造孔之术赋能微观世界——探秘国家自然科学奖一等奖“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”
11月3日，复旦大学赵东元院士团队获得2020年度国家自然科学奖一等奖。复旦大学供图
“我们研发的介孔碳材料，1克的表面积可以达到3000平方米，2克就能铺满一个足球场。”中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元说。
被国际同行认为开拓了纳米科学的新方向，引领了国际相关领域研究和发展……11月3日，赵东元团队因在有序介孔高分子和碳材料的创制和应用上的开创性贡献，获得2020年度国家自然科学奖一等奖。
在介孔材料的“无人区”插上中国旗帜
若说起海绵、珊瑚、活性炭，你一定不陌生。它们的共同特点，就是身上排布着大量的孔洞。这些孔洞，意味着更大的比表面积、更低的密度、更好的渗透性和吸附性……
在微观世界中，孔径在2纳米至50纳米的介孔材料，自诞生以来便成为学界竞相研究的热点前沿领域。它所具备的一系列特性，在能源、健康、信息、环境等众多行业具有广泛的应用前景。
此前，国际化学界的相关研究都局限在容易合成的无机介孔材料上，而作为材料另一重要组成的高分子和碳能否实现“造孔”，一直是鲜有人问津的“无人区”。
经过大胆想象和辛苦钻研，赵东元团队首次实现了有序介孔高分子和碳材料的创制，被国际同行认为是介孔材料领域“里程碑式”和“先驱性”的进展。
单胶束基元定向组装规律合成不同微纳结构介孔高分子和碳材料。复旦大学供图
近20年时间，赵东元团队提出的有机—有机自组装思想及产生的介孔高分子和碳材料已被60多个国家和地区的1500余家科研机构采用和研究，引领了国际介孔材料领域的发展。
“把研究真正用在国家需要的地方。”基于这一研究，赵东元团队分工协作，向材料合成、催化、储能等多方向持续突破，在能源转化、电子器件、生物医药等领域产生了一批重要应用成果——
将渣油和重质油进一步催化裂化为轻质油，中石化56万吨级的中试装置运行3年效果显著；采用介孔材料制作的印刷电路板，绝缘性提高近50%，已经实现了每年千吨级生产；靶向药物和不对称药物合成的介孔催化剂也已被开发出来……
创新是从锚定方向到灵光一闪
“别人都做无机，我们能不能做有机？既然原理一样，一定可以做出来。”20年前，闪现在赵东元脑海的这个问题，成为一切的开端。
赵东元把这个想法称为“拍脑袋的科学幻想”。那时，他刚刚结束在美国的博士后工作，回国进入复旦大学任教，一门心思要在祖国大地上做自己最喜欢的科研。
相比于更易控制的无机介孔材料，有机高分子和碳材料有着轻质、柔软、易加工等优势，但其合成过程步骤多、难度大，复杂程度让国内外材料学家们束手无策。
招学生、组团队，提想法、做试验。将近3年过去，记录下的是一次次失败。“就像是在一个黑箱子里乱撞。”但深厚的学科积累和敏锐的洞察力让赵东元无比坚定，“实验科学就是需要不断探索，不断去试。”
赵东元院士（中）在指导学生做实验。复旦大学供图
转机发生于团队的一个“脑洞”：能不能让复杂的问题简单化，把合成过程拆分，分步组装？循着这个思路，团队从酚醛树脂这一古老的高分子入手，开启新一轮试验。
赵东元至今还清晰记得，2003年一个深夜那通突然的来电。电话那头是学生顾栋激动的声音：形成有序介孔了！
科学的大门一旦开启，便一通百通。有序高分子和介孔碳成功合成后，团队继续提出了有机—有机自组装思想，建立了系统的合成方法，创制了一系列全新的有序介孔高分子和碳材料……
十多年来，赵东元团队创造的19种新型介孔材料，全部以 FDU(复旦大学)命名。这些新型介孔材料已经进行了千吨级生产，为国内外研究单位提供实验试剂，促进了产业的发展。
痴迷科研 他想为万物“造孔”
44岁就当选中科院院士，在介孔材料领域发表论文及引用率世界领先……赵东元把荣誉和光环看得很淡，谈到科研时，却永远眼里闪着光。
“大胆去想，严谨求证。基础研究的魅力就是创新，一做出好结果就高兴！”在介孔材料领域“泡”了30多年，他身上的那股劲头和热情一如昨日。
在赵东元眼中，世界就像一个巨大的“造孔”实验室。一次，陪孩子去乐高世界玩，那些漂亮生动的组装构件，又在赵东元的脑中激起了水花：在微观世界，能不能也用各种功能基元搭建形成孔洞？由此，他又开辟出了一个新的研究方向。
赵东元院士为本科生授课。复旦大学供图
赵东元说，基础研究最需要投入和专注，但不是一定要坐在桌前埋头苦思，“当你真正沉浸其中，日常生活中任何事物都可以成为科学创造的灵感。”
“我总是看到任何一个东西都在想‘能不能造孔’？这已经成了职业病。我真想把万物都造成孔，赋予它们更多的功能！”沉浸在畅想中，赵东元的语气兴奋起来。
“我跟随赵老师这14年里，他一直带着我们不断创新。”团队成员、复旦大学教授李伟说，接下来，他们将继续探索海水发电、介孔液体材料等领域，“也许在不久的将来，介孔液体材料作为石油催化剂可以注入地下实现高效催化，抽出来的就是汽柴油。或是做成绝热材料，薄薄涂在身上，就能实现夏天隔热、冬天保温。”
记者：温竞华、董雪
编辑：王薇、冷彦彦
来源：新华社
