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                                    這項研究開拓了納米科學的新方向

                                    新聞來源:新華網      

                                    更新時間:2021-11-15 10:05:29

                                    責任編輯:任楓楓


                                      國家自然科學獎一等獎項目“有序介孔高分子和碳材料的創制和應用”

                                      這項研究開拓了納米科學的新方向(2020年度國家科技獎獲獎項目巡禮(下))

                                      趙東元指導學生實驗。 復旦大學供圖

                                      有這樣一種神奇的材料,被應用在5G手機的電路板中,能讓5G手機的工業化生產成為可能;在催化領域,它能把重質的原油轉化成汽柴油;它還可以用來制造新能源電池,做精細化工的藥物中間體催化劑、吸附污水中的雜質……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年度國家科學技術獎揭曉。由中國科學院院士、復旦大學化學系教授趙東元領銜,李偉、鄧勇輝、張凡等團隊成員完成的“有序介孔高分子和碳材料的創制和應用”項目,獲國家自然科學獎一等獎。

                                      作為我國基礎研究領域的最高獎項,國家自然科學獎一等獎備受矚目。記者日前走近“有序介孔高分子和碳材料的創制和應用”項目團隊,從“微觀層面、納米尺度”上感受我國自主創新的律動。

                                      神奇的介孔材料,在眾多領域具有廣泛的應用前景

                                      有個詞叫作“無孔不入”,大多數人對“孔材料”也不陌生。比如,自然界中的棉花、蜂巢,我們經常用到的干燥劑、活性炭等,都是“孔材料”。而介孔材料是20世紀發展起來的嶄新的材料體系,它具有規則排列、大小可調的孔道結構,高比表面積和大吸附容量等特點,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。

                                      孔材料的創造離不開化學,離不開分子自組裝,這是自然界的普遍現象?!氨热缛梭w的核酸、細胞膜,都是通過一些分子‘組裝’起來的,構成了萬物的基礎?!壁w東元認為,“介孔材料之所以能夠有這么多神奇的作用,是因為在這個尺度上,它具有更大的孔徑和更快的傳質速率,材料能夠產生特殊的納米效應。因為它們有孔,在這樣的孔里面我們就可以干很多事情?!?/p>

                                      在2001年以前,整個介孔材料都局限于無機材料,缺點是脆性大、密度高、不易加工、不可降解等。當時,做了多年無機介孔材料研究的趙東元突發奇想:能不能創造出一種有機的高分子材料來呢?

                                      “我們學習了自然界的自組裝現象,在這個基礎上做了氧化硅這樣一些無機化合物的介孔材料。但是,材料的另一重要組成是高分子和碳,這些材料在國民經濟中占據著舉足輕重的地位。只有打開這扇門,才能讓介孔材料延伸出更多可能?!壁w東元說。

                                      “有序介孔高分子和碳材料的創制和應用”項目原創性提出了有機—有機自組裝思想,創制了有序功能介孔高分子和碳材料,揭示了介孔獨特的物質輸運和界面反應規律;實現了介孔碳材料的規?;a,推廣應用于催化、儲能等領域。國際學術界評價:這項研究開拓了納米科學的新方向,是“里程碑式”的重要進展。

                                      做出“無中生有”的材料絕非易事,團隊苦戰多年終有所獲

                                      為了攻克這一難題,趙東元組建起科研團隊。然而,想做出“無中生有”的材料絕非易事。前幾年,項目進展緩慢,少有成果產出。趙東元回憶:“我們率先提出有機高分子‘自組裝’這樣一個全新的思想,合成介孔電木(酚醛樹脂,一種非?!爬稀母叻肿硬牧希?,但是整個合成過程非常復雜,就像在一個‘黑箱子’里亂撞?!眻F隊成員孟巖的博士論文里清楚地記錄著:“起初,實驗怎么也做不出介孔,做出的全都是抱團的納米粒子……”

                                      “這樣一個復雜問題,能不能簡單化?形成高分子這樣的自組裝過程,是否可以分步來進行?”趙東元指導學生,用一種反常規的方法進行實驗。功夫不負有心人,2003年10月,團隊終于測試到了一組非常漂亮的數據?!拔业膶W生顧棟一看到結果就十分激動,半夜給我打電話。應該說我們還是非常幸運的……”趙東元回憶道。

