他們是在奈米材料上造孔的“魔法師”


◎ 科技日報記者 代小佩

蜜蜂住在蜂窩裡,人類曾穴居於洞中,蓮蓬裹著蓮子,細密的漁網罩住了魚,熱水從花灑中傾瀉,火車從山間隧道中呼嘯而過……這些看似沒有關聯的事物有一個共同點,即對“孔”的功能利用。不管是用於過濾,還是作為傳輸通道或儲存空間,形形色色的孔讓自然界和人類社會的樣貌有了更多可能。

有幾位科學家,他們像魔法師一樣在奈米尺度上造各種各樣的孔,因為造孔出色還獲得大獎。11月3日,由中國科學院院士、復旦大學化學系教授趙東元領銜完成的“有序介孔高分子和碳材料的創制和應用”獲得2020年度國家自然科學獎一等獎。


開拓:在有機高分子材料上造孔

搞清楚這項研究前,先說說什麼是“介孔”。根據國際純粹與應用化學聯合會的定義,孔徑小於2奈米的孔稱為微孔,大於50奈米稱為大孔,而孔徑介於2-50奈米之間的稱為介孔。介孔材料,顧名思義,是指孔徑為2-50奈米的多孔結構材料。

相比塊體材料,介孔材料具有高的比表面積、大的孔徑和孔容,可以搭載更多活性物質,實現更快的物質輸運,在能源、環境、安全、生物醫藥等領域有廣泛的應用。

1998年,趙東元回國任教於復旦大學化學系,帶著5個本科生,開始了對功能介孔材料創制和合成的研究。


1999年趙東元和李全芝、Andre Stein、黃立民在復旦大學校門前

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彼時,自組裝合成的介孔材料都是無機非金屬或金屬組成,這種介孔材料存在脆性大、密度高、不易加工、不可降解等缺點。趙東元琢磨:整個介孔材料都侷限於無機組成,能不能創造一種有機的高分子材料,又軟又輕又好用,還能為國民經濟創造價值?

有前人嘗試過,但沒有成功。因為高分子和碳的形成是一個聚合的過程,在這樣的材料中造孔,很難控制。具體來說,高分子前驅體與模板相互作用弱,難以組裝形成有序介孔結構,同時,高分子前驅體和模板組成相似,難以去除模板形成介孔結構。此外,高分子前驅體熱穩定性差,存在難以轉化成有序介孔碳材料等難題。

實驗初期,趙東元的科研團隊屢戰屢敗,有成員在實驗筆記上記錄:“得到的不是有序的介孔結構,而是抱團的奈米粒子……”。研究開始後三年內,團隊在這方面進展緩慢。


2000年攝於復旦大學邯鄲校區化學西樓

2003年10月,終於迎來轉機。一名本科生提出,在製作介孔高分子的過程中,把高分子先聚再合成,這一反常規的操作大大簡化了實驗步驟,成功獲得了一組非常漂亮的資料。

2005年,趙東元團隊在《德國應用化學》發表文章,首次提出有機—有機自組裝的新方法,一種全新的介孔材料——有序介孔高分子和碳材料,由此誕生。截至目前,他們圍繞有序介孔高分子和碳材料的創制和應用研究發表的8篇代表性研究論文,共被他引3825次。

韓國科學與工程院院士RyongRyoo在關於介孔材料起源的論述中,將軟模板合成有序介孔高分子材料作為幾類介孔材料典型代表之一,稱其開拓了奈米科學的新方向。

造夢:在介孔材料領域掀起革命

這項研究在高分子和碳材料領域掀起了一場革命。

據統計,趙東元團隊提出的有機-有機自組裝新思想及由此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,共發表近4.2萬篇論文,引領了國際介孔材料領域的發展。

基礎研究之花也在應用中結出碩果。由於有序介孔高分子和碳材料具有輕、柔、易加工、可降解等優點,可應用於新能源、石油化工、環境治理、物質輸運、電子器件、生物醫學等領域,相關產品銷售額已超過億元。

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趙東元說,應用介孔材料的印刷電路板已投入生產,利用介孔材料超大表面積製作超級電容器的研究正逐步推進,介孔液體的創制也在緊鑼密鼓進行中。專案主要完成人之一李偉稱,團隊還致力於精細化合成有序介孔高分子和碳材料,“希望未來能像搭樂高一樣隨心所欲地在奈米材料上造形形色色的孔。”

這支團隊有著天馬行空的想象力,也有腳踏實地的造夢能力。“年輕人,要有頭腦,更要勤勉。”趙東元剛回國幾乎每週工作80小時,經常連續十幾個小時泡在實驗室,有時吃飯也不忘討論學術。35歲的李偉跟著趙東元做研究已有14年,他說,“趙老師是恩師,也如父親般言傳身教。他勤勞、學術嚴謹,而且充滿熱情,啟發著我們年輕人從事前沿的基礎科學研究。”

提到年輕人做基礎研究,李偉結合自身經歷談到:“要熱愛、專注、堅持,不怕坐冷板凳,瞄準一個目標鉚足勁兒衝。‘四個面向’對科技工作者提出了具體要求,每個人都能從中找到可以發光發熱的地方。”趙東元寄語年輕人,不要有太多幻想,像螞蟻一樣幹活,腳踏實地做好每件事就行了。


趙東元指導研究生工作

此次,基礎科學研究在國家科學技術獎勵大會上多點開花。趙東元表示,經過改革開放40多年的發展和積累,基礎研究成果豐碩是必然,其中不乏引領性、開創性的工作。“但我國基礎研究領域還有很多方面需要追趕。我建議營造全民崇尚科學的氛圍和寬鬆的科研環境,弘揚解放思想、大膽探索、批判質疑精神,讓思想不斷碰撞。”趙東元說,接下來他會花大部分精力推動介孔材料相關研究成果投入應用,再多做些科普。

來源:科技日報 圖片均由復旦大學提供

編輯:張琦琪

稽覈:嶽靚

終審:劉海英

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