他们在微观世界里造“孔”

赵东元（右）和团队成员在实验室讨论交流。  复旦大学供图

11月3日拿到2020年国家自然科学奖一等奖证书后，中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元在11月4日一早又给学生上课去了。就是这样一位低调的科学家，总喜欢“异想天开”。现在，他又畅想：“将介孔高分子材料研制成液体，涂在衣物上用来隔热，零下30摄氏度都不怕。”一想到有可能创造出世界上原本没有的东西，赵东元就异常兴奋。

在赵东元的科学研究生涯里，“异想天开”贯穿始终。

20余年，赵东元带领团队在微观世界里造“孔”，乐此不疲，从基础研究到应用研究均结出丰硕成果。在2004年获得国家自然科学奖二等奖后，时隔16年，赵东元团队凭借“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”又摘得2020年国家自然科学奖一等奖，这也是上海时隔18年再次获得国家自然科学奖一等奖。

“在一个黑箱子里乱撞”

介孔材料是一类多孔材料，国际纯粹与应用化学联合会定义其孔径介于2~50纳米。介孔材料具有极高的比表面积、规则有序的孔道结构、孔径大小连续可调等特点，使得其有望在电极材料、光电器件、微电子技术、化学传感器、非线性光学材料等领域得到应用。因此，介孔材料从它诞生一开始就吸引国际多学科研究领域的广泛兴趣，已成为国际上跨多学科的热点前沿领域之一。

然而，在21世纪初，介孔材料局限于无机介孔材料。

“无机介孔材料脆性大、密度高，且不可加工、不易降解等。而材料的另一重要组成分是高分子和碳。”复旦大学化学系教授李伟告诉《中国科学报》。李伟是赵东元的学生，在2020年国家自然科学奖一等奖中排名第二。

“能不能创造一种有机的高分子材料，又软又轻又好用？”赵东元思考道。

为了攻克这个难题，赵东元组建团队。武汉大学教授顾栋是赵东元的学生，时隔十余年再次忆起2003年10月7日深夜，依然难掩激动。“我用一种反常规的方法进行实验，得到一组非常漂亮的数据。”他立即向赵东元汇报这一结果。

“整个合成过程非常复杂，就像是在一个黑箱子里乱撞”。看到希望后，赵东元带领团队紧锣密鼓地调节实验参数、测试分析，年底基本得到所有数据。

苦战5年后，赵东元团队在有机-无机自组装的基础上，首次提出的有机-有机自组装的新思想得到验证。当这一新思想于2005年在《德国应用化学》上发表后，便引起学术界广泛关注。至今目前，有机-有机自组装的新思想及产生的介孔高分子和介孔碳材料已吸引60余个国家和地区的1500余家科研机构采用和研究，共发表论文4万余篇。

新型介孔材料均以FDU命名

十多年来，赵东元团队共创造19种新型介孔材料。值得一提的是，新型介孔材料均以FDU（复旦大学）命名。

“科学无国界，但科学家有自己的祖国和文化。尤其是基础科研人员，应该在更多的研究领域用中国的元素命名，来激发中国人的自信。”赵东元说。据介绍，这些新型介孔材料已进行千吨级生产，为国内外研究单位提供实验试剂，在加氢裂化、蛋白质分离、固定化酶和生物玻璃补骨材料等取得较好的应用效果。

“化学是离工业最近的一门基础学科，很多研究成果都能实现转化。”赵东元相信“天生我‘材’必有用”，“既然能创造出这个结构的材料，肯定能找到它的用途，尽管目前来看还太昂贵”。

这些年，经过不断压缩成本，赵东元团队将科研成果投入到工业化生产，开展大规模制备。

以石油炼化为例，李伟介绍道，中国开采出来的原油通过蒸馏等方式只有约40%可用作汽柴油等，剩下60%的渣油只能用作铺路的沥青等，转化率非常低。“把介孔材料作为催化剂可将重油转化为汽油，大大提高重油转化效率，全国推广后每年可增产约150万吨的高质量油品。”

今年1月9日，国家自然科学基金“功能介孔材料基础科学中心”在复旦大学启动。作为项目牵头人，赵东元有更长远的目标：“将着力推出一批具有世界影响力的原创性成果，创制中国牌号的新一代催化材料，形成以功能介孔材料为中心的多领域全覆盖研究高地，继续引领国际介孔材料领域的发展。”

“造孔之人”养成一种职业病

赵东元自称“造孔之人”。“相当于拿个凿子，在看不到的微观世界里造‘孔’”。研究介孔材料20余年，赵东元养成一种职业病，“平时但凡看到什么材料，就想把它打成孔”。

——看到乐高世界各种大型组装构件，他便联想：“在微观世界，能不能也用各种功能基元搭建形成孔洞？”随后便带领学生开辟一个新的研究方向——介孔材料合成方法学中的模块化组装。

——当看到病人韧带断裂，需要用一个高分子的韧带将两处连接起来，使韧带重新生长。他又琢磨，能不能定向把两个孔给嫁接起来？于是，他又带领学生寻找用何种材料能够在微观下把两个孔慢慢诱导过来，再通过化学作用合在一起。

……

凭借喜欢科学研究及“异想天开”，赵东元带领团队引领着国际介孔材料领域的发展。他也被列为介孔材料领域发表论文及引用率世界第一位科学家；在全球所有领域Top1000科学家中，连续八年被列为全球化学和材料领域高被引科学家；担任国际介孔材料协会主席，获得国际介孔材料协会成就奖、发展中国家科学院科学奖等多项国际重要奖项。

赵东元很喜欢同学生在一起。在他看来，一个教师的职责是创造知识、传授知识。

这些年，赵东元培养的学生获得过多次“百篇优秀博士论文”，不少学生成长为各岗位的教学和科研骨干，如顾栋、李伟、美国芝加哥大学杰出教授田博之等。

“要崇尚科学、坐得住冷板凳，大胆去想，仔细求证，这些至关重要。”赵东元告诫年轻人。