在納米材料上造孔的“魔法師”
——“有序介孔高分子和碳材料的創(chuàng)制和應(yīng)用”獲2020年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)

文／代小佩

蜜蜂住在蜂窩里，人類(lèi)曾穴居于洞中，蓮蓬裹著蓮子，細(xì)密的漁網(wǎng)罩住了魚(yú)，熱水從花灑中傾瀉，火車(chē)從山間隧道中呼嘯而過(guò)……這些看似沒(méi)有關(guān)聯(lián)的事物有一個(gè)共同點(diǎn)，即對(duì)“孔”的功能利用。不管是用于過(guò)濾，還是作為傳輸通道或儲(chǔ)存空間，形形色色的孔讓自然界和人類(lèi)社會(huì)的樣貌有了更多可能。

有幾位科學(xué)家，他們像魔法師一樣在納米尺度上造各種各樣的孔，因?yàn)樵炜壮錾€獲得大獎(jiǎng)。11月3日，由中國(guó)科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授趙東元領(lǐng)銜完成的“有序介孔高分子和碳材料的創(chuàng)制和應(yīng)用”獲得2020年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

開(kāi)拓：在有機(jī)高分子材料上造孔

搞清楚這項(xiàng)研究前，先說(shuō)說(shuō)什么是“介孔”。根據(jù)國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)的定義，孔徑小于2納米的孔稱(chēng)為微孔，大于50納米稱(chēng)為大孔，而孔徑介于2-50納米之間的稱(chēng)為介孔。介孔材料，顧名思義，是指孔徑為2-50納米的多孔結(jié)構(gòu)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(zhì)，實(shí)現(xiàn)更快的物質(zhì)輸運(yùn)，在能源、環(huán)境、安全、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

1998年，趙東元回國(guó)任教于復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系，帶著5個(gè)本科生，開(kāi)始了對(duì)功能介孔材料創(chuàng)制和合成的研究。

彼時(shí)，自組裝合成的介孔材料都是無(wú)機(jī)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(diǎn)。趙東元琢磨：整個(gè)介孔材料都局限于無(wú)機(jī)組成，能不能創(chuàng)造一種有機(jī)的高分子材料，又軟又輕又好用，還能為國(guó)民經(jīng)濟(jì)創(chuàng)造價(jià)值？

有前人嘗試過(guò)，但沒(méi)有成功。因?yàn)楦叻肿雍吞嫉男纬墒且粋€(gè)聚合的過(guò)程，在這樣的材料中造孔，很難控制。具體來(lái)說(shuō)，高分子前驅(qū)體與模板相互作用弱，難以組裝形成有序介孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)，高分子前驅(qū)體和模板組成相似，難以去除模板形成介孔結(jié)構(gòu)。此外，高分子前驅(qū)體熱穩(wěn)定性差，存在難以轉(zhuǎn)化成有序介孔碳材料等難題。

實(shí)驗(yàn)初期，趙東元的科研團(tuán)隊(duì)屢戰(zhàn)屢敗，有成員在實(shí)驗(yàn)筆記上記錄：“得到的不是有序的介孔結(jié)構(gòu)，而是抱團(tuán)的納米粒子……”。研究開(kāi)始后三年內(nèi)，團(tuán)隊(duì)在這方面進(jìn)展緩慢。

2003年10月，終于迎來(lái)轉(zhuǎn)機(jī)。一名本科生提出，在制作介孔高分子的過(guò)程中，把高分子先聚再合成，這一反常規(guī)的操作大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟，成功獲得了一組非常漂亮的數(shù)據(jù)。

2005年，趙東元團(tuán)隊(duì)在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》發(fā)表文章，首次提出有機(jī)—有機(jī)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(chuàng)制和應(yīng)用研究發(fā)表的8篇代表性研究論文，共被他引3825次。

韓國(guó)科學(xué)與工程院院士RyongRyoo在關(guān)于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(lèi)介孔材料典型代表之一，稱(chēng)其開(kāi)拓了納米科學(xué)的新方向。

造夢(mèng)：在介孔材料領(lǐng)域掀起革命

這項(xiàng)研究在高分子和碳材料領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)革命。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，趙東元團(tuán)隊(duì)提出的有機(jī)-有機(jī)自組裝新思想及由此產(chǎn)生的介孔高分子和碳材料已被60多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的1500余家科研機(jī)構(gòu)采用和研究，共發(fā)表近4.2萬(wàn)篇論文，引領(lǐng)了國(guó)際介孔材料領(lǐng)域的發(fā)展。

基礎(chǔ)研究之花也在應(yīng)用中結(jié)出碩果。由于有序介孔高分子和碳材料具有輕、柔、易加工、可降解等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于新能源、石油化工、環(huán)境治理、物質(zhì)輸運(yùn)、電子器件、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，相關(guān)產(chǎn)品銷(xiāo)售額已超過(guò)億元。

趙東元說(shuō)，應(yīng)用介孔材料的印刷電路板已投入生產(chǎn)，利用介孔材料超大表面積制作超級(jí)電容器的研究正逐步推進(jìn)，介孔液體的創(chuàng)制也在緊鑼密鼓進(jìn)行中。項(xiàng)目主要完成人之一李偉稱(chēng)，團(tuán)隊(duì)還致力于精細(xì)化合成有序介孔高分子和碳材料，“希望未來(lái)能像搭樂(lè)高一樣隨心所欲地在納米材料上造形形色色的孔。”

這支團(tuán)隊(duì)有著天馬行空的想象力，也有腳踏實(shí)地的造夢(mèng)能力?！澳贻p人，要有頭腦，更要勤勉?！壁w東元?jiǎng)偦貒?guó)幾乎每周工作80小時(shí)，經(jīng)常連續(xù)十幾個(gè)小時(shí)泡在實(shí)驗(yàn)室，有時(shí)吃飯也不忘討論學(xué)術(shù)。35歲的李偉跟著趙東元做研究已有14年，他說(shuō)，“趙老師是恩師，也如父親般言傳身教。他勤勞、學(xué)術(shù)嚴(yán)謹(jǐn)，而且充滿(mǎn)熱情，啟發(fā)著我們年輕人從事前沿的基礎(chǔ)科學(xué)研究。”

提到年輕人做基礎(chǔ)研究，李偉結(jié)合自身經(jīng)歷談到：“要熱愛(ài)、專(zhuān)注、堅(jiān)持，不怕坐冷板凳，瞄準(zhǔn)一個(gè)目標(biāo)鉚足勁兒沖?！膫€(gè)面向’對(duì)科技工作者提出了具體要求，每個(gè)人都能從中找到可以發(fā)光發(fā)熱的地方。”趙東元寄語(yǔ)年輕人，不要有太多幻想，像螞蟻一樣干活，腳踏實(shí)地做好每件事就行了。

此次，基礎(chǔ)科學(xué)研究在國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上多點(diǎn)開(kāi)花。趙東元表示，經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放40多年的發(fā)展和積累，基礎(chǔ)研究成果豐碩是必然，其中不乏引領(lǐng)性、開(kāi)創(chuàng)性的工作?！暗覈?guó)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域還有很多方面需要追趕。我建議營(yíng)造全民崇尚科學(xué)的氛圍和寬松的科研環(huán)境，弘揚(yáng)解放思想、大膽探索、批判質(zhì)疑精神，讓思想不斷碰撞。”趙東元說(shuō)，接下來(lái)他會(huì)花大部分精力推動(dòng)介孔材料相關(guān)研究成果投入應(yīng)用，再多做些科普。