這項(xiàng)研究開拓了納米科學(xué)的新方向
來源：新華網(wǎng) 發(fā)布時(shí)間：2021-11-15 15:56:44
國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)項(xiàng)目“有序介孔高分子和碳材料的創(chuàng)制和應(yīng)用”
這項(xiàng)研究開拓了納米科學(xué)的新方向（2020年度國(guó)家科技獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目巡禮（下））
趙東元指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)。 復(fù)旦大學(xué)供圖
有這樣一種神奇的材料，被應(yīng)用在5G手機(jī)的電路板中，能讓5G手機(jī)的工業(yè)化生產(chǎn)成為可能；在催化領(lǐng)域，它能把重質(zhì)的原油轉(zhuǎn)化成汽柴油；它還可以用來制造新能源電池，做精細(xì)化工的藥物中間體催化劑、吸附污水中的雜質(zhì)……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(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)揭曉。由中國(guó)科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授趙東元領(lǐng)銜，李偉、鄧勇輝、張凡等團(tuán)隊(duì)成員完成的“有序介孔高分子和碳材料的創(chuàng)制和應(yīng)用”項(xiàng)目，獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
作為我國(guó)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)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(yīng)用”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，從“微觀層面、納米尺度”上感受我國(guó)自主創(chuàng)新的律動(dòng)。
神奇的介孔材料，在眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景
有個(gè)詞叫作“無孔不入”，大多數(shù)人對(duì)“孔材料”也不陌生。比如，自然界中的棉花、蜂巢，我們經(jīng)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(jì)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(diào)的孔道結(jié)構(gòu)，高比表面積和大吸附容量等特點(diǎn)，在大分子催化、吸附與分離、納米組裝及生物化學(xué)等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
孔材料的創(chuàng)造離不開化學(xué)，離不開分子自組裝，這是自然界的普遍現(xiàn)象。“比如人體的核酸、細(xì)胞膜，都是通過一些分子‘組裝’起來的，構(gòu)成了萬物的基礎(chǔ)。”趙東元認(rèn)為，“介孔材料之所以能夠有這么多神奇的作用，是因?yàn)樵谶@個(gè)尺度上，它具有更大的孔徑和更快的傳質(zhì)速率，材料能夠產(chǎn)生特殊的納米效應(yīng)。因?yàn)樗鼈冇锌?，在這樣的孔里面我們就可以干很多事情。”
在2001年以前，整個(gè)介孔材料都局限于無機(jī)材料，缺點(diǎn)是脆性大、密度高、不易加工、不可降解等。當(dāng)時(shí)，做了多年無機(jī)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(jī)的高分子材料來呢？
“我們學(xué)習(xí)了自然界的自組裝現(xiàn)象，在這個(gè)基礎(chǔ)上做了氧化硅這樣一些無機(jī)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(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)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(yīng)用”項(xiàng)目原創(chuàng)性提出了有機(jī)—有機(jī)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(dú)特的物質(zhì)輸運(yùn)和界面反應(yīng)規(guī)律；實(shí)現(xiàn)了介孔碳材料的規(guī)模化生產(chǎn)，推廣應(yīng)用于催化、儲(chǔ)能等領(lǐng)域。國(guó)際學(xué)術(shù)界評(píng)價(jià)：這項(xiàng)研究開拓了納米科學(xué)的新方向，是“里程碑式”的重要進(jìn)展。
做出“無中生有”的材料絕非易事，團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)。然而，想做出“無中生有”的材料絕非易事。前幾年，項(xiàng)目進(jìn)展緩慢，少有成果產(chǎn)出。趙東元回憶：“我們率先提出有機(jī)高分子‘自組裝’這樣一個(gè)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(gè)合成過程非常復(fù)雜，就像在一個(gè)‘黑箱子’里亂撞。”團(tuán)隊(duì)成員孟巖的博士論文里清楚地記錄著：“起初，實(shí)驗(yàn)怎么也做不出介孔，做出的全都是抱團(tuán)的納米粒子……”
“這樣一個(gè)復(fù)雜問題，能不能簡(jiǎn)單化？形成高分子這樣的自組裝過程，是否可以分步來進(jìn)行？”趙東元指導(dǎo)學(xué)生，用一種反常規(guī)的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。功夫不負(fù)有心人，2003年10月，團(tuán)隊(duì)終于測(cè)試到了一組非常漂亮的數(shù)據(jù)。“我的學(xué)生顧棟一看到結(jié)果就十分激動(dòng)，半夜給我打電話。應(yīng)該說我們還是非常幸運(yùn)的……”趙東元回憶道。
