在納米材料上造孔的“魔法師”
——“有序介孔高分子和碳材料的創制和應用”獲2020年度國家自然科學獎一等獎

文／代小佩

蜜蜂住在蜂窩里，人類曾穴居于洞中，蓮蓬裹著蓮子，細密的漁網罩住了魚，熱水從花灑中傾瀉，火車從山間隧道中呼嘯而過……這些看似沒有關聯的事物有一個共同點，即對“孔”的功能利用。不管是用于過濾，還是作為傳輸通道或儲存空間，形形色色的孔讓自然界和人類社會的樣貌有了更多可能。

有幾位科學家，他們像魔法師一樣在納米尺度上造各種各樣的孔，因為造孔出色還獲得大獎。11月3日，由中國科學院院士、復旦大學化學系教授趙東元領銜完成的“有序介孔高分子和碳材料的創制和應用”獲得2020年度國家自然科學獎一等獎。

開拓：在有機高分子材料上造孔

搞清楚這項研究前，先說說什么是“介孔”。根據國際純粹與應用化學聯合會的定義，孔徑小于2納米的孔稱為微孔，大于50納米稱為大孔，而孔徑介于2-50納米之間的稱為介孔。介孔材料，顧名思義，是指孔徑為2-50納米的多孔結構材料。

相比塊體材料，介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，實現更快的物質輸運，在能源、環境、安全、生物醫藥等領域有廣泛的應用。

1998年，趙東元回國任教于復旦大學化學系，帶著5個本科生，開始了對功能介孔材料創制和合成的研究。

彼時，自組裝合成的介孔材料都是無機非金屬或金屬組成，這種介孔材料存在脆性大、密度高、不易加工、不可降解等缺點。趙東元琢磨：整個介孔材料都局限于無機組成，能不能創造一種有機的高分子材料，又軟又輕又好用，還能為國民經濟創造價值？

有前人嘗試過，但沒有成功。因為高分子和碳的形成是一個聚合的過程，在這樣的材料中造孔，很難控制。具體來說，高分子前驅體與模板相互作用弱，難以組裝形成有序介孔結構，同時，高分子前驅體和模板組成相似，難以去除模板形成介孔結構。此外，高分子前驅體熱穩定性差，存在難以轉化成有序介孔碳材料等難題。

實驗初期，趙東元的科研團隊屢戰屢敗，有成員在實驗筆記上記錄：“得到的不是有序的介孔結構，而是抱團的納米粒子……”。研究開始后三年內，團隊在這方面進展緩慢。

2003年10月，終于迎來轉機。一名本科生提出，在制作介孔高分子的過程中，把高分子先聚再合成，這一反常規的操作大大簡化了實驗步驟，成功獲得了一組非常漂亮的數據。

2005年，趙東元團隊在《德國應用化學》發表文章，首次提出有機—有機自組裝的新方法，一種全新的介孔材料——有序介孔高分子和碳材料，由此誕生。截至目前，他們圍繞有序介孔高分子和碳材料的創制和應用研究發表的8篇代表性研究論文，共被他引3825次。

韓國科學與工程院院士RyongRyoo在關于介孔材料起源的論述中，將軟模板合成有序介孔高分子材料作為幾類介孔材料典型代表之一，稱其開拓了納米科學的新方向。

造夢：在介孔材料領域掀起革命

這項研究在高分子和碳材料領域掀起了一場革命。

據統計，趙東元團隊提出的有機-有機自組裝新思想及由此產生的介孔高分子和碳材料已被60多個國家和地區的1500余家科研機構采用和研究，共發表近4.2萬篇論文，引領了國際介孔材料領域的發展。

基礎研究之花也在應用中結出碩果。由于有序介孔高分子和碳材料具有輕、柔、易加工、可降解等優點，可應用于新能源、石油化工、環境治理、物質輸運、電子器件、生物醫學等領域，相關產品銷售額已超過億元。

趙東元說，應用介孔材料的印刷電路板已投入生產，利用介孔材料超大表面積制作超級電容器的研究正逐步推進，介孔液體的創制也在緊鑼密鼓進行中。項目主要完成人之一李偉稱，團隊還致力于精細化合成有序介孔高分子和碳材料，“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象力，也有腳踏實地的造夢能力。“年輕人，要有頭腦，更要勤勉。”趙東元剛回國幾乎每周工作80小時，經常連續十幾個小時泡在實驗室，有時吃飯也不忘討論學術。35歲的李偉跟著趙東元做研究已有14年，他說，“趙老師是恩師，也如父親般言傳身教。他勤勞、學術嚴謹，而且充滿熱情，啟發著我們年輕人從事前沿的基礎科學研究。”

提到年輕人做基礎研究，李偉結合自身經歷談到：“要熱愛、專注、堅持，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，每個人都能從中找到可以發光發熱的地方。”趙東元寄語年輕人，不要有太多幻想，像螞蟻一樣干活，腳踏實地做好每件事就行了。

此次，基礎科學研究在國家科學技術獎勵大會上多點開花。趙東元表示，經過改革開放40多年的發展和積累，基礎研究成果豐碩是必然，其中不乏引領性、開創性的工作。“但我國基礎研究領域還有很多方面需要追趕。我建議營造全民崇尚科學的氛圍和寬松的科研環境，弘揚解放思想、大膽探索、批判質疑精神，讓思想不斷碰撞。”趙東元說，接下來他會花大部分精力推動介孔材料相關研究成果投入應用，再多做些科普。