欢迎来到化学加!萃聚英才,共享化学!化学加,加您更精彩!客服热线:400-8383-509

专业的精细化工医药产业资源供需及整合平台

赵东元院士:冲进介孔材料化学研究的“无人区”

来源:上观新闻   作者:彭德倩   2021-12-30
导读:“那篇关键性论文只有薄薄七页纸,是用无数次探索和失败过程来写成的,这是科研的进程,”赵东元说。

基础科研领域,对原创性成果价值的评估有个硬指标:论文被引率,即作为专业文献被其他研究者引用的次数,代表着原创的含金量。

日前,国家科学技术奖公布。中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元和李伟教授等完成的《有序介孔高分子和碳材料的创制和应用》项目,原创性提出了有机-有机自组装思想,创制了有序功能介孔高分子和碳材料,揭示了介孔独特的物质输运和界面反应规律,获得国家自然科学奖一等奖。这也是时隔18年后,上海科学家再获此殊荣。

引人关注的是,这一成果作为该领域“里程碑式”和“先驱”的进展,赵东元院士连续八年被列为全球化学和材料领域高被引科学家,在介孔材料领域发表论文及引用率位列世界第一。

“整个合成过程非常复杂,就像是在一个黑箱子里乱撞。”谈及研究,赵教授这样说。这沉甸甸的千足金原创背后,有好奇心,有幸运,但更多的,是坚韧。

那篇关键性论文只有薄薄七页纸

走进赵东元办公室隔壁的陈列室,一本本泛黄的论文草稿和实验笔记尤为珍贵,那上面留存着当年课题组成员的日积月累、殚精竭虑。其中,成员孟岩的博士论文《有序的有机高分子介孔材料的合成与结构》上这样写着:起初,实验怎么也做不出介孔,做出的全都是抱团的纳米粒子……

“那篇关键性论文只有薄薄七页纸,是用无数次探索和失败过程来写成的,这是科研的进程。”赵东元说: “每天像小蚂蚁一样工作,日积月累后,就能得到丰厚的收获。”

介孔材料是一种多孔材料,孔径在2-50 纳米。而功能化介孔材料,是将介孔材料改性而使其具有不同的功能。作为 20 世纪发展起来的崭新的材料体系,它具有规则排列、大小可调的孔道结构、高的比表面积和大的吸附容量,在大分子催化、吸附与分离、纳米组装及生物化学等众多领域具有广泛的应用前景。

“我就是一个造孔之人。”说起自己的研究,赵东元特别投入,“无论看到什么物体,我都会考虑如何在其上打孔,制备另一种新型介孔材料。”

催化剂的介孔材料,是20世纪发展起来的崭新材料体系,具有广泛的应用前景。赵东元先后发明了18种以复旦大学命名的新型纳米介孔材料,引领了介孔材料的发展,在国际重要刊物上发表SCI论文500余篇,申请获批中国专利授权39项。他同时担任十几种国际重要刊物的编委,在学界极具影响力。近年来他更是被国际ISI Web of Science公司列为100名全球引用率最高的化学家之一;被汤森路透社列为全球化学、材料两个领域高被引科学家。

“创新就是不随波逐流,多提问题。若是无解,那便可能是研究的方向。”赵东元说,“我的生活全部是化学,读大学时,凡是能在图书馆借到的有机化学书我全部看了一遍。”赵东元把学术研究当作自己的生命,十几年来,每周工作80小时以上。为了获取实验数据、跟踪实验进展,经常连续十几个小时泡在实验室里。

2001年左右,整个介孔材料都局限于无机材料。赵东元突发奇想:做了这么多无机介孔材料,能不能创造一种有机的高分子材料,又软又轻又好用,还能在国民经济中创造出非常高的价值。

前四年多时间,进展非常缓慢。一次不行,那就换一个方向,第二次,两次不行,就三次、四次、千百次,赵东元带领团队始终坚持探索。

“介孔材料制备从有机到无机,专业上看是个大跨越,研究完成后回头看,只是薄薄一张纸,捅破这张纸,我们用了近五年。”赵教授常说,基础研究,就是探索自然规律、用想象去敲未知的门,但创新没有窍门,只有踏实一步步去走,去撞。

转机来自一位复旦转专业本科生顾栋,2003年10月7日,他用一种反常规的方法进行实验,深夜测试得到一组非常漂亮的数据。打电话给老师赵东元时,喊了出来“成了!”

