: 3686–7］。2008年又发表了第三篇，关于C—H键活化的论文［Norinder J et al. JACS 2008; 130: 5858–9］，证明铁催化能够实现一系列新型化学反应。这一系列工作逐渐引起学界关注，也吸引了更多研究者进入铁催化领域。
铁是宇宙中含量最丰富的重金属，因为它是恒星核合成的终产物。所有生命都是在富铁环境中演化、存续下来的，因此铁对生命无毒无害。铁储量丰富、无毒，适合长期、可持续地使用。但是铁是3d过渡金属，在化学上很难控制。在3d、4d、5d轨道中，铁的轨道分裂能极窄，电子自旋态可以自发地来回切换，因此很难操控，也很难用于催化。我认为，至今还没有人找到一种完善的方法，能够充分发挥铁的催化潜力。
在铁催化研究的基础上，我于2004年提出了“元素战略”的概念，并提交给日本政府。后来，美国和中国也相继采纳了这一思路。
“元素战略”的核心理念是减少贵金属消耗，以铁等储量丰富的元素替代贵金属，并推动资源循环利用。政策制定者对这个理念很感兴趣。最初，多数有机化学家并没有理解它的意义，但渐渐地，大家都意识到，化学元素并非取之不尽，需要合理利用。
NSR：您是如何对这些“廉价金属”产生兴趣的？
中村荣一：这一直是我的研究兴趣。在我开始这一方向之前，隔壁实验室有一位前辈，辻二郎教授。他是钯催化的奠基人之一，论贡献完全配得上诺贝尔奖，只是最终没有获奖。我有意避开了钯和其他贵金属研究，因为作为学生，很难与这些顶尖的开拓者竞争。因此，在整个科研生涯中，我一直关注铜、锌、镍、铁这些廉价金属。这些方向需要的经费较少。而我也总是选择别人忽略的领域，不追逐主流。我喜欢去那些还没有人感兴趣的地方。
走向产业：失败与成功的案例
NSR：您曾说“科学家应当为社会问题提供解决方案”。您能否举例谈谈，您的研究成果是如何服务于化学工业与社会的？
中村荣一：要一一列举具体案例并不容易。在我们在本世纪初发表了最初的几篇铁催化论文之后，许多企业都开始采用铁催化技术，包括位于美国新泽西州的Merck公司。如今大家都认识到，铁可以是一种很有用的催化剂。
我们也尝试过把研究成果推向工业化生产，虽然大多以失败告终，但这完全正常。
举个例子，2004年到2015年，我们做过有机太阳能电池。我们在这一领域起步较早，也在日本带动了广泛的研究兴趣。我们与一家化工公司合作开发可印刷的塑料太阳能电池，试制了约一千个样品，但能量效率始终不够理想，最终双方决定终止项目。即使到现在，钙钛矿太阳能电池产品也还没有实现盈利性的市场化。这确实是一项非常有挑战的研究。
我们还开发过一些候选药物化合物。其中一种甚至进入了动物试验阶段，但在犬类试验中因毒性问题而失败。我们也与仿制药企业合作开展药物制剂研究，其中一项相关产品可能很快就会上市。
基于学术研究，我一共申请过一百多项专利。真正带来经济回报的只有一项，所得刚好只够买一辆普通的汽车。申请专利主要不是为了赚钱，而是为了保护知识产权，让企业对长期合作更有信心。我与许多企业保持合作，但不会把太多个人时间投入产业项目，而是让学生和其他合作者负责推进。
除了学术研究，我们还利用透射电子显微镜制作了一系列面向高中的化学教学视频。这些视频已经在日本学校中使用，我希望中国有关部门也能将它们用于化学教育。我们很愿意制作中文版本。最重要的是，要让年轻一代知道，化学是可以被看见的，这能够彻底改变他们对化学的认识。
生成式AI：化学家的新朋友
NSR：我们知道您对AI很感兴趣。在您看来，AI会取代化学家的大部分工作，还是仅仅作为一种工具？
