這項研究開拓了納米科學的新方向
來源：新華網 發(fā)布時間：2021-11-15 15:56:44
國家自然科學獎一等獎項目“有序介孔高分子和碳材料的創(chuàng)制和應用”
這項研究開拓了納米科學的新方向（2020年度國家科技獎獲獎項目巡禮（下））
趙東元指導學生實驗。 復旦大學供圖
有這樣一種神奇的材料，被應用在5G手機的電路板中，能讓5G手機的工業(yè)化生產成為可能；在催化領域，它能把重質的原油轉化成汽柴油；它還可以用來制造新能源電池，做精細化工的藥物中間體催化劑、吸附污水中的雜質……這就是介孔材料，是一種孔徑在2至50納米之間的多孔材料。
日前，2020年度國家科學技術獎揭曉。由中國科學院院士、復旦大學化學系教授趙東元領銜，李偉、鄧勇輝、張凡等團隊成員完成的“有序介孔高分子和碳材料的創(chuàng)制和應用”項目，獲國家自然科學獎一等獎。
作為我國基礎研究領域的最高獎項，國家自然科學獎一等獎備受矚目。記者日前走近“有序介孔高分子和碳材料的創(chuàng)制和應用”項目團隊，從“微觀層面、納米尺度”上感受我國自主創(chuàng)新的律動。
神奇的介孔材料，在眾多領域具有廣泛的應用前景
有個詞叫作“無孔不入”，大多數人對“孔材料”也不陌生。比如，自然界中的棉花、蜂巢，我們經常用到的干燥劑、活性炭等，都是“孔材料”。而介孔材料是20世紀發(fā)展起來的嶄新的材料體系，它具有規(guī)則排列、大小可調的孔道結構，高比表面積和大吸附容量等特點，在大分子催化、吸附與分離、納米組裝及生物化學等眾多領域具有廣泛的應用前景。
孔材料的創(chuàng)造離不開化學，離不開分子自組裝，這是自然界的普遍現象。“比如人體的核酸、細胞膜，都是通過一些分子‘組裝’起來的，構成了萬物的基礎。”趙東元認為，“介孔材料之所以能夠有這么多神奇的作用，是因為在這個尺度上，它具有更大的孔徑和更快的傳質速率，材料能夠產生特殊的納米效應。因為它們有孔，在這樣的孔里面我們就可以干很多事情。”
在2001年以前，整個介孔材料都局限于無機材料，缺點是脆性大、密度高、不易加工、不可降解等。當時，做了多年無機介孔材料研究的趙東元突發(fā)奇想：能不能創(chuàng)造出一種有機的高分子材料來呢？
“我們學習了自然界的自組裝現象，在這個基礎上做了氧化硅這樣一些無機化合物的介孔材料。但是，材料的另一重要組成是高分子和碳，這些材料在國民經濟中占據著舉足輕重的地位。只有打開這扇門，才能讓介孔材料延伸出更多可能。”趙東元說。
“有序介孔高分子和碳材料的創(chuàng)制和應用”項目原創(chuàng)性提出了有機—有機自組裝思想，創(chuàng)制了有序功能介孔高分子和碳材料，揭示了介孔獨特的物質輸運和界面反應規(guī)律；實現了介孔碳材料的規(guī)模化生產，推廣應用于催化、儲能等領域。國際學術界評價：這項研究開拓了納米科學的新方向，是“里程碑式”的重要進展。
做出“無中生有”的材料絕非易事，團隊苦戰(zhàn)多年終有所獲
為了攻克這一難題，趙東元組建起科研團隊。然而，想做出“無中生有”的材料絕非易事。前幾年，項目進展緩慢，少有成果產出。趙東元回憶：“我們率先提出有機高分子‘自組裝’這樣一個全新的思想，合成介孔電木（酚醛樹脂，一種非常‘古老’的高分子材料），但是整個合成過程非常復雜，就像在一個‘黑箱子’里亂撞。”團隊成員孟巖的博士論文里清楚地記錄著：“起初，實驗怎么也做不出介孔，做出的全都是抱團的納米粒子……”
“這樣一個復雜問題，能不能簡單化？形成高分子這樣的自組裝過程，是否可以分步來進行？”趙東元指導學生，用一種反常規(guī)的方法進行實驗。功夫不負有心人，2003年10月，團隊終于測試到了一組非常漂亮的數據。“我的學生顧棟一看到結果就十分激動，半夜給我打電話。應該說我們還是非常幸運的……”趙東元回憶道。
