这项研究开拓了纳米科学的新方向（2020年度国家科技奖获奖项目巡礼（下））赵东元指导学生实验。复旦大

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赵东元指导学生实验。
复旦大学供图
有这样一种神奇的材料，被应用在5G手机的电路板中，能让5G手机的工业化生产成为可能；在催化领域，它能把重质的原油转化成汽柴油；它还可以用来制造新能源电池，做精细化工的药物中间体催化剂、吸附污水中的杂质……这就是介孔材料，是一种孔径在2至50纳米之间的多孔材料。
日前， 2020年度国家科学技术奖揭晓。由中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元领衔，李伟、邓勇辉、张凡等团队成员完成的“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。
作为我国基础研究领域的最高奖项，国家自然科学奖一等奖备受瞩目。采访人员日前走近“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”项目团队，从“微观层面、纳米尺度”上感受我国自主创新的律动。
神奇的介孔材料，在众多领域具有广泛的应用前景
有个词叫作“无孔不入” ，大多数人对“孔材料”也不陌生。比如，自然界中的棉花、蜂巢，我们经常用到的干燥剂、活性炭等，都是“孔材料” 。而介孔材料是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，高比表面积和大吸附容量等特点，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。
孔材料的创造离不开化学，离不开分子自组装，这是自然界的普遍现象。“比如人体的核酸、细胞膜，都是通过一些分子‘组装’起来的，构成了万物的基础。”赵东元认为， “介孔材料之所以能够有这么多神奇的作用，是因为在这个尺度上，它具有更大的孔径和更快的传质速率，材料能够产生特殊的纳米效应。因为它们有孔，在这样的孔里面我们就可以干很多事情。”
在2001年以前，整个介孔材料都局限于无机材料，缺点是脆性大、密度高、不易加工、不可降解等。当时，做了多年无机介孔材料研究的赵东元突发奇想：能不能创造出一种有机的高分子材料来呢？
“我们学习了自然界的自组装现象，在这个基础上做了氧化硅这样一些无机化合物的介孔材料。但是，材料的另一重要组成是高分子和碳，这些材料在国民经济中占据着举足轻重的地位。只有打开这扇门，才能让介孔材料延伸出更多可能。”赵东元说。
“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；实现了介孔碳材料的规模化生产，推广应用于催化、储能等领域。国际学术界评价：这项研究开拓了纳米科学的新方向，是“里程碑式”的重要进展。
做出“无中生有”的材料绝非易事，团队苦战多年终有所获
为了攻克这一难题，赵东元组建起科研团队。然而，想做出“无中生有”的材料绝非易事。前几年，项目进展缓慢，少有成果产出。赵东元回忆：“我们率先提出有机高分子‘自组装’这样一个全新的思想，合成介孔电木（酚醛树脂，一种非常‘古老’的高分子材料），但是整个合成过程非常复杂，就像在一个‘黑箱子’里乱撞。”团队成员孟岩的博士论文里清楚地记录着：“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……”
“这样一个复杂问题，能不能简单化？形成高分子这样的自组装过程，是否可以分步来进行？”赵东元指导学生，用一种反常规的方法进行实验。功夫不负有心人， 2003年10月，团队终于测试到了一组非常漂亮的数据。“我的学生顾栋一看到结果就十分激动，半夜给我打电话。应该说我们还是非常幸运的……”赵东元回忆道。