                                      接下來的兩個月,趙東元帶領團隊緊鑼密鼓地開展實驗,調節參數、測試分析,年底就基本得到了所有數據。2005年,趙東元發表文章,在國際上率先提出了有機—有機自組裝新思想,并公布了實驗方法。至今,已有60多個國家和地區的1500多家科研機構開展跟蹤研究,利用相似的方法研究介孔高分子和碳材料等,發表論文4萬余篇,引領了國際介孔材料領域的發展。

                                      此后,趙東元帶領團隊建立了體系化的合成方法學,創制了一系列不同孔徑、形貌、組成、孔道結構的有序介孔高分子和碳材料;提出了多元協同共組裝新策略,實現了介孔高分子和碳材料功能的精確調控,將多種功能普適性地引入高分子和碳材料中,創制了全新功能介孔復合材料;揭示了介孔獨特的物質輸運和界面反應規律,解決了微孔傳質限制和大孔活性位點少的難題,完成了高比容量、高功率和長循環穩定性電化學儲能器件,為獨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筑奠定了基礎,創造了巨大的經濟效益。

                                      天生我“材”必有用,做一個拿著“鑿子”在微觀世界里造孔的人

                                      經過不斷壓縮成本,趙東元團隊已將科研成果投入工業化生產,并開展大規模制備。比如:將介孔材料作為催化劑使用,大大提高重油轉化效率,全國推廣后每年可增產約150萬噸的高質量油品;將介孔碳和介孔高分子噸級生產,運用于超級電容器,在LED路燈和電動汽車上都得到了示范性應用。此外,成果還在生物檢測、環境處理、電子材料等諸多方面得到廣泛應用。趙東元始終堅信,天生我“材”必有用:“化學是離工業很近的一門基礎學科,很多成果都能實現轉化?!?/p>

                                      趙東元一直自稱“是一個拿著‘鑿子’,在微觀世界里造孔的人”。研究多年,他甚至養成了一種“職業病”——平日里但凡看到什么材料,都想把它打成孔?!霸?0年的研究過程中,這個團隊就是在一直不停地創新?!眻F隊成員、復旦大學化學系教授李偉說。

                                      趙東元記得,自己剛回國的時候,國內的科研條件與國外的差距很大。復旦大學提供了3萬元的科研經費,趙東元咬咬牙買了一臺電腦。實驗條件簡陋,沒有高壓反應釜,他就拿塑料瓶代替。

                                      “如今,我們的科研條件非常好。搞基礎研究要有一股崇尚科學的精神,青年科學家更要解放思想、鉆研求證,有甘坐冷板凳的精神?!壁w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,常連續十幾個小時泡在實驗室?!爸形绱蠹乙黄鸪燥埖乃槠瑫r間,趙老師也常常討論學術的問題?!崩顐フf。在學生眼里,趙東元是一個像介孔材料一樣,有著強大“吸附能力”的老師,經常和學生們“打成一片”。

                                      李偉記得,當年吸引他投身這項研究的,就是趙東元在一場學術報告中展示的美輪美奐的介孔材料。在教書育人方面,趙東元從不為學生設限,積極鼓勵大家自由探索,但每一篇論文,他都會嚴格把關。

                                      “我們的文章,經過趙老師修改后,經常滿篇都是紅筆標注,甚至中英文標點符號、單位符號,他都會仔細修訂?!崩顐ビ浀?,趙老師回郵件非???,不管身在何處,學生的論文他都是一個字一個字修改后才準投稿。正是在這樣幾乎苛刻的要求下,趙東元指導的研究生曾3次獲評全國百篇優秀博士論文,如今團隊不少成員都成長為科研骨干。

                                      除了帶研究生,趙東元還會為本科生講授普通化學課,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,他也一定要連夜趕回學校。

                                      為了普及科學知識,趙東元還為中學生錄制網課,甚至他還擔任《十萬個為什么(第六版)》的《化學》分冊主編,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;如果用在醫療領域,或許能讓韌帶順著它重新生長;介孔材料上做出“離子通道”,就能實現海水發電……在這肉眼看不見的介孔微觀世界里,他們的創新之路正越走越寬闊。(記者 谷業凱)

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