中村荣一：这取决于化学家本人的水平。真正优秀、思维能力扎实、实验技艺精湛的化学家，永远不会被AI取代；而且我相信，生成式AI会成为他们的好朋友。
ChatGPT于2022年11月底上线，我立刻就用上了。12月的第二个星期，我就在有机化学课堂上对本科生说，你们一定要试试ChatGPT，它对化学学习非常有帮助。我给他们演示了一个例子：我让ChatGPT用200字以内的日语或英语，概述一下格氏试剂对酮加成反应的最新研究进展，它仅用十秒钟就给出了一个近乎完美的答案，虽然细节上并非完全没有差错。我对学生们说：这家伙比你们强多了；你们至少要花一周才能做完的事，它不到十秒就交卷了。
我甚至把AI引入了教学。Barry Sharpless在2022年第二次获得诺贝尔奖。我与Sharpless相熟，于是给本科生布置了一道论文题：分析Sharpless为什么能两次获得诺贝尔奖，以及取得这样的成就需要怎样的科研思维。这对二年级本科生来说是个极难的题目，即便对资深研究者也很有挑战。60名学生借助AI完成了作业，其中几人围绕学术创造力和研究方向写出了很好的分析与讨论。事实证明，对优秀学生而言，这是一次很有价值的学习实践。
NSR：生成式AI能在哪些方面助力化学研究？
中村荣一：我认为AI可以帮我们选择研究课题。我们可以与AI头脑风暴，寻找那些值得解决、也有望在未来十年内被解决的问题。最理想的，是去发现那些眼下看似不可能、却能在一两年内取得突破的课题。
AI擅长梳理已有文献，告诉你哪些工作已经做过，却无法直接告诉你，还有什么没有做。这一点和人类一样。因此你必须把问题提得非常准确。这很有挑战，也是一个值得通过人机协作去探索的方向。研究者当然可以训练和优化适用于化学研究的AI模型。
NSR：AI能否帮助提升电子显微技术的能力？
中村荣一：电子显微镜高度依赖硬件，而硬件几乎无法靠AI改进。AI可以优化软件和数据分析方法，但它弥补不了硬件层面的根本局限。
人生经历与给年轻人的建议
NSR：日本在基础研究方面有着深厚传统与卓越成就。日本的教育与科研体系，对您的成长和职业发展有哪些帮助？
中村荣一：我年轻时，日本的教育系统与美国颇有几分相似。学生年纪尚幼时，并不死读书；几乎每个人在15岁之前都有五花八门的爱好，此后才渐渐把重心放在高考准备上。我把大量时间花在手工模型上。高中时我做过一套细节完备的铁路模型，前后花了一年半、几百个小时，即便在备考期间也没停止。我也很喜欢绘画和音乐。
我的高中是日本最好的学校之一，可老师们反而不鼓励我们一味读书。他们都是很出色的老师，其中有人还是专业画家或音乐家，后来也有不少人成了大学教授。我和朋友、老师一起，在读书之外做了各种各样的事。我们去爬三千米级的高山，一起烧烤、组织研讨班、玩音乐。
如今情况大不一样了，不只是日本，世界各地都在变，连美国也不例外。这些变化对科研究竟是好是坏，谁也说不准。但我认为，要培养出优秀的科学家，就不该逼迫学生只埋头于课本。要有广博的兴趣，不要只从书本里学习。常识与动手能力同样重要。因此，我完全支持中国近年来为学生减负的政策。
NSR：您会给年轻研究者什么建议？
中村荣一：有人说，日本的年轻一代活得更“松懈”了。这种现象在包括中国在内的其他国家也很普遍。这情有可原，二战之后地区环境长期稳定，如今的父母比上一辈更富裕，年轻人自然享有更安稳、舒适的生活。
我出生在二战结束后的第六年。那样的历史环境下，我们对未来会发生什么充满好奇，每个人都有很强的内在动力，希望不断完善自己、探索世界。这种动力和好奇心，对优秀学者极为重要。但如今，年轻人的这种动力大不如前了，对不少人来说，学习变成了一种只关乎分数和数字的任务。
