人民日报 2021-11-15 08:06
赵东元指导学生实验。 复旦大学供图
有这样一种神奇的材料，被应用在5G手机的电路板中，能让5G手机的工业化生产成为可能；在催化领域，它能把重质的原油转化成汽柴油；它还可以用来制造新能源电池，做精细化工的药物中间体催化剂、吸附污水中的杂质……这就是介孔材料，是一种孔径在2至50纳米之间的多孔材料。
日前，2020年度国家科学技术奖揭晓。由中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元领衔，李伟、邓勇辉、张凡等团队成员完成的“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”项目，获国家自然科学奖一等奖。
作为我国基础研究领域的最高奖项，国家自然科学奖一等奖备受瞩目。记者日前走近“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”项目团队，从“微观层面、纳米尺度”上感受我国自主创新的律动。
神奇的介孔材料，在众多领域具有广泛的应用前景
有个词叫作“无孔不入”，大多数人对“孔材料”也不陌生。比如，自然界中的棉花、蜂巢，我们经常用到的干燥剂、活性炭等，都是“孔材料”。而介孔材料是20世纪发展起来的崭新的材料体系，它具有规则排列、大小可调的孔道结构，高比表面积和大吸附容量等特点，在大分子催化、吸附与分离、纳米组装及生物化学等众多领域具有广泛的应用前景。
孔材料的创造离不开化学，离不开分子自组装，这是自然界的普遍现象。“比如人体的核酸、细胞膜，都是通过一些分子‘组装’起来的，构成了万物的基础。”赵东元认为，“介孔材料之所以能够有这么多神奇的作用，是因为在这个尺度上，它具有更大的孔径和更快的传质速率，材料能够产生特殊的纳米效应。因为它们有孔，在这样的孔里面我们就可以干很多事情。”
在2001年以前，整个介孔材料都局限于无机材料，缺点是脆性大、密度高、不易加工、不可降解等。当时，做了多年无机介孔材料研究的赵东元突发奇想：能不能创造出一种有机的高分子材料来呢？
“我们学习了自然界的自组装现象，在这个基础上做了氧化硅这样一些无机化合物的介孔材料。但是，材料的另一重要组成是高分子和碳，这些材料在国民经济中占据着举足轻重的地位。只有打开这扇门，才能让介孔材料延伸出更多可能。”赵东元说。
“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”项目原创性提出了有机—有机自组装思想，创制了有序功能介孔高分子和碳材料，揭示了介孔独特的物质输运和界面反应规律；实现了介孔碳材料的规模化生产，推广应用于催化、储能等领域。国际学术界评价：这项研究开拓了纳米科学的新方向，是“里程碑式”的重要进展。
做出“无中生有”的材料绝非易事，团队苦战多年终有所获
为了攻克这一难题，赵东元组建起科研团队。然而，想做出“无中生有”的材料绝非易事。前几年，项目进展缓慢，少有成果产出。赵东元回忆：“我们率先提出有机高分子‘自组装’这样一个全新的思想，合成介孔电木（酚醛树脂，一种非常‘古老’的高分子材料），但是整个合成过程非常复杂，就像在一个‘黑箱子’里乱撞。”团队成员孟岩的博士论文里清楚地记录着：“起初，实验怎么也做不出介孔，做出的全都是抱团的纳米粒子……”
“这样一个复杂问题，能不能简单化？形成高分子这样的自组装过程，是否可以分步来进行？”赵东元指导学生，用一种反常规的方法进行实验。功夫不负有心人，2003年10月，团队终于测试到了一组非常漂亮的数据。“我的学生顾栋一看到结果就十分激动，半夜给我打电话。应该说我们还是非常幸运的……”赵东元回忆道。
