造孔之人的“异想天开” 俗话说

俗话说，无孔不入。
就像不同身材的人只能通过不同尺寸的门，孔径大小决定了进入孔隙内部的分子大小，也决定了不同孔径尺寸下的多孔材料在各色领域发挥的作用将无可限量。
而对于赵东元这样的化学家来说， 23年来，他始终专注于多孔材料之一的介孔材料研究。
在刚刚落幕的国家科学技术奖励大会上，由中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元和教授李伟等完成的“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”项目荣获2020年度国家自然科学奖一等奖。
初遇材料界新星
生活里随处可见大大小小、天然而生的“孔” ，比如树木、硅藻土、蜂巢等，还有生命活动的基本单位——细胞，这些结构单元自发形成有序结构的现象，都离不开分子自组装。
大自然总是不断给予人类启发和灵感。上世纪40年代，科学家们开始通过化学自组装合成手段，制造出结构规整的多孔材料，以人造沸石分子筛为代表的无机多孔材料广受青睐，拥有均匀微孔的结晶态硅酸盐材料就常被用做高效干燥剂、选择性吸附剂和催化剂等。
“介孔材料是20世纪发展起来的崭新的材料体系，孔径在2至50纳米。”1998年，赵东元学成归国后从教，在复旦大学带着5名本科生开始了对功能介孔材料创制与合成研究。他介绍，介孔材料具有规则排列、大小可调的孔道结构及高的比表面积和大的吸附容量，使得它在很多微孔分子筛难以完成的大分子催化、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。

文章图片

文章图片
赵东元带着学生进行化学实验。（图中间一位）譬如在能源领域，油品质量的高低与环境保护息息相关。“但原油重质化越来越严重，原油中渣油的平均含量达到50%以上，而渣油主要由饱和分、芳香分、胶质和沥青质等组成。”赵东元告诉采访人员，提高渣油的转换率是提升能源利用率、降低环境污染和缓解我国对国际原油依赖的关键，迫切需要找到合适、高效的催化材料， “过去工业常用的微孔分子筛很难直接处理重油大分子，催化效率非常低，但介孔材料的发现恰好可以打破这一瓶颈。”
苦战有机自组装
工业应用、能源储备、生物医药……各式各样的介孔材料层出不穷，基于介孔材料应用的各项产业发展更是风光无限。可直到2001年左右，科学家们自组装合成的介孔材料仍局限于无机非金属或金属， “无机材料脆性大、密度高，还不易加工、不可降解等。”赵东元突发奇想：做了这么多无机介孔材料，能不能创造出一种有机的高分子材料，又软又轻又好用，还能更好地满足国民经济发展需要？敢想更要敢于付诸行动。赵东元将目光转向材料的另一重要组成——高分子和碳。然而在当时，有机且有序的介孔高分子和碳材料自组装合成在学界根本找不到相关报道， “我们就像是在一个黑箱子里乱撞。”回顾从艰难组建科研团队，到苦战5年终于迎来“柳暗花明” ，赵东元感慨实验之所以成功，一是因为“异想天开” ，二是足够幸运。

文章图片

文章图片
前两年，赵东元和团队一遍又一遍试验，进展非常缓慢。如今，在赵东元办公室隔壁的陈列室，还留存当年课题组成员们积累的一本本实验笔记和博士论文。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》记录着：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……只有坚持，才能迎来转机。2003年10月7日深夜，团队成员顾栋用一种反常规的方法进行实验，测试得到一组非常漂亮的数据。“顾栋很聪明，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。”随即，赵东元在学生的启发下打开了思路，大家紧锣密鼓调节实验参数、测试分析，以获取有效数据。2005年，赵东元于《德国应用化学》上发表文章，在有机——无机自组装的基础上首次提出有机——有机自组装新方法，至今已经吸引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。国际学术界评价这项研究成果是介孔材料领域“里程碑式”和“先驱”的进展。