【2020年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)】用科學(xué)思維在微觀世界“異想天開”

本刊記者/ 管浩

介孔材料是一種多孔材料，孔徑介于2-50納米。而功能化介孔材料，是將介孔材料改性而使其具有不同的功能。

| 中國(guó)科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授趙東元

2021年11月3日，國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)公布。中國(guó)科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授趙東元、教授李偉等完成的“有序介孔高分子和碳材料的創(chuàng)制和應(yīng)用”項(xiàng)目，原創(chuàng)性提出了有機(jī)-有機(jī)自組裝思想，創(chuàng)制了有序功能介孔高分子和碳材料，揭示了介孔獨(dú)特的物質(zhì)輸運(yùn)和界面反應(yīng)規(guī)律，獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。這也是18年來上海再次獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

介孔材料是20世紀(jì)發(fā)展起來的嶄新的材料體系，具有規(guī)則排列、大小可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)及高的比表面積和大的吸附容量，在大分子催化、吸附與分離、納米組裝及生物化學(xué)等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

2001年前后，整個(gè)介孔材料都局限于無機(jī)材料。趙東元突發(fā)奇想：做了這么多無機(jī)介孔材料，能不能創(chuàng)造一種有機(jī)的高分子材料，又軟又輕又好用，還能在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中創(chuàng)造出非常高的價(jià)值？為了攻克這個(gè)難題，趙東元組建科研團(tuán)隊(duì)，苦戰(zhàn)5年。

3萬元起家的“異想天開”實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)

1998年，35歲的趙東元結(jié)束了在美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校的博士后工作，從美國(guó)洛杉磯直飛上海。

01：趙東元在實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，2021年

02：指導(dǎo)研究生工作：趙東元在實(shí)驗(yàn)室觀看學(xué)生合成介孔高分子

“我就要開始帶課題組做研究了，要從一個(gè)‘運(yùn)動(dòng)員’轉(zhuǎn)變?yōu)椤叹殹耍欢ㄒヒ粋€(gè)好的單位。”而“好的單位”，在他看來，關(guān)鍵在于有好的科研環(huán)境— —教授水平要高，學(xué)生要優(yōu)秀。經(jīng)過一番深思熟慮，趙東元在國(guó)內(nèi)幾家頂尖高校中選擇了復(fù)旦大學(xué)。

在復(fù)旦大學(xué)，趙東元一待便是23年，始終專注功能介孔材料研究，取得一系列創(chuàng)新研究成果，從一名年輕的科研人員成長(zhǎng)為享譽(yù)國(guó)際的科學(xué)家— —2000年獲國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)杰出青年基金，2000年獲教育部“長(zhǎng)江學(xué)者”特聘教授稱號(hào)，2004年獲得國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)，2007年44歲的他當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士……

在許多人眼中，趙東元的科研道路無比順暢，但這背后，蘊(yùn)含了他對(duì)科研的熱愛與超人的勤勉。

剛回國(guó)時(shí)，國(guó)內(nèi)整體科研條件和國(guó)外差距較大。復(fù)旦大學(xué)為趙東元提供了3萬元科研經(jīng)費(fèi)，他買了一臺(tái)電腦，很快坐進(jìn)簡(jiǎn)陋的催化樓辦公室，寫起研究計(jì)劃，帶領(lǐng)5名本科生，開始了對(duì)功能介孔材料創(chuàng)制和合成的研究。

回顧整個(gè)過程，趙東元感慨，實(shí)驗(yàn)之所以做成，一是因?yàn)椤爱愊胩扉_”，二是足夠幸運(yùn)。“前面四年多的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)進(jìn)展非常緩慢，整個(gè)合成過程非常復(fù)雜，就像是在一個(gè)黑箱子里亂撞。”趙東元說道。

在趙東元辦公室隔壁的陳列室，留存著當(dāng)年課題組成員們積累的一本本實(shí)驗(yàn)筆記和博士論文。成員孟巖的博士論文《有序的有機(jī)高分子介孔材料的合成與結(jié)構(gòu)》中記錄著：起初，實(shí)驗(yàn)怎么也做不出介孔，做出的全都是抱團(tuán)的納米粒子……

而轉(zhuǎn)機(jī)來自一位復(fù)旦大學(xué)轉(zhuǎn)專業(yè)本科生。

歷史系學(xué)生給化學(xué)家團(tuán)隊(duì)帶來“轉(zhuǎn)機(jī)”

2002年，復(fù)旦大學(xué)在全國(guó)率先施行本科生轉(zhuǎn)專業(yè)制度。酷愛化學(xué)、高考未能被第一志愿錄取的歷史系學(xué)生顧棟，申請(qǐng)轉(zhuǎn)到化學(xué)系，后選擇趙東元作為本科生導(dǎo)師，開始在實(shí)驗(yàn)室參與一些研究工作。

“顧棟非常聰明，他提出把高分子先聚再合成的做法，一下子把步驟從5個(gè)簡(jiǎn)化成2個(gè)。”趙東元說道。在學(xué)生的啟發(fā)下，他打開了思路，接下來兩個(gè)月，大家緊鑼密鼓調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)、測(cè)試分析，年底就基本得到了所有數(shù)據(jù)。

2005年，趙東元在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上發(fā)表文章，在“有機(jī)-無機(jī)自組裝”的基礎(chǔ)上首次提出“有機(jī)-有機(jī)自組裝”的新思想，并將實(shí)驗(yàn)方法公之于眾。至今已經(jīng)吸引60多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的1500余家科研機(jī)構(gòu)跟蹤研究，利用相似的方法研究介孔高分子和碳材料等，發(fā)表論文4萬多篇，趙東元的課題組也一下“活”了。

