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趙東元院士:沖進介孔材料化學研究的“無人區”

來源:上觀新聞   作者:彭德倩   2021-12-30
導讀:“那篇關鍵性論文只有薄薄七頁紙,是用無數次探索和失敗過程來寫成的,這是科研的進程,”趙東元說。

基礎科研領域,對原創性成果價值的評估有個硬指標:論文被引率,即作為專業文獻被其他研究者引用的次數,代表著原創的含金量。

日前,國家科學技術獎公布。中國科學院院士、復旦大學化學系教授趙東元和李偉教授等完成的《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,獲得國家自然科學獎一等獎。這也是時隔18年后,上??茖W家再獲此殊榮。

引人關注的是,這一成果作為該領域“里程碑式”和“先驅”的進展,趙東元院士連續八年被列為全球化學和材料領域高被引科學家,在介孔材料領域發表論文及引用率位列世界第一。

“整個合成過程非常復雜,就像是在一個黑箱子里亂撞。”談及研究,趙教授這樣說。這沉甸甸的千足金原創背后,有好奇心,有幸運,但更多的,是堅韌。

那篇關鍵性論文只有薄薄七頁紙

走進趙東元辦公室隔壁的陳列室,一本本泛黃的論文草稿和實驗筆記尤為珍貴,那上面留存著當年課題組成員的日積月累、殫精竭慮。其中,成員孟巖的博士論文《有序的有機高分子介孔材料的合成與結構》上這樣寫著: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……

“那篇關鍵性論文只有薄薄七頁紙,是用無數次探索和失敗過程來寫成的,這是科研的進程?!壁w東元說: “每天像小螞蟻一樣工作,日積月累后,就能得到豐厚的收獲。”

介孔材料是一種多孔材料,孔徑在2-50 納米。而功能化介孔材料,是將介孔材料改性而使其具有不同的功能。作為 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、高的比表面積和大的吸附容量,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。

“我就是一個造孔之人?!闭f起自己的研究,趙東元特別投入,“無論看到什么物體,我都會考慮如何在其上打孔,制備另一種新型介孔材料?!?/p>

催化劑的介孔材料,是20世紀發展起來的嶄新材料體系,具有廣泛的應用前景。趙東元先后發明了18種以復旦大學命名的新型納米介孔材料,引領了介孔材料的發展,在國際重要刊物上發表SCI論文500余篇,申請獲批中國專利授權39項。他同時擔任十幾種國際重要刊物的編委,在學界極具影響力。近年來他更是被國際ISI Web of Science公司列為100名全球引用率最高的化學家之一;被湯森路透社列為全球化學、材料兩個領域高被引科學家。

“創新就是不隨波逐流,多提問題。若是無解,那便可能是研究的方向?!壁w東元說,“我的生活全部是化學,讀大學時,凡是能在圖書館借到的有機化學書我全部看了一遍?!壁w東元把學術研究當作自己的生命,十幾年來,每周工作80小時以上。為了獲取實驗數據、跟蹤實驗進展,經常連續十幾個小時泡在實驗室里。

2001年左右,整個介孔材料都局限于無機材料。趙東元突發奇想:做了這么多無機介孔材料,能不能創造一種有機的高分子材料,又軟又輕又好用,還能在國民經濟中創造出非常高的價值。

前四年多時間,進展非常緩慢。一次不行,那就換一個方向,第二次,兩次不行,就三次、四次、千百次,趙東元帶領團隊始終堅持探索。

“介孔材料制備從有機到無機,專業上看是個大跨越,研究完成后回頭看,只是薄薄一張紙,捅破這張紙,我們用了近五年?!壁w教授常說,基礎研究,就是探索自然規律、用想象去敲未知的門,但創新沒有竅門,只有踏實一步步去走,去撞。

轉機來自一位復旦轉專業本科生顧棟,2003年10月7日,他用一種反常規的方法進行實驗,深夜測試得到一組非常漂亮的數據。打電話給老師趙東元時,喊了出來“成了!”

