在微觀世界“造孔”

2021年11月04日05:12

原標題:在微觀世界“造孔”

    趙東元(右)正在帶領學生做實驗。複旦大學供圖
趙東元(右)正在帶領學生做實驗。複旦大學供圖

11月3日,在2020年度國家科學技術獎勵大會上,中國科學院院士、複旦大學化學系教授趙東元、教授李偉等完成的“有序介孔高分子和碳材料的創製和應用”項目獲得了國家自然科學一等獎。

國家自然科學一等獎是中國自然科學領域的最高獎項,由於評選極為嚴格,該獎項在歷史上曾出現多次空缺。

記者注意到,這次斬獲國家自然科學一等獎的趙東元團隊,是一支擅長“異想天開”,並把奇妙想法數十年如一日付諸實踐的青年團隊。他們的獲獎項目在以無機材料研究方向為主流的介孔材料研究領域,率先提出了“有機-有機自組裝”的新思想,創製了全新有序介孔高分子和碳材料,首次將介孔材料從無機組成擴展到有機高分子和碳。該項目為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築奠定了基礎,創造了巨大的經濟效益。

3萬元起家的“異想天開”實驗團隊

趙東元喜歡“造孔”,為了這項看似超級冷門的事業,他從美國一路“造孔”到了中國上海。在複旦大學一待就是23年,始終專注功能介孔材料的研究。

1998年,35歲的趙東元結束了在美國加州大學聖芭芭拉分校的博士後工作,從美國洛杉磯直飛上海。這是這個東北人對上海的首次造訪,他在多家國內頂尖高校中,選擇了複旦大學。

在上海的23年里,他從一名年輕的科研人員成長為享譽國際的科學家。2000年獲國家自然科學基金委員會“傑出青年”基金,同年獲教育部“長江學者”特聘教授稱號;2004年獲得國家自然科學獎二等獎;2007年,44歲的他當選為中國科學院院士。

趙東元至今仍記得,他剛到複旦大學時,國內整體科研條件和國外差距較大。學校在經費有限的情況下,為他提供了3萬元科研經費。

他買了一台電腦,很快就坐進了簡陋的催化樓辦公室,開始寫起研究計劃。他帶著5個本科生,開始了對功能介孔材料創製和合成的研究。

介孔材料是20世紀發展起來的嶄新材料體系,具有規則排列、大小可調的孔道結構及較大的吸附容量,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。這種多孔材料的孔徑在2-50納米之間,而把它“功能化”就是將其改性而使其具有不同的功能。

2001年左右,整個介孔材料研究領域都局限於無機材料方向。但趙東元卻突發奇想起來——能不能創造一種有機的高分子材料,又軟又輕又好用?他迅速組建了科研團隊,開始“異想天開”的實驗。

“整個合成過程非常複雜,就像是在一個黑箱子裡亂撞。”趙東元團隊花了5年時間來“異想天開”,他後來回憶時發現,自己和團隊在前4年多的時間里,幾乎都在“走彎路”。團隊成員孟岩的博士論文《有序的有機高分子介孔材料的合成與結構》記錄,“起初,實驗怎麼也做不出介孔,做出來的全都是抱團的納米粒子。”

歷史系學生給化學家團隊帶來“轉機”

誰也想像不到,“轉機”竟然會來自一名複旦大學歷史系的本科生。

2002年,複旦大學在全國率先施行本科生轉專業制度。當時,酷愛化學、高考未能被第一誌願錄取的歷史系學生顧棟,申請轉到化學系,其後,他選擇趙東元作為本科生導師,開始在實驗室參與一些基礎性工作。

時隔十幾年,如今已是武漢大學教授的顧棟,憶起十多年前的那個深夜,依然難掩激動。那天,他用一種反常規的方法進行實驗,測試得到一組非常漂亮的數據。

顧棟提出,把高分子先聚合再合成,一下子把步驟從5個簡化成兩個。趙東元在學生的啟發下打開了思路。接下來兩個月,化學系團隊緊鑼密鼓調節實驗參數、測試分析,基本得到了所有數據。

