造孔之術賦能微觀世界——探秘國家自然科學獎一等獎“有序介孔高分子和碳材料的創製和應用”

2021年11月04日21:01

原標題:造孔之術賦能微觀世界——探秘國家自然科學獎一等獎“有序介孔高分子和碳材料的創製和應用”

  新華社北京11月4日電 題:造孔之術賦能微觀世界——探秘國家自然科學獎一等獎“有序介孔高分子和碳材料的創製和應用”

  新華社記者溫競華、董雪

  “我們研發的介孔碳材料,1克的表面積可以達到3000平方米,2克就能鋪滿一個足球場。”中國科學院院士、複旦大學化學系教授趙東元說。

  被國際同行認為開拓了納米科學的新方向,引領了國際相關領域研究和發展……11月3日,趙東元團隊因在有序介孔高分子和碳材料的創製和應用上的開創性貢獻,獲得2020年度國家自然科學獎一等獎。

  在介孔材料的“無人區”插上中國旗幟

  若說起海綿、珊瑚、活性炭,你一定不陌生。它們的共同特點,就是身上排佈著大量的孔洞。這些孔洞,意味著更大的比表面積、更低的密度、更好的滲透性和吸附性……

  在微觀世界中,孔徑在2納米至50納米的介孔材料,自誕生以來便成為學界競相研究的熱點前沿領域。它所具備的一系列特性,在能源、健康、信息、環境等眾多行業具有廣泛的應用前景。

  此前,國際化學界的相關研究都局限在容易合成的無機介孔材料上,而作為材料另一重要組成的高分子和碳能否實現“造孔”,一直是鮮有人問津的“無人區”。

  經過大膽想像和辛苦鑽研,趙東元團隊首次實現了有序介孔高分子和碳材料的創製,被國際同行認為是介孔材料領域“里程碑式”和“先驅性”的進展。

  近20年時間,趙東元團隊提出的有機—有機自組裝思想及產生的介孔高分子和碳材料已被60多個國家和地區的1500餘家科研機構採用和研究,引領了國際介孔材料領域的發展。

  “把研究真正用在國家需要的地方。”基於這一研究,趙東元團隊分工協作,向材料合成、催化、儲能等多方向持續突破,在能源轉化、電子器件、生物醫藥等領域產生了一批重要應用成果——

  將渣油和重質油進一步催化裂化為輕質油,中石化56萬噸級的中試裝置運行3年效果顯著;採用介孔材料製作的印刷電路板,絕緣性提高近50%,已經實現了每年千噸級生產;靶向藥物和不對稱藥物合成的介孔催化劑也已被開發出來……

  創新是從錨定方向到靈光一閃

  “別人都做無機,我們能不能做有機?既然原理一樣,一定可以做出來。”20年前,閃現在趙東元腦海的這個問題,成為一切的開端。

  趙東元把這個想法稱為“拍腦袋的科學幻想”。那時,他剛剛結束在美國的博士後工作,回國進入複旦大學任教,一門心思要在祖國大地上做自己最喜歡的科研。

  相比於更易控製的無機介孔材料,有機高分子和碳材料有著輕質、柔軟、易加工等優勢,但其合成過程步驟多、難度大,複雜程度讓國內外材料學家們束手無策。

  招學生、組團隊,提想法、做試驗。將近3年過去,記錄下的是一次次失敗。“就像是在一個黑箱子裡亂撞。”但深厚的學科積累和敏銳的洞察力讓趙東元無比堅定,“實驗科學就是需要不斷探索,不斷去試。”

  轉機發生於團隊的一個“腦洞”:能不能讓複雜的問題簡單化,把合成過程拆分,分步組裝?循著這個思路,團隊從酚醛樹脂這一古老的高分子入手,開啟新一輪試驗。

  趙東元至今還清晰記得,2003年一個深夜那通突然的來電。電話那頭是學生顧棟激動的聲音:形成有序介孔了!

  科學的大門一旦開啟,便一通百通。有序高分子和介孔碳成功合成後,團隊繼續提出了有機—有機自組裝思想,建立了系統的合成方法,創製了一系列全新的有序介孔高分子和碳材料……

  十多年來,趙東元團隊創造的19種新型介孔材料,全部以 FDU(複旦大學)命名。這些新型介孔材料已經進行了千噸級生產,為國內外研究單位提供實驗試劑,促進了產業的發展。

  癡迷科研 他想為萬物“造孔”

  44歲就當選中科院院士,在介孔材料領域發表論文及引用率世界領先……趙東元把榮譽和光環看得很淡,談到科研時,卻永遠眼裡閃著光。

  “大膽去想,嚴謹求證。基礎研究的魅力就是創新,一做出好結果就高興!”在介孔材料領域“泡”了30多年,他身上的那股勁頭和熱情一如昨日。

  在趙東元眼中,世界就像一個巨大的“造孔”實驗室。一次,陪孩子去樂高世界玩,那些漂亮生動的組裝構件,又在趙東元的腦中激起了水花:在微觀世界,能不能也用各種功能基元搭建形成孔洞?由此,他又開闢出了一個新的研究方向。

  趙東元說,基礎研究最需要投入和專注,但不是一定要坐在桌前埋頭苦思,“當你真正沉浸其中,日常生活中任何事物都可以成為科學創造的靈感。”

  “我總是看到任何一個東西都在想‘能不能造孔’?這已經成了職業病。我真想把萬物都造成孔,賦予它們更多的功能!”沉浸在暢想中,趙東元的語氣興奮起來。

  “我跟隨趙老師這14年里,他一直帶著我們不斷創新。”團隊成員、複旦大學教授李偉說,接下來,他們將繼續探索海水發電、介孔液體材料等領域,“也許在不久的將來,介孔液體材料作為石油催化劑可以注入地下實現高效催化,抽出來的就是汽柴油。或是做成絕熱材料,薄薄塗在身上,就能實現夏天隔熱、冬天保溫。”

(本文來自於新華網)

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