接下來的兩個月，趙東元帶領團隊緊鑼密鼓地開展實驗，調節(jié)參數、測試分析，年底就基本得到了所有數據。2005年，趙東元發(fā)表文章，在國際上率先提出了有機—有機自組裝新思想，并公布了實驗方法。至今，已有60多個國家和地區(qū)的1500多家科研機構開展跟蹤研究，利用相似的方法研究介孔高分子和碳材料等，發(fā)表論文4萬余篇，引領了國際介孔材料領域的發(fā)展。
此后，趙東元帶領團隊建立了體系化的合成方法學，創(chuàng)制了一系列不同孔徑、形貌、組成、孔道結構的有序介孔高分子和碳材料；提出了多元協(xié)同共組裝新策略，實現了介孔高分子和碳材料功能的精確調控，將多種功能普適性地引入高分子和碳材料中，創(chuàng)制了全新功能介孔復合材料；揭示了介孔獨特的物質輸運和界面反應規(guī)律，解決了微孔傳質限制和大孔活性位點少的難題，完成了高比容量、高功率和長循環(huán)穩(wěn)定性電化學儲能器件，為獨特的新一代藥物合成催化劑、仿生離子通道、柔性微流控器件等的構筑奠定了基礎，創(chuàng)造了巨大的經濟效益。
天生我“材”必有用，做一個拿著“鑿子”在微觀世界里造孔的人
經過不斷壓縮成本，趙東元團隊已將科研成果投入工業(yè)化生產，并開展大規(guī)模制備。比如：將介孔材料作為催化劑使用，大大提高重油轉化效率，全國推廣后每年可增產約150萬噸的高質量油品；將介孔碳和介孔高分子噸級生產，運用于超級電容器，在LED路燈和電動汽車上都得到了示范性應用。此外，成果還在生物檢測、環(huán)境處理、電子材料等諸多方面得到廣泛應用。趙東元始終堅信，天生我“材”必有用：“化學是離工業(yè)很近的一門基礎學科，很多成果都能實現轉化。”
趙東元一直自稱“是一個拿著‘鑿子’，在微觀世界里造孔的人”。研究多年，他甚至養(yǎng)成了一種“職業(yè)病”——平日里但凡看到什么材料，都想把它打成孔。“在20年的研究過程中，這個團隊就是在一直不停地創(chuàng)新。”團隊成員、復旦大學化學系教授李偉說。
趙東元記得，自己剛回國的時候，國內的科研條件與國外的差距很大。復旦大學提供了3萬元的科研經費，趙東元咬咬牙買了一臺電腦。實驗條件簡陋，沒有高壓反應釜，他就拿塑料瓶代替。
“如今，我們的科研條件非常好。搞基礎研究要有一股崇尚科學的精神，青年科學家更要解放思想、鉆研求證，有甘坐冷板凳的精神。”趙東元說。
趙東元是出了名的“拼命三郎”。他一度幾乎每周工作80小時，常連續(xù)十幾個小時泡在實驗室。“中午大家一起吃飯的碎片時間，趙老師也常常討論學術的問題。”李偉說。在學生眼里，趙東元是一個像介孔材料一樣，有著強大“吸附能力”的老師，經常和學生們“打成一片”。
李偉記得，當年吸引他投身這項研究的，就是趙東元在一場學術報告中展示的美輪美奐的介孔材料。在教書育人方面，趙東元從不為學生設限，積極鼓勵大家自由探索，但每一篇論文，他都會嚴格把關。
“我們的文章，經過趙老師修改后，經常滿篇都是紅筆標注，甚至中英文標點符號、單位符號，他都會仔細修訂。”李偉記得，趙老師回郵件非?？?，不管身在何處，學生的論文他都是一個字一個字修改后才準投稿。正是在這樣幾乎苛刻的要求下，趙東元指導的研究生曾3次獲評全國百篇優(yōu)秀博士論文，如今團隊不少成員都成長為科研骨干。
除了帶研究生，趙東元還會為本科生講授普通化學課，一周兩次，寒來暑往，多年不輟。要是第二天有課，即使前一天還在外地開會，他也一定要連夜趕回學校。
為了普及科學知識，趙東元還為中學生錄制網課，甚至他還擔任《十萬個為什么（第六版）》的《化學》分冊主編，為這本青少年科普讀物傾注了不少心血。
如今，在趙東元的帶領下，這些“造孔之人”有了更多“異想天開”的想法：介孔材料如果用在衣服上，衣物就能既輕薄又保暖；如果用在醫(yī)療領域，或許能讓韌帶順著它重新生長；介孔材料上做出“離子通道”，就能實現海水發(fā)電……在這肉眼看不見的介孔微觀世界里，他們的創(chuàng)新之路正越走越寬闊。（記者 谷業(yè)凱）
責任編輯：陳曉芳