“顧棟非常聰明,他提出把高分子先聚再合成的做法,一下子把步驟從5個簡化成2個?!壁w東元在學生的啟發下打開了思路。接下來兩個月,大家緊鑼密鼓調節實驗參數、測試分析,年底就基本得到了所有數據。2005年,趙東元在有機-無機自組裝的基礎上首次提出有機-有機自組裝的新思想,并將實驗方法公之于眾。也將介孔材料化學研究,帶入了新的“無人區”。

隨著“門”被推開,已有60多個國家和地區的1500余家科研機構跟蹤研究,利用相似的方法研究介孔高分子和碳材料等,發表論文4萬多篇。趙東元的課題組中,成員們基于該項目成果發表論文200多篇,被引30000 余次。幾十年來,趙東元做科研身體力行,他還無私地把自己的心得傳遞到學生。復旦大學第一屆“校長獎”獲得者田博之是他的學生,3年讀研,以第一作者身份發表8篇SCI論文。

“不去闖無人區,不經歷失敗,就不會有成功 ?!彼f。

“喜歡,就能迸發出無窮的力量”

研發的每克介孔材料若鋪展開來,表面積可達3000平方米,材料性能的突破帶來更多應用創想。

經過不斷壓縮成本,趙東元團隊將科研成果投入到工業化生產,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,全國推廣后每年可助力企業增產約 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,在北京奧運會的 LED 路燈和上海世博會的電動汽車上都得到了示范性應用。此外,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。

而在民用方面,目前尚未實現,但趙東元早有了一番暢想:介孔材料在工業上已經作為絕緣和隔熱材料使用了,是不是將來也可能應用到衣物上呢?比如用納米孔制作衣服,既輕薄,保暖性又強。實際上,他們現在就正在做一種利用介孔高分子材料做成的液體。“將來抹在身上,薄薄一層,就能完全隔熱,你根本都看不出來,零下30℃都不怕!”他興奮說道。

“科學支撐著技術發展,科研不僅為了探索,也是為社會向上發展、國家強大提供助力?!睅е@樣的思考,趙東元教授的創新從未停止。 

有一次,他帶兒子去樂高世界玩,看到各種大型組裝構件,他便聯想:在微觀世界,能不能也用各種功能基元搭建形成孔洞?隨后便開辟了一個新的研究方向— —介孔材料合成方法學中的模塊化組裝。

曾有一次,趙東元課題組正在推進的研究方向,國外有團隊率先發表了論文,課題組成員有點情緒波動,他說,“沒關系,科學研究就是靠源源不斷的新想法、新思路,我們對材料有深刻理解,一定能做出更好的?!壁w東元看來,在激烈競爭中成長,同樣也是基礎研究的魅力所在。

很多學生發郵件請教他:到底具備什么條件,才能進您的實驗室工作?趙東元回:沒有別的,我唯一的條件就是你要愛科學,要有志于成為一名科學工作者?!翱蒲行枰愠两渲校枰阆矚g。能進復旦的學生,無論文科理科,我相信智力全都夠了,剩下的就看你是否真的喜歡。喜歡,就能迸發出無窮的力量。只要沉靜下來去思索,去刨根問底,總有一天會得到回報?!彼f。

很多自然科學大類的學生記得,剛進大學時,每周二下午的專業基礎課《普通化學》,主講老師正是趙東元,13年不輟?!皾饬蛩峥梢悦撍?,這是中學化學課就教過的知識,而在《普通化學》課上,我才知道這個簡單反應,在最先進的納米介孔材料制備技術中可以起到重要作用,宛如‘神來之筆’……”在校園論壇上,一位同學這樣寫道。趙東元在教學中注重啟發學生思維,善于將普通化學與現代化學研究前沿聯系起來,吸引一個個好苗子由此走進化學天地。一周兩次課,他幾乎從未缺席,即使前一天還在外地開會,也一定連夜飛回來。“專注細節”是研究生對趙東元的最深印象。博士生李曉民2011年入學面試時,趙東元的一句話令其至今難忘。“當時我們說到一張電子衍射圖,老師問‘為何會有那么多白點?’我一下子沒回答上來,雖然常見,可好像從來沒想過這個問題?!毙±钚χf,那時候感覺來對地方了。

不久前的上海國際科學藝術展上,一幅特別作品引人矚目——淡淡的水墨暈染下,一只蜻蜓立于水面荷葉上,倒影中,幾條魚兒互相追逐,輕泛起幾許暑意。這幅《初夏》作品,就是由現代化納米技術繪制而成。

“這幅作品是通過把納米粒子有序排列的科學研究電子顯微鏡組圖,再以中國傳統繪畫——水墨畫的形式進行再現,創作而成?!薄冻跸摹纷髡咧唬褪勤w東元。他說,圖畫的背后,是科學研究者希望把前沿的知識傳遞給更多人的心意。

莊子曰:天地有大美而不言。趙東元說,事實上,當到達了一定的境界之后,科學和藝術一樣,所接觸到的,正是這同樣的“天地大美”。《十萬個為什么(第六版)·化學卷》正是由他主編,工作再忙碌,肩頭的科普之責,從未放下。


參考資料:https://export.shobserver.com/baijiahao/html/436683.html

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