接下来的两个月，赵东元带领团队紧锣密鼓地开展实验，调节参数、测试分析，年底就基本得到了所有数据。2005年，赵东元发表文章，在国际上率先提出了有机—有机自组装新思想，并公布了实验方法。至今，已有60多个国家和地区的1500多家科研机构开展跟踪研究，利用相似的方法研究介孔高分子和碳材料等，发表论文4万余篇，引领了国际介孔材料领域的发展。
此后，赵东元带领团队建立了体系化的合成方法学，创制了一系列不同孔径、形貌、组成、孔道结构的有序介孔高分子和碳材料；提出了多元协同共组装新策略，实现了介孔高分子和碳材料功能的精确调控，将多种功能普适性地引入高分子和碳材料中，创制了全新功能介孔复合材料；揭示了介孔独特的物质输运和界面反应规律，解决了微孔传质限制和大孔活性位点少的难题，完成了高比容量、高功率和长循环稳定性电化学储能器件，为独特的新一代药物合成催化剂、仿生离子通道、柔性微流控器件等的构筑奠定了基础，创造了巨大的经济效益。
天生我“材”必有用，做一个拿着“凿子”在微观世界里造孔的人
经过不断压缩成本，赵东元团队已将科研成果投入工业化生产，并开展大规模制备。比如：将介孔材料作为催化剂使用，大大提高重油转化效率，全国推广后每年可增产约150万吨的高质量油品；将介孔碳和介孔高分子吨级生产，运用于超级电容器，在LED路灯和电动汽车上都得到了示范性应用。此外，成果还在生物检测、环境处理、电子材料等诸多方面得到广泛应用。赵东元始终坚信，天生我“材”必有用：“化学是离工业很近的一门基础学科，很多成果都能实现转化。”
赵东元一直自称“是一个拿着‘凿子’，在微观世界里造孔的人”。研究多年，他甚至养成了一种“职业病”——平日里但凡看到什么材料，都想把它打成孔。“在20年的研究过程中，这个团队就是在一直不停地创新。”团队成员、复旦大学化学系教授李伟说。
赵东元记得，自己刚回国的时候，国内的科研条件与国外的差距很大。复旦大学提供了3万元的科研经费，赵东元咬咬牙买了一台电脑。实验条件简陋，没有高压反应釜，他就拿塑料瓶代替。
“如今，我们的科研条件非常好。搞基础研究要有一股崇尚科学的精神，青年科学家更要解放思想、钻研求证，有甘坐冷板凳的精神。”赵东元说。
赵东元是出了名的“拼命三郎”。他一度几乎每周工作80小时，常连续十几个小时泡在实验室。“中午大家一起吃饭的碎片时间，赵老师也常常讨论学术的问题。”李伟说。在学生眼里，赵东元是一个像介孔材料一样，有着强大“吸附能力”的老师，经常和学生们“打成一片”。
李伟记得，当年吸引他投身这项研究的，就是赵东元在一场学术报告中展示的美轮美奂的介孔材料。在教书育人方面，赵东元从不为学生设限，积极鼓励大家自由探索，但每一篇论文，他都会严格把关。
“我们的文章，经过赵老师修改后，经常满篇都是红笔标注，甚至中英文标点符号、单位符号，他都会仔细修订。”李伟记得，赵老师回邮件非常快，不管身在何处，学生的论文他都是一个字一个字修改后才准投稿。正是在这样几乎苛刻的要求下，赵东元指导的研究生曾3次获评全国百篇优秀博士论文，如今团队不少成员都成长为科研骨干。
除了带研究生，赵东元还会为本科生讲授普通化学课，一周两次，寒来暑往，多年不辍。要是第二天有课，即使前一天还在外地开会，他也一定要连夜赶回学校。
为了普及科学知识，赵东元还为中学生录制网课，甚至他还担任《十万个为什么（第六版）》的《化学》分册主编，为这本青少年科普读物倾注了不少心血。
如今，在赵东元的带领下，这些“造孔之人”有了更多“异想天开”的想法：介孔材料如果用在衣服上，衣物就能既轻薄又保暖；如果用在医疗领域，或许能让韧带顺着它重新生长；介孔材料上做出“离子通道”，就能实现海水发电……在这肉眼看不见的介孔微观世界里，他们的创新之路正越走越宽阔。
