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“小孔”造出“大世界”

来源:中国教育报2024-06-21 09:16

  复旦大学创制有序介孔高分子和碳材料 ——

  “小孔”造出“大世界”

  本报记者 任朝霞

  团队研发有序介孔高分子材料并实现大规模制备,研究成果在大分子催化、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,目前已产生了显著经济效益

  ■科技创新 教育力量·高校科技创新成果巡礼

  “‘化’的甲骨文像两个人相互背对着,一上一下,一正一反,形象地表达变化之意。”

  “杜甫有诗云‘造化钟神秀,阴阳割昏晓’,用造化作为自然界的别称,是多么的浪漫啊。”

  ……

  结合甲骨文的字形和杜甫的诗句,中国科学院院士、复旦大学化学与材料学院院长赵东元教授谈起了他所从事的化学研究。在他看来,化学既是中心科学,也是一门合成的艺术,化学研究就是通过物质与物质之间的相互变化,创造出世界上原本没有的东西。

  “化学家要充满想象力,要有做探险家的能力。”赵东元自称“造孔之人”,20多年来,他带领团队专注功能介孔材料研究,提出并发展了多种介孔材料的合成方法,创制出一系列全新的介孔材料,相关成果被数十个国家和地区的千余家科研机构跟踪采用。

  1998年,时年35岁的赵东元结束在美国加州大学圣芭芭拉分校的博士后工作后,从美国洛杉矶直飞上海,选择复旦大学作为职业生涯的新起点,开启了对功能介孔材料创制与合成的研究。

  “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,是将介孔材料改性从而使其具有不同的功能。”赵东元介绍,介孔材料是20世纪发展起来的崭新的材料体系,具有规则排列、大小可调的孔道结构,极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。

  2001年左右,介孔材料还局限于无机材料。赵东元突发奇想:能不能创造一种有机的介孔高分子材料,又软又轻又好用,还能在国民经济中创造出非常高的价值?

  为了攻克这个难题,赵东元组建科研团队,苦战5年。在无数次的“乱撞”之后,团队终于迎来了突破性的进展。

  2005年,赵东元团队首次提出“有机—有机自组装”的新思想,基于酚醛树脂的挥发诱导自组装成功构筑了有序介孔高分子材料。这项研究成果被国际同行评价为“首次发现”、介孔材料领域“里程碑式”和“先驱”的进展等,至今已吸引60多个国家和地区的1500余家科研机构跟踪研究并效仿。

  “化学是离工业最近的一门基础学科,很多研究成果都能实现转化。”赵东元介绍,基础研究的突破,也为实际工业应用带来了无限可能。

  经过不断压缩成本,赵东元团队将科研成果投入工业化生产,开展介孔材料的大规模制备。比如,将介孔材料作为催化剂使用,能大大提高重油转化效率,全国推广后每年可增产约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。

  2021年11月3日,2020年度国家科学技术奖评选结果揭晓。赵东元领衔,李伟、邓勇辉、张凡等团队成员参与完成的“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”项目获国家自然科学奖一等奖。

  如今,赵东元团队将介孔材料研究发展到了又一个新高度,其构建过程包括从原子到分子,再到功能基元和器件的逐级组装,为前沿交叉学科的发展提供新范式。此外,他们还将介孔材料广泛应用于催化、储能、生物检测、化妆品、水处理、电子材料等诸多方面,创造出20种新型功能介孔材料。

  从一名年轻的科研人员到享誉国际的科学家,20多年来,赵东元一直坚守教学一线,为本科生讲授“普通化学”,多次被本科生、研究生评选为“我心目中的好老师”“我心目中的好导师”。

  “我不仅悉心指导青年教师和学生开展研究,更注重教导青年人要真正热爱科学研究,并在科学研究中为国家作贡献。”赵东元说。

  尽管化学领域的很多研究成果都能实现转化,但在赵东元看来,基础研究不能只考虑经济效益和应用价值,还应专注于提出问题和回答问题本身。

  去年11月,复旦大学成立相辉研究院,赵东元受聘为首任院长。研究院将聚焦攻关前瞻性、挑战性、高价值的关键科学难题,5—10年不考核,为人才“十年磨一剑”提供制度保障,着力营造宽容、开放、活跃、自由的学术环境。

  “通过基础研究,我们还在想象,随心所欲地去创造‘孔’。”赵东元表示,他期待与更多科学家并肩努力、心无旁骛,“让科学成为未来中国重要的文化基因,让科学伴随我们的梦想实现。”

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