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[!--downpath--]把夢想變現(xiàn)實這群“魔法師”在納米材料上造孔
——記國家自然科學(xué)獎銀獎有序多孔高分子和碳材料的創(chuàng)制和應(yīng)用
胡蜂搬去蜂窩里，人類曾穴穩(wěn)居洞中，蓮蓬裹著銀耳，細密的魚網(wǎng)纏住了魚，冷水從蓮蓬頭中奔涌，列車從鄉(xiāng)間隧洞中呼嘯而過……這些看似沒有關(guān)聯(lián)的事物有一個共同點，即對“孔”的功能借助。不管是用于過濾，還是作為傳輸通道或存儲空間，形形色色的孔讓自然界和人類社會的外貌有了更多可能。
有幾位科學(xué)家，她們像魔法師一樣在納米尺度上造各類各樣的孔，由于造孔出眾還獲得大獎。11月3日，由中國科大學(xué)教授、復(fù)旦學(xué)院物理系院長趙東元領(lǐng)銜完成的“有序多孔高分子和碳材料的創(chuàng)制和應(yīng)用”獲得2020年度國家自然科學(xué)獎銀獎。
開拓：在有機高分子材料上造孔
認清楚這項研究前，先談?wù)勀男┦恰敖榭住薄０凑諊H純粹與應(yīng)用物理聯(lián)合會的定義，孔徑大于2納米的孔稱為多孔，小于50納米稱為大孔，而孔徑介于2—50納米之間的稱為鈣鈦礦。雜化材料，顧名思義，是指孔徑為2—50納米的微孔結(jié)構(gòu)材料。
相比塊體材料，多孔材料具有高的比表面積、大的孔徑和孔容，可以搭載更多活性物質(zhì)，實現(xiàn)更快的物質(zhì)輸運，在能源、環(huán)境、安全、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。
1998年，趙東元歸國任教于同濟學(xué)院物理系，帶著5個專科生，開始了對功能雜化材料創(chuàng)制和合成的研究。
彼時，自組裝合成的雜化材料都是無機非金屬或金屬組成，這些多孔材料存在延性大、密度高、不易加工、不可降解等缺點。趙東元尋思：整個雜化材料都局限于無機組成，能不能創(chuàng)造一種有機的高分子材料，又軟又輕又好用，能夠為國民經(jīng)濟創(chuàng)造價值？
有前人嘗試過，但沒有成功。由于高分子和碳的產(chǎn)生是一個聚合的過程，在這樣的材料中造孔，很難控制。具體來說，高分子前驅(qū)體與模板互相作用弱，無法組裝產(chǎn)生有序多孔結(jié)構(gòu)，同時，高分子前驅(qū)體和模板組成相像，無法消除模板產(chǎn)生雜化結(jié)構(gòu)。據(jù)悉，高分子前驅(qū)體熱穩(wěn)定性差，存在無法轉(zhuǎn)化成有序雜化碳材料等困局。
實驗早期，趙東元的科研團隊屢戰(zhàn)屢敗，有成員在實驗筆記上記錄：“得到的不是有序的雜化結(jié)構(gòu)，而是抱團的納米粒子……”。研究開始后兩年內(nèi)，團隊在這方面進展平緩。
2003年10月，總算迎來轉(zhuǎn)機。一名大專生提出，在制做雜化高分子的過程中，把高分子先聚再合成，這一反常規(guī)的操作大大簡化了實驗步驟，成功獲得了一組十分漂亮的數(shù)據(jù)。
2005年，趙東元團隊在《德國應(yīng)用物理》發(fā)表文章，首次提出有機—有機自組裝的新方式，一種全新的雜化材料——有序雜化高分子和碳材料，由此誕生。截止目前，她們圍繞有序雜化高分子和碳材料的創(chuàng)制和應(yīng)用研究發(fā)表的8篇代表性研究論文，共被他引3825次。
美國科學(xué)與工程院教授在關(guān)于雜化材料起源的闡述中，將軟模板合成有序雜化高分子材料作為幾類雜化材料典型代表之一，稱其開拓了納米科學(xué)的新方向。
造夢：在多孔材料領(lǐng)域掀起革命
這項研究在高分子和碳材料領(lǐng)域掀起了一場革命。
據(jù)統(tǒng)計，趙東元團隊提出的有機—有機自組裝新思想及由此形成的雜化高分子和碳材料已被60多個國家和地區(qū)的1500余家科研機構(gòu)采用和研究，共發(fā)表近4.2萬篇論文，推動了國際多孔材料領(lǐng)域的發(fā)展。
基礎(chǔ)研究之花也在應(yīng)用中結(jié)出碩果。因為有序多孔高分子和碳材料具有輕、柔、易加工、可降解等優(yōu)點，可應(yīng)用于新能源、石油化工、環(huán)境整治、物質(zhì)輸運、電子元件、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，相關(guān)產(chǎn)品銷售額已超過億元。
趙東元說，應(yīng)用雜化材料的彩印電路板已投入生產(chǎn)，借助雜化材料超大表面積制做超級電容器的研究正逐漸加快，雜化液體的創(chuàng)制也在緊鑼密鼓進行中。項目主要完成人之一李偉稱，團隊還旨在于精細化合成有序雜化高分子和碳材料，“希望未來能像搭樂高一樣隨心所欲地在納米材料上造形形色色的孔。”
這支團隊有著天馬行空的想像力，也有腳塌實地的造夢能力。“年輕人，要有腦子，更要勤于。”趙東元剛歸國幾乎每周工作80小時，常常連續(xù)十幾個小時泡在實驗室，有時喝水也不忘討論學(xué)術(shù)。35歲的李偉跟隨趙東元做研究已有14年，他說：“趙老師是恩師，也如父母般言傳身教。他勤勞、學(xué)術(shù)嚴謹，但是飽含熱情，啟發(fā)著我們年青人從事前沿的基礎(chǔ)科學(xué)研究。”
提及年青人做基礎(chǔ)研究，李偉結(jié)合自身經(jīng)歷談道：“要熱愛、專注、堅持高分子物理實驗第二版，不怕坐冷板凳，瞄準一個目標鉚足勁兒沖。‘四個面向’對科技工作者提出了具體要求，每位人都能從中找到可以發(fā)光發(fā)熱的地方。”趙東元寄語年青人，不要有太多幻想，像螞蟻一樣干活，腳塌實地做好每件事就行了。
這次，基礎(chǔ)科學(xué)研究在國家科學(xué)技術(shù)獎勵會議上多點開花。趙東元表示高分子物理實驗第二版，經(jīng)過變革開放40多年的發(fā)展和積累，基礎(chǔ)研究成果豐碩是必然，其中不乏推動性、開創(chuàng)性的工作。“但我國基礎(chǔ)研究領(lǐng)域還有好多方面須要追趕。我建議營造全民崇尚科學(xué)的氣氛和修身的科研環(huán)境，發(fā)揚解放思想、大膽探求、批判指責(zé)精神，讓思想不斷碰撞。”趙東元說，接出來他會花大部份精力促使雜化材料相關(guān)研究成果投入應(yīng)用，再多做些科普。（記者代小佩）