另一方面，我们身处一个信息极其丰富的时代，年轻人很容易不断与他人比较，并因此承受压力。所以，我的第一条建议是：不要与别人攀比，不要过度规划未来，只专注于你当下正在做的事。
博士快毕业时，我26岁，与妻子结了婚。我决定去纽约的哥伦比亚大学做博士后。我们并不知道未来会发生什么，就这样去了。
大学不是我选的：东京大学考试取消，我便去了东京工业大学；博士导师也不是我选的：我本想跟着向山教授，可他调任到东京大学，把我留在东京工业大学，挂在他一位早年学生的门下。所以，在博士毕业前两年，我决定要自己选择博士后导师。
当时我还拒绝了日本的一份助理教授职位。导师问我：“你知道做完博士后会怎样吗？你可能回日本后连工作都找不到。”我说：“也许我能在美国找到业界或学界的工作，也许运气好，还能回来。”他又问：“如果都不行呢？”我说：“那我还可以回来当英语老师。”他说，那很好。于是我就按照自己的想法去做了。
那时我和妻子从不替未来过度操心，生活给什么就接什么。这次来南开也是一样。我们不知道接下来会发生什么，只是顺着自己的兴趣往前走。我妻子好奇心很重，一心想探索天津这座城市；她学中文已有一年，每天都乐在其中。如今的生活，让我们想起五十年前在纽约的日子：没有为未来作什么安排，却每天都很快乐。
在过去，生活充满动荡，几乎无法预料未来，所以谁也没法事先规划，只能把眼前的日子过好。今天的年轻一代面对的是一个不同的世界，不过也许仍然不必过度规划未来，或者把目标定得太高。设定一个比自己当前水平稍高、又能够实现的目标，不断取得一点小进步，最终就会慢慢变得更好。
除此之外，我还有两条建议。
其一，如果你不喜欢写基金申请书，可能就不太适合从事学术研究。我花很多时间写论文和基金申请书，而且乐在其中。我认为，这是科学家必须掌握的能力。因为基金申请是向政府和公众陈情，你首先要自己相信自己的工作，然后才能说服别人，让他们相信这项工作有价值，值得投入资源。
其二，管理非常重要，甚至可能比科研本身更重要。我的一些前辈也有同样的观点，而且对于年轻科学家而言尤其如此。事实上，实验室管理正是我目前在南开面临的最大挑战。我由衷感谢中国同事们给予的支持，是他们在帮我熟悉中国这套我还不太适应的学术环境。
NSR：直觉在您的研究中有多重要？
中村荣一：我相信只有在充分准备之后，直觉才会涌现。正如那句名言：机会只偏爱有准备的头脑。
NSR：对科学家而言，所谓的“准备”包括什么？
中村荣一：需要扎实的知识和过硬的技术。音乐也是同样的道理。我吹长笛，但不是专业音乐家。对于长笛，我需要思考，也需要反复练习。我要先努力理解音乐，再把它演奏出来。科研也是如此：先理解自己的课题，再凭借扎实的技术把想法付诸实践。
技术是必要条件，却不是充分条件。业余学习者往往过分看重技巧，可单靠技巧永远成不了事。无论音乐还是科研，你都要清楚，自己想要实现的究竟是什么。
此外，并非所有音乐都适合业余爱好者。19世纪的大多数浪漫主义音乐，技巧要求极高，结构也很复杂，是为专业演奏者而写的。我会避开舒伯特之后那些过于复杂的作品，舒伯特对我来说已经足够复杂了。这些作品需要专业水平的技巧，也需要深入的理解。
化学也是一样。一个好的专业研究课题，应该既有重要的学术价值，也富有技术挑战性，铁催化就是一例。这样的领域，才有可能实现真正从零到一的创新。而要走到那一步，靠的是踏踏实实、一步一步的探索。
中村荣一教授与妻子、朋友们合奏。左一为手持长笛的中村教授，左三为他的妻子中村洋子，手持维奥尔琴（viola da gamba）。图片由中村教授提供。