“顾栋非常聪明,他提出把高分子先聚再合成的做法,一下子把步骤从5个简化成2个。”赵东元在学生的启发下打开了思路。接下来两个月,大家紧锣密鼓调节实验参数、测试分析,年底就基本得到了所有数据。2005年,赵东元在有机-无机自组装的基础上首次提出有机-有机自组装的新思想,并将实验方法公之于众。也将介孔材料化学研究,带入了新的“无人区”。

随着“门”被推开,已有60多个国家和地区的1500余家科研机构跟踪研究,利用相似的方法研究介孔高分子和碳材料等,发表论文4万多篇。赵东元的课题组中,成员们基于该项目成果发表论文200多篇,被引30000 余次。几十年来,赵东元做科研身体力行,他还无私地把自己的心得传递到学生。复旦大学第一届“校长奖”获得者田博之是他的学生,3年读研,以第一作者身份发表8篇SCI论文。

“不去闯无人区,不经历失败,就不会有成功 。”他说。

“喜欢,就能迸发出无穷的力量”

研发的每克介孔材料若铺展开来,表面积可达3000平方米,材料性能的突破带来更多应用创想。

经过不断压缩成本,赵东元团队将科研成果投入到工业化生产,开展大规模制备。比如:将介孔材料作为催化剂使用,大大提高重油转化效率,全国推广后每年可助力企业增产约 150 万吨的高质量油品;将介孔碳和介孔高分子吨级生产,运用于超级电容器,在北京奥运会的 LED 路灯和上海世博会的电动汽车上都得到了示范性应用。此外,还在生物检测、环境处理、电子材料等诸多方面得到广泛应用。

而在民用方面,目前尚未实现,但赵东元早有了一番畅想:介孔材料在工业上已经作为绝缘和隔热材料使用了,是不是将来也可能应用到衣物上呢?比如用纳米孔制作衣服,既轻薄,保暖性又强。实际上,他们现在就正在做一种利用介孔高分子材料做成的液体。“将来抹在身上,薄薄一层,就能完全隔热,你根本都看不出来,零下30℃都不怕!”他兴奋说道。

“科学支撑着技术发展,科研不仅为了探索,也是为社会向上发展、国家强大提供助力。”带着这样的思考,赵东元教授的创新从未停止。 

有一次,他带儿子去乐高世界玩,看到各种大型组装构件,他便联想:在微观世界,能不能也用各种功能基元搭建形成孔洞?随后便开辟了一个新的研究方向— —介孔材料合成方法学中的模块化组装。

曾有一次,赵东元课题组正在推进的研究方向,国外有团队率先发表了论文,课题组成员有点情绪波动,他说,“没关系,科学研究就是靠源源不断的新想法、新思路,我们对材料有深刻理解,一定能做出更好的。”赵东元看来,在激烈竞争中成长,同样也是基础研究的魅力所在。

很多学生发邮件请教他:到底具备什么条件,才能进您的实验室工作?赵东元回:没有别的,我唯一的条件就是你要爱科学,要有志于成为一名科学工作者。“科研需要你沉浸其中,需要你喜欢。能进复旦的学生,无论文科理科,我相信智力全都够了,剩下的就看你是否真的喜欢。喜欢,就能迸发出无穷的力量。只要沉静下来去思索,去刨根问底,总有一天会得到回报。”他说。

很多自然科学大类的学生记得,刚进大学时,每周二下午的专业基础课《普通化学》,主讲老师正是赵东元,13年不辍。“浓硫酸可以脱水,这是中学化学课就教过的知识,而在《普通化学》课上,我才知道这个简单反应,在最先进的纳米介孔材料制备技术中可以起到重要作用,宛如‘神来之笔’……”在校园论坛上,一位同学这样写道。赵东元在教学中注重启发学生思维,善于将普通化学与现代化学研究前沿联系起来,吸引一个个好苗子由此走进化学天地。一周两次课,他几乎从未缺席,即使前一天还在外地开会,也一定连夜飞回来。“专注细节”是研究生对赵东元的最深印象。博士生李晓民2011年入学面试时,赵东元的一句话令其至今难忘。“当时我们说到一张电子衍射图,老师问‘为何会有那么多白点?’我一下子没回答上来,虽然常见,可好像从来没想过这个问题。”小李笑着说,那时候感觉来对地方了。

不久前的上海国际科学艺术展上,一幅特别作品引人瞩目——淡淡的水墨晕染下,一只蜻蜓立于水面荷叶上,倒影中,几条鱼儿互相追逐,轻泛起几许暑意。这幅《初夏》作品,就是由现代化纳米技术绘制而成。

“这幅作品是通过把纳米粒子有序排列的科学研究电子显微镜组图,再以中国传统绘画——水墨画的形式进行再现,创作而成。”《初夏》作者之一,就是赵东元。他说,图画的背后,是科学研究者希望把前沿的知识传递给更多人的心意。

庄子曰:天地有大美而不言。赵东元说,事实上,当到达了一定的境界之后,科学和艺术一样,所接触到的,正是这同样的“天地大美”。《十万个为什么(第六版)·化学卷》正是由他主编,工作再忙碌,肩头的科普之责,从未放下。


参考资料:https://export.shobserver.com/baijiahao/html/436683.html

声明:化学加刊发或者转载此文只是出于传递、分享更多信息之目的,并不意味认同其观点或证实其描述。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益,请作者持权属证明与本网联系,我们将及时更正、删除,谢谢。 电话:18676881059,邮箱:gongjian@huaxuejia.cn