接下來的兩個(gè)月，趙東元帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)緊鑼密鼓地開展實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)參數(shù)、測(cè)試分析，年底就基本得到了所有數(shù)據(jù)。2005年，趙東元發(fā)表文章，在國(guó)際上率先提出了有機(jī)—有機(jī)自組裝新思想，并公布了實(shí)驗(yàn)方法。至今，已有60多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的1500多家科研機(jī)構(gòu)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(lǐng)了國(guó)際介孔材料領(lǐng)域的發(fā)展。
此后，趙東元帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建立了體系化的合成方法學(xué)，創(chuàng)制了一系列不同孔徑、形貌、組成、孔道結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)了介孔高分子和碳材料功能的精確調(diào)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(fù)合材料；揭示了介孔獨(dú)特的物質(zhì)輸運(yùn)和界面反應(yīng)規(guī)律，解決了微孔傳質(zhì)限制和大孔活性位點(diǎn)少的難題，完成了高比容量、高功率和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性電化學(xué)儲(chǔ)能器件，為獨(dú)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(gòu)筑奠定了基礎(chǔ)，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
天生我“材”必有用，做一個(gè)拿著“鑿子”在微觀世界里造孔的人
經(jīng)過不斷壓縮成本，趙東元團(tuán)隊(duì)已將科研成果投入工業(yè)化生產(chǎn)，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(zhuǎn)化效率，全國(guó)推廣后每年可增產(chǎn)約150萬噸的高質(zhì)量油品；將介孔碳和介孔高分子噸級(jí)生產(chǎn)，運(yùn)用于超級(jí)電容器，在LED路燈和電動(dòng)汽車上都得到了示范性應(yīng)用。此外，成果還在生物檢測(cè)、環(huán)境處理、電子材料等諸多方面得到廣泛應(yīng)用。趙東元始終堅(jiān)信，天生我“材”必有用：“化學(xué)是離工業(yè)很近的一門基礎(chǔ)學(xué)科，很多成果都能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。”
趙東元一直自稱“是一個(gè)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(gè)團(tuán)隊(duì)就是在一直不停地創(chuàng)新。”團(tuán)隊(duì)成員、復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授李偉說。
趙東元記得，自己剛回國(guó)的時(shí)候，國(guó)內(nèi)的科研條件與國(guó)外的差距很大。復(fù)旦大學(xué)提供了3萬元的科研經(jīng)費(fèi)，趙東元咬咬牙買了一臺(tái)電腦。實(shí)驗(yàn)條件簡(jiǎn)陋，沒有高壓反應(yīng)釜，他就拿塑料瓶代替。
“如今，我們的科研條件非常好。搞基礎(chǔ)研究要有一股崇尚科學(xué)的精神，青年科學(xué)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(shí)，常連續(xù)十幾個(gè)小時(shí)泡在實(shí)驗(yàn)室。“中午大家一起吃飯的碎片時(shí)間，趙老師也常常討論學(xué)術(shù)的問題。”李偉說。在學(xué)生眼里，趙東元是一個(gè)像介孔材料一樣，有著強(qiáng)大“吸附能力”的老師，經(jīng)常和學(xué)生們“打成一片”。
李偉記得，當(dāng)年吸引他投身這項(xiàng)研究的，就是趙東元在一場(chǎng)學(xué)術(shù)報(bào)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(xué)生設(shè)限，積極鼓勵(lì)大家自由探索，但每一篇論文，他都會(huì)嚴(yán)格把關(guān)。
“我們的文章，經(jīng)過趙老師修改后，經(jīng)常滿篇都是紅筆標(biāo)注，甚至中英文標(biāo)點(diǎn)符號(hào)、單位符號(hào)，他都會(huì)仔細(xì)修訂。”李偉記得，趙老師回郵件非?？欤还苌碓诤翁?，學(xué)生的論文他都是一個(gè)字一個(gè)字修改后才準(zhǔn)投稿。正是在這樣幾乎苛刻的要求下，趙東元指導(dǎo)的研究生曾3次獲評(píng)全國(guó)百篇優(yōu)秀博士論文，如今團(tuán)隊(duì)不少成員都成長(zhǎng)為科研骨干。
除了帶研究生，趙東元還會(huì)為本科生講授普通化學(xué)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(huì)，他也一定要連夜趕回學(xué)校。
為了普及科學(xué)知識(shí)，趙東元還為中學(xué)生錄制網(wǎng)課，甚至他還擔(dān)任《十萬個(gè)為什么（第六版）》的《化學(xué)》分冊(cè)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(lǐng)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(lǐng)域，或許能讓韌帶順著它重新生長(zhǎng)；介孔材料上做出“離子通道”，就能實(shí)現(xiàn)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(zé)任編輯：陳曉芳
