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這群“異想天開”的人,如何摘得國家自然科學獎一等獎


中國生物技術網:中國科學院微生物研究所作者|秦志偉趙東元(右)和團隊成員在實驗室討論交流。複旦大學供圖月日拿到年度國家自然科學獎一等獎證書後...

- 2021年11月10日08時55分
- 科學文摘 /

中國生物技術網11:22中國科學院微生物研究所

作者 |秦志偉

趙東元(右)和團隊成員在實驗室討論交流。
複旦大學供圖

11月3日拿到2020年度國家自然科學獎一等獎證書後,中國科學院院士、複旦大學化學系教授趙東元第二天一早照常去給學生上課。就是這樣一位低調的科學家,總喜歡“異想天開”。

現在,他又暢想:“將介孔高分子材料研制成液體,塗在衣物上用來隔熱,零下30攝氏度都不怕。”一想到有可能創造出世界上原本沒有的東西,趙東元就很興奮。

在趙東元的科研生涯裏,“異想天開”貫穿始終。

20多年來,趙東元帶領團隊在微觀世界裏造“孔”,樂此不疲,從基礎研究到應用研究均結出豐碩果實。

在2004年獲得國家自然科學獎二等獎後,時隔16年,趙東元團隊憑借“有序介孔高分子和碳材料的創制和應用”又摘得2020年度國家自然科學獎一等獎。這也是上海時隔18年後再次獲得國家自然科學獎一等獎。

“在一個黑箱子裏亂撞”

介孔材料是一類多孔材料,國際純粹與應用化學聯合會定義其孔徑介於2~50納米之間。

介孔材料具有極高的比表面積、規則有序的孔道結構、孔徑大小連續可調等特點,有望在電極材料、光電器件、微電子技術、化學傳感器、非線性光學材料等領域得到應用。

因此,介孔材料從它誕生之初就引起國際多學科研究領域的廣泛興趣,已成為國際上跨多學科的熱點前沿領域之一。

然而,在21世紀初,介孔材料局限於無機介孔材料。

“無機介孔材料脆性大、密度高,且不可加工、不易降解。而材料的另一重要組分是高分子和碳。”趙東元的學生、獲獎團隊成員、複旦大學化學系教授李偉告訴《中國科學報》。

趙東元開始思考,“能不能創造一種有機的高分子材料,又軟又輕又好用”。

為了攻克這一難題,趙東元著手組建團隊。

武漢大學教授顧棟也是趙東元的學生。時隔十餘年再次憶起2003年10月7日那個深夜,他依然難掩激動。“我用一種反常規的方法進行實驗,得到一組非常漂亮的數據。”他立即向趙東元匯報了這一結果。

“整個合成過程非常複雜,就像是在一個黑箱子裏亂撞”。看到希望後,趙東元帶領團隊緊鑼密鼓地調節實驗參數、測試分析,年底就得到了幾乎所有數據。

苦戰5年後,趙東元團隊在有機—無機自組裝的基礎上,首次提出的有機—有機自組裝的新思想得到驗證。這一成果於2005年在《德國應用化學》上發表後,引起了學術界的廣泛關注。

目前,有機—有機自組裝的新思想及產生的介孔高分子和介孔碳材料已被60餘個國家和地區的1500餘家科研機構采用和作為研究對象,相關論文共計4萬餘篇。

新型介孔材料均以FDU命名

10多年來,趙東元團隊共創造19種新型介孔材料。值得一提的是,新型介孔材料均以FDU(複旦大學)命名。

“科學無國界,但科學家有自己的祖國和文化。尤其是基礎科研人員,應該在更多的研究領域用中國元素命名,以激發中國人的自信。”趙東元說。

據介紹,這些新型介孔材料已進行千噸級生產,為國內外研究單位提供實驗試劑,在加氫裂化、蛋白質分離、固定化酶和生物玻璃補骨材料等應用中取得了較好效果。

“化學是離工業最近的一門基礎學科,很多研究成果都能實現轉化。”趙東元相信“天生我‘材’必有用”,“既然能創造出這個結構的材料,肯定能找到它的用途,盡管目前來看還太昂貴”。

這些年,經過不斷壓縮成本,趙東元團隊將科研成果投入到工業化生產,開展大規模制備。

以石油煉化為例,李偉介紹,中國開采出來的原油通過蒸餾等方式只有約40%可用作汽柴油等,剩下60%的渣油只能用作鋪路的瀝青等,轉化率非常低。

“把介孔材料作為催化劑可將重油轉化為汽油,大大提高重油轉化效率,全國推廣後每年可增產約150萬噸的高質量油品。”

今年1月9日,國家自然科學基金“功能介孔材料基礎科學中心”在複旦大學啟動。

作為項目牽頭人,趙東元有更長遠的目標:“將著力推出一批具有世界影響力的原創性成果,創制中國牌號的新一代催化材料,形成以功能介孔材料為中心的多領域全覆蓋研究高地,繼續引領國際介孔材料領域的發展。”

“造孔之人”養成一種職業病

趙東元自稱“造孔之人”。“相當於拿個鑿子,在看不到的微觀世界裏造‘孔’”。研究介孔材料20餘年,趙東元養成一種職業病,“平時但凡看到什麼材料,就想把它打成孔”。

——看到樂高世界各種大型組裝構件,他便聯想:“在微觀世界,能不能也用各種功能基元搭建形成孔洞?”隨後他便帶領學生開辟一個新的研究方向——介孔材料合成方法學中的模塊化組裝。

——看到病人韌帶斷裂,需要用一個高分子的韌帶將兩處連接起來,使韌帶重新生長,他又琢磨,能不能定向把兩個孔給嫁接起來?於是,他帶領學生研究用何種材料能夠在微觀下把兩個孔慢慢誘導過來,再通過化學作用合在一起。

……

憑借喜歡科學研究及“異想天開”,趙東元帶領團隊引領著國際介孔材料領域的發展。

他也被列為介孔材料領域發表論文及論文引用率世界排名第一的科學家;在全球所有領域Top1000科學家中,連續八年被列為全球化學和材料領域高被引科學家;擔任國際介孔材料協會主席,獲得國際介孔材料協會成就獎、發展中國家科學院科學獎等多項國際重要獎項。

趙東元很喜歡和學生在一起。在他看來,一個教師的職責就是創造知識、傳授知識。

這些年,趙東元培養的學生獲得過多次“百篇優秀博士論文”,不少學生成長為各崗位的教學和科研骨幹,如顧棟、李偉、美國芝加哥大學傑出教授田博之等。

“要崇尚科學、坐得住冷板凳,大膽去想,仔細求證,這些都至關重要。”趙東元告誡年輕人。

來源:中國科學報


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