成員們基于該項(xiàng)目成果發(fā)表論文200多篇，被引30000余次。趙東元先后獲得國(guó)際介觀結(jié)構(gòu)材料協(xié)會(huì)成就獎(jiǎng)、發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院聯(lián)想科學(xué)獎(jiǎng)、首屆中國(guó)分子篩成就獎(jiǎng)、何梁何利科技進(jìn)步獎(jiǎng)……

趙東元出生于沈陽(yáng)一個(gè)普通工人家庭，沒有接受過什么特別的訓(xùn)練，但他從小就喜歡刨根問底，因此，他也鼓勵(lì)青年大學(xué)生和青少年敢于“異想天開”。

雖然從事的是基礎(chǔ)研究，但趙東元將研究與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合得相當(dāng)緊密。

“化學(xué)是離工業(yè)最近的一門基礎(chǔ)學(xué)科，很多研究成果都能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。”趙東元相信“天生我材必有用”，既然能創(chuàng)造出這個(gè)結(jié)構(gòu)的材料，那么肯定會(huì)能找到它的用途，哪怕目前來看還較昂貴。

經(jīng)過不斷壓縮成本，趙東元團(tuán)隊(duì)成功將科研成果投入到工業(yè)化生產(chǎn)，并開展大規(guī)模制備。比如：將介孔材料作為催化劑使用，大大提高重油轉(zhuǎn)化效率，全國(guó)推廣后每年可為中石化增產(chǎn)約150萬噸高質(zhì)量油品；將介孔碳和介孔高分子噸級(jí)生產(chǎn)，運(yùn)用于超級(jí)電容器，在北京奧運(yùn)會(huì)的LED路燈和上海世博會(huì)的電動(dòng)汽車上都得到了示范性應(yīng)用。此外，研究成果還在生物檢測(cè)、環(huán)境處理、電子材料等諸多方面得到廣泛應(yīng)用。

“我真的愿意做科研，因?yàn)榭蒲忻鎸?duì)的全是新鮮事物，可以創(chuàng)造出世界上原本沒有的東西。”說起科研，趙東元總是神采奕奕。

“打孔人”和他的學(xué)生們

趙東元是出了名的“工作狂”，對(duì)科研的認(rèn)真和勤奮超乎常人。“他幾乎每周工作80小時(shí)，常連續(xù)十幾個(gè)小時(shí)泡在實(shí)驗(yàn)室。”他的學(xué)生、復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授李偉說道，“中午大家一起吃飯的碎片時(shí)間，趙老師也常常討論學(xué)術(shù)的問題。”

很多學(xué)生發(fā)郵件請(qǐng)教趙東元：到底具備什么條件，才能進(jìn)您的實(shí)驗(yàn)室工作？趙東元回復(fù)：沒有別的，唯一的條件就是你要愛科學(xué)，要有志于成為一名科學(xué)工作者。

“科研需要你沉浸，需要你喜歡。能進(jìn)復(fù)旦大學(xué)的學(xué)生，無論文科理科，我相信智力全都?jí)蛄耍Ｏ碌木涂茨闶欠裾娴南矚g。喜歡，就能迸發(fā)出無窮的力量。只要沉靜下來去思索，去刨根問底，總有一天會(huì)得到回報(bào)。”他說。

在趙東元的栽培下，不少學(xué)生成長(zhǎng)為教授：顧棟，武漢大學(xué)高等研究院教授；李偉，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授；田博之，美國(guó)芝加哥大學(xué)杰出教授……其研究生還獲得過三次“百篇優(yōu)秀博士論文”榮譽(yù)。

在育人這件事上，趙東元從不為學(xué)生設(shè)限。平時(shí)指導(dǎo)學(xué)生科研，他會(huì)給個(gè)大方向，鼓勵(lì)學(xué)生自由探索，后面會(huì)經(jīng)常給予建設(shè)性的建議。

當(dāng)年，顧棟從歷史系轉(zhuǎn)專業(yè)、選他做導(dǎo)師，趙東元非但不拒絕還表示歡迎。李偉也有相似經(jīng)歷：他2013年從復(fù)旦大學(xué)博士畢業(yè)，本可直接留校做青年研究員，但趙東元鼓勵(lì)他先出去看一看。李偉先后赴加拿大、韓國(guó)做博士后，分別從事太陽(yáng)能電池和新型碳材料研究，大大開拓了視野。重回復(fù)旦大學(xué)后，李偉結(jié)合海外所學(xué)，拓展了新的研究領(lǐng)域。

“交叉融合會(huì)帶來新的活力，這個(gè)領(lǐng)域才能不斷發(fā)展。對(duì)一個(gè)學(xué)生的成長(zhǎng)來說也是如此，如果局限在一個(gè)窄面，那就沒了發(fā)展。”趙東元認(rèn)為。

即使研究再忙，趙東元也沒有放下科普工作。除了為中學(xué)生開講座、錄制網(wǎng)課，他還主編《十萬個(gè)為什么（第六卷）》，認(rèn)真編寫內(nèi)容，花費(fèi)了不少心血。

趙東元表示，科學(xué)家一定得后繼有人，科學(xué)事業(yè)才能不斷發(fā)展，宣揚(yáng)科學(xué)也是科學(xué)家的職責(zé)。“真正的純科學(xué)就是刨根問底，還談不上應(yīng)用。比如研究1+1=2有什么用？沒用。但它改變了人類的思維，有了這種思維，人類的生活會(huì)更加美好。”