2005年,趙東元在《德國應用化學》上發表文章,在“有機-無機自組裝”的基礎上首次提出“有機-有機自組裝”的新方法,並將實驗方法公之於眾。該方法吸引60多個國家和地區的1500餘家科研機構跟蹤研究,利用相似的方法研究介孔高分子和碳材料等,發表論文4萬多篇。國際學術界評價這項研究的貢獻為“先驅”“里程碑”“突破”等。

趙東元的課題組也一下子“火”了。成員們基於該項目成果發表論文200多篇,被引3萬餘次。

雖從事基礎研究,但趙東元的研究跟實際應用結合得相當緊密。後期經過不斷壓縮成本,趙東元團隊將科研成果投入到工業化生產,開展大規模製備。

比如,將介孔材料作為催化劑使用,大大提高重油轉化效率,該項目全國推廣後每年可為中石化增產約150萬噸高質量成品油;將介孔碳和介孔高分子材料、噸級生產,運用於超級電容器,在北京奧運會的LED路燈和上海世博會的電動汽車上都得到了示範性應用;介孔材料還能在生物檢測、環境處理、電子材料等諸多方面得到廣泛應用。

鼓勵學生隨時隨地“異想天開”

在民用材料領域,趙東元也早有一番暢想——介孔材料將來是否也可用於衣物?比如用納米孔製作衣服,既輕薄,保暖性又強。

這個擅長且喜歡“異想天開”的團隊,如今正在做一種利用介孔高分子材料打造的液體。“將來把這個液體抹在身上,薄薄一層,就能完全隔熱,你根本都看不出來!零下30攝氏度都不帶怕的!”趙東元說。

趙東元自稱“造孔之人”,“相當於拿個鑿子,在你們看不到的微觀世界里‘造孔’”。而各種“異想天開”,如今已經成為趙東元及其團隊工作的動力和源泉。

有一次,他帶兒子去樂高世界玩,看到各種大型組裝構件,他便聯想,在微觀世界能不能也用各種功能基元搭建形成孔洞?隨後他又開闢了一個新的研究方向——介孔材料合成方法學中的模塊化組裝。

又有一次,他去醫院探望一名韌帶斷裂的病人,醫生需要用一個高分子韌帶將斷裂處連接起來,再讓韌帶重新生長。他又開始琢磨,能不能定向把兩個孔給嫁接起來?他把想法告訴學生,一起大膽假設、小心求證,尋找能夠在微觀環境下把兩個孔慢慢誘導過來的材料,再通過化學作用合在一起。這項研究,目前也已取得初步成果。

趙東元出生於瀋陽一個普通工人家庭,沒有接受過什麼特別的訓練,但他從小就喜歡刨根問底,夢想長大成為一名科學家。因此,他也特別鼓勵青年大學生和青少年敢於“異想天開”。

因此,即便工作再忙,他也沒有放下科普。從為中學生開講座、錄製網課,到主編《十萬個為什麼(第六卷)》,但凡能給青年人帶去啟發的事,他一件也沒有落下。

他從不為學生設限。平時指導學生科研,他會給個大方向, 但不會告訴學生具體怎麼去做,鼓勵學生自由探索。顧棟記得,自己有次為了投一篇文章,在國外聯繫趙老師,沒想到老師立刻回覆,那時國內已是淩晨一兩點鍾。

當年,顧棟從歷史系轉專業、選趙東元做導師,趙東元非但不拒絕還表示歡迎。“交叉融合會帶來新的活力,這個領域才能不斷髮展。對一個學生的成長來說也是如此,如果局限在一個窄面,那就沒了發展。”趙東元還堅持為本科生上《普通化學》17年,一週兩次課,他幾乎從未缺席。即使前一天還在外地開會,他也一定連夜飛回來上課。

在趙東元的栽培下,不少學生成長為教授——顧棟,武漢大學高等研究院教授;李偉,複旦大學化學系教授;田博之,美國芝加哥大學傑出教授。

趙東元說,科學家一定得後繼有人,科學事業才能不斷髮展,而宣揚科學是科學家的職責。在他看來,一個教授的職責就在於八個字——創造知識、傳授知識。

殷夢昊 中青報·中青網記者 王燁捷 來源:中國青年報

2021年11月04日 04 版

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