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把梦想变现实 这群“魔法师”在纳米材料上造孔——记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

来源:科技日报   记者 代小佩   2021-11-04
导读:11月3日,由中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元领衔完成的“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”获得2020年度国家自然科学奖一等奖。

蜜蜂住在蜂窝里,人类曾穴居于洞中,莲蓬裹着莲子,细密的渔网罩住了鱼,热水从花洒中倾泻,火车从山间隧道中呼啸而过……这些看似没有关联的事物有一个共同点,即对“孔”的功能利用。不管是用于过滤,还是作为传输通道或储存空间,形形色色的孔让自然界和人类社会的样貌有了更多可能。

有几位科学家,他们像魔法师一样在纳米尺度上造各种各样的孔,因为造孔出色还获得大奖。11月3日,由中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元领衔完成的“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”获得2020年度国家自然科学奖一等奖。

开拓:在有机高分子材料上造孔

搞清楚这项研究前,先说说什么是“介孔”。根据国际纯粹与应用化学联合会的定义,孔径小于2纳米的孔称为微孔,大于50纳米称为大孔,而孔径介于2-50纳米之间的称为介孔。介孔材料,顾名思义,是指孔径为2-50纳米的多孔结构材料。

相比块体材料,介孔材料具有高的比表面积、大的孔径和孔容,可以搭载更多活性物质,实现更快的物质输运,在能源、环境、安全、生物医药等领域有广泛的应用。

1998年,赵东元回国任教于复旦大学化学系,带着5个本科生,开始了对功能介孔材料创制和合成的研究。

彼时,自组装合成的介孔材料都是无机非金属或金属组成,这种介孔材料存在脆性大、密度高、不易加工、不可降解等缺点。赵东元琢磨:整个介孔材料都局限于无机组成,能不能创造一种有机的高分子材料,又软又轻又好用,还能为国民经济创造价值?

有前人尝试过,但没有成功。因为高分子和碳的形成是一个聚合的过程,在这样的材料中造孔,很难控制。具体来说,高分子前驱体与模板相互作用弱,难以组装形成有序介孔结构,同时,高分子前驱体和模板组成相似,难以去除模板形成介孔结构。此外,高分子前驱体热稳定性差,存在难以转化成有序介孔碳材料等难题。

实验初期,赵东元的科研团队屡战屡败,有成员在实验笔记上记录:“得到的不是有序的介孔结构,而是抱团的纳米粒子……”。研究开始后三年内,团队在这方面进展缓慢。

2003年10月,终于迎来转机。一名本科生提出,在制作介孔高分子的过程中,把高分子先聚再合成,这一反常规的操作大大简化了实验步骤,成功获得了一组非常漂亮的数据。

2005年,赵东元团队在《德国应用化学》发表文章,首次提出有机—有机自组装的新方法,一种全新的介孔材料——有序介孔高分子和碳材料,由此诞生。截至目前,他们围绕有序介孔高分子和碳材料的创制和应用研究发表的8篇代表性研究论文,共被他引3825次。

韩国科学与工程院院士RyongRyoo在关于介孔材料起源的论述中,将软模板合成有序介孔高分子材料作为几类介孔材料典型代表之一,称其开拓了纳米科学的新方向。

造梦:在介孔材料领域掀起革命

这项研究在高分子和碳材料领域掀起了一场革命。

据统计,赵东元团队提出的有机-有机自组装新思想及由此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,共发表近4.2万篇论文,引领了国际介孔材料领域的发展。

基础研究之花也在应用中结出硕果。由于有序介孔高分子和碳材料具有轻、柔、易加工、可降解等优点,可应用于新能源、石油化工、环境治理、物质输运、电子器件、生物医学等领域,相关产品销售额已超过亿元。

赵东元说,应用介孔材料的印刷电路板已投入生产,利用介孔材料超大表面积制作超级电容器的研究正逐步推进,介孔液体的创制也在紧锣密鼓进行中。项目主要完成人之一李伟称,团队还致力于精细化合成有序介孔高分子和碳材料,“希望未来能像搭乐高一样随心所欲地在纳米材料上造形形色色的孔。”

这支团队有着天马行空的想象力,也有脚踏实地的造梦能力。“年轻人,要有头脑,更要勤勉。”赵东元刚回国几乎每周工作80小时,经常连续十几个小时泡在实验室,有时吃饭也不忘讨论学术。35岁的李伟跟着赵东元做研究已有14年,他说,“赵老师是恩师,也如父亲般言传身教。他勤劳、学术严谨,而且充满热情,启发着我们年轻人从事前沿的基础科学研究。”

提到年轻人做基础研究,李伟结合自身经历谈到:“要热爱、专注、坚持,不怕坐冷板凳,瞄准一个目标铆足劲儿冲。‘四个面向’对科技工作者提出了具体要求,每个人都能从中找到可以发光发热的地方。”赵东元寄语年轻人,不要有太多幻想,像蚂蚁一样干活,脚踏实地做好每件事就行了。

此次,基础科学研究在国家科学技术奖励大会上多点开花。赵东元表示,经过改革开放40多年的发展和积累,基础研究成果丰硕是必然,其中不乏引领性、开创性的工作。“但我国基础研究领域还有很多方面需要追赶。我建议营造全民崇尚科学的氛围和宽松的科研环境,弘扬解放思想、大胆探索、批判质疑精神,让思想不断碰撞。”赵东元说,接下来他会花大部分精力推动介孔材料相关研究成果投入应用,再多做些科普。

参考资料:http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/2021-11/03/content_1229809.shtml


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