与中国的故事：仍在继续
NSR：您与中国科学家的合作是从什么时候开始的？
中村荣一：我与中国研究者的合作始于1993年。那一年我结识了已故的中国科学院院士戴立信先生，这位杰出的中国学者于2024年辞世，享年100岁。我们是在一次会议上，经诺贝尔奖得主野依良治教授介绍认识的。我读博士期间，曾发表过一篇论文，研究课题恰好就是野依教授当时正在研究的方向。
那时我42岁，戴先生年近六旬。野依教授把我作为日本学界的新锐举荐给他，并建议戴先生带我在中国走走。于是1994年5月，戴先生邀请我到访中国科学院上海有机化学研究所，随后又访问了北京的中国科学院化学研究所。我至今还记得当时的情景：北京满城飞絮，比今天还多得多。
此后我与戴先生多次相聚。我时常收到他的邀请，也邀他来日本参加学术会议。那些年里，我们在世界各地见面超过十次。
我们既是学术上的伙伴，也是生活中的好友，也正是这份友谊，让我萌生了为东亚有机化学家组织学术会议的想法。我征询了戴先生和黄乃正教授的意见。黄乃正是香港著名化学家，四十出头便当选中国科学院院士，如今已年逾七旬。
在他们的支持下，我于2001年创办了这一年会（蓼科有机化学会议）。通过这个会议，我结识了许多中国科学家。黄乃正教授每年会邀请五位35岁左右的优秀中国青年学者。21世纪初，这些青年学者经费有限，我们便承担了他们的旅费。我主持这个会议12年，共邀请了约60位中国青年学者，其中近半数后来成为院士，如丁奎岭、吴骊珠、俞飚、马大为、游书力等。如今他们的年龄都在60岁上下，已经成为维系中日长期学术交流的坚实纽带。
这些参会者后来也向我的团队推荐了优秀的博士后。迄今为止，其中已有六人获得国家杰出青年科学基金资助，包括如今担任南开大学副校长的朱守非，也正是他促成了我来到南开。我希望在南开的这段时光能进一步丰富我的学术生活与合作网络。
中村荣一南开新实验室的首批成员。图片由中村教授提供。
NSR：您是怎样决定来南开的？
中村荣一：这又是一件“出乎意料”的事。三四年前，我差一点就去了四川大学，但最终没有实现。后来，南开的机会突然出现了。朱守非教授出任南开大学副校长和有机新物质创造前沿科学中心（FSCNOM）主任，他也许正希望有合适的人加入。
2024年我获得日本天皇授予的勋章，那年8月底，我们举办了一场学术研讨会，邀请包括朱守非在内的昔日学生重聚。他与我的团队交流后了解到，如果有合适的机会，我愿意去中国，或者是其他地方。他几乎立刻就着手安排。三个月后，也就是12月中旬，我来到南开主校区，与校领导见面。他们带我参观了中心的新楼，还对我说：“想选哪间实验室都可以。”我们就这样选定了新实验室，一切就这样开始了。
NSR：我们注意到新实验室现在大多还空着。南开为您提供了怎样的支持？实验室何时能充实起来？
中村荣一：招募学生需要时间。我计划在未来几年里稳步建设实验室。学校已尽全力支持我的研究，也尽力为行政手续的办理提供便利。整体进展已经相当快了。
我们正在申请政府经费，希望尽快购置一台电子显微镜。这台设备非常昂贵，采购加安装大约需要一年。在此之前，我可以使用东京和南开现有的显微镜。不过如果能有一台属于我们自己实验室的专用显微镜，当然是最理想的。
NSR：您在南开有哪些研究计划？
中村荣一：我想做一些全新的事情。既然是从零起步的新实验室，一旦有了新的团队、新的环境，我们就能找到新的方向。我想实现向山教授所说的“从零到一的飞跃”。
作者感谢张岩、李钇伶对本次采访的帮助。
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