当前位置: 陈皮网 -> 资讯首页 -> 科技 -> 这项研究开拓了纳米科学的新方向

这项研究开拓了纳米科学的新方向

陈皮网
2021-11-16 10:11:29 阅读数:112153
中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元领衔,李伟、邓勇辉、张凡等团队成员完成的“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”项目,获国家自然科学奖一等奖。

赵东元指导学生实验。 复旦大学供图

  本报讯(记者 谷业凯)有这样一种神奇的材料,被应用在5G手机的电路板中,能让5G手机的工业化生产成为可能;在催化领域,它能把重质的原油转化成汽柴油;它还可以用来制造新能源电池,做精细化工的药物中间体催化剂、吸附污水中的杂质……这就是介孔材料,是一种孔径在2至50纳米之间的多孔材料。

  日前,2020年度国家科学技术奖揭晓。由中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元领衔,李伟、邓勇辉、张凡等团队成员完成的“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”项目,获国家自然科学奖一等奖。

  作为我国基础研究领域的最高奖项,国家自然科学奖一等奖备受瞩目。记者日前走近“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”项目团队,从“微观层面、纳米尺度”上感受我国自主创新的律动。

  神奇的介孔材料,在众多领域具有广泛的应用前景

  有个词叫作“无孔不入”,大多数人对“孔材料”也不陌生。比如,自然界中的棉花、蜂巢,我们经常用到的干燥剂、活性炭等,都是“孔材料”。而介孔材料是20世纪发展起来的崭新的材料体系,它具有规则排列、大小可调的孔道结构,高比表面积和大吸附容量等特点,在大分子催化、吸附与分离、纳米组装及生物化学等众多领域具有广泛的应用前景。

  孔材料的创造离不开化学,离不开分子自组装,这是自然界的普遍现象。“比如人体的核酸、细胞膜,都是通过一些分子‘组装’起来的,构成了万物的基础。”赵东元认为,“介孔材料之所以能够有这么多神奇的作用,是因为在这个尺度上,它具有更大的孔径和更快的传质速率,材料能够产生特殊的纳米效应。因为它们有孔,在这样的孔里面我们就可以干很多事情。”

  在2001年以前,整个介孔材料都局限于无机材料,缺点是脆性大、密度高、不易加工、不可降解等。当时,做了多年无机介孔材料研究的赵东元突发奇想:能不能创造出一种有机的高分子材料来呢?

  “我们学习了自然界的自组装现象,在这个基础上做了氧化硅这样一些无机化合物的介孔材料。但是,材料的另一重要组成是高分子和碳,这些材料在国民经济中占据着举足轻重的地位。只有打开这扇门,才能让介孔材料延伸出更多可能。”赵东元说。

  “有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”项目原创性提出了有机—有机自组装思想,创制了有序功能介孔高分子和碳材料,揭示了介孔独特的物质输运和界面反应规律;实现了介孔碳材料的规模化生产,推广应用于催化、储能等领域。国际学术界评价:这项研究开拓了纳米科学的新方向,是“里程碑式”的重要进展。

  做出“无中生有”的材料绝非易事,团队苦战多年终有所获

  为了攻克这一难题,赵东元组建起科研团队。然而,想做出“无中生有”的材料绝非易事。前几年,项目进展缓慢,少有成果产出。赵东元回忆:“我们率先提出有机高分子‘自组装’这样一个全新的思想,合成介孔电木(酚醛树脂,一种非常‘古老’的高分子材料),但是整个合成过程非常复杂,就像在一个‘黑箱子’里乱撞。”团队成员孟岩的博士论文里清楚地记录着:“起初,实验怎么也做不出介孔,做出的全都是抱团的纳米粒子……”

  “这样一个复杂问题,能不能简单化?形成高分子这样的自组装过程,是否可以分步来进行?”赵东元指导学生,用一种反常规的方法进行实验。功夫不负有心人,2003年10月,团队终于测试到了一组非常漂亮的数据。“我的学生顾栋一看到结果就十分激动,半夜给我打电话。应该说我们还是非常幸运的……”赵东元回忆道。

  接下来的两个月,赵东元带领团队紧锣密鼓地开展实验,调节参数、测试分析,年底就基本得到了所有数据。2005年,赵东元发表文章,在国际上率先提出了有机—有机自组装新思想,并公布了实验方法。至今,已有60多个国家和地区的1500多家科研机构开展跟踪研究,利用相似的方法研究介孔高分子和碳材料等,发表论文4万余篇,引领了国际介孔材料领域的发展。

  此后,赵东元带领团队建立了体系化的合成方法学,创制了一系列不同孔径、形貌、组成、孔道结构的有序介孔高分子和碳材料;提出了多元协同共组装新策略,实现了介孔高分子和碳材料功能的精确调控,将多种功能普适性地引入高分子和碳材料中,创制了全新功能介孔复合材料;揭示了介孔独特的物质输运和界面反应规律,解决了微孔传质限制和大孔活性位点少的难题,完成了高比容量、高功率和长循环稳定性电化学储能器件,为独特的新一代药物合成催化剂、仿生离子通道、柔性微流控器件等的构筑奠定了基础,创造了巨大的经济效益。

  天生我“材”必有用,做一个拿着“凿子”在微观世界里造孔的人

  经过不断压缩成本,赵东元团队已将科研成果投入工业化生产,并开展大规模制备。比如:将介孔材料作为催化剂使用,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;将介孔碳和介孔高分子吨级生产,运用于超级电容器,在LED路灯和电动汽车上都得到了示范性应用。此外,成果还在生物检测、环境处理、电子材料等诸多方面得到广泛应用。赵东元始终坚信,天生我“材”必有用:“化学是离工业很近的一门基础学科,很多成果都能实现转化。”

  赵东元一直自称“是一个拿着‘凿子’,在微观世界里造孔的人”。研究多年,他甚至养成了一种“职业病”——平日里但凡看到什么材料,都想把它打成孔。“在20年的研究过程中,这个团队就是在一直不停地创新。”团队成员、复旦大学化学系教授李伟说。

  赵东元记得,自己刚回国的时候,国内的科研条件与国外的差距很大。复旦大学提供了3万元的科研经费,赵东元咬咬牙买了一台电脑。实验条件简陋,没有高压反应釜,他就拿塑料瓶代替。

  “如今,我们的科研条件非常好。搞基础研究要有一股崇尚科学的精神,青年科学家更要解放思想、钻研求证,有甘坐冷板凳的精神。”赵东元说。

  赵东元是出了名的“拼命三郎”。他一度几乎每周工作80小时,常连续十几个小时泡在实验室。“中午大家一起吃饭的碎片时间,赵老师也常常讨论学术的问题。”李伟说。在学生眼里,赵东元是一个像介孔材料一样,有着强大“吸附能力”的老师,经常和学生们“打成一片”。

  李伟记得,当年吸引他投身这项研究的,就是赵东元在一场学术报告中展示的美轮美奂的介孔材料。在教书育人方面,赵东元从不为学生设限,积极鼓励大家自由探索,但每一篇论文,他都会严格把关。

  “我们的文章,经过赵老师修改后,经常满篇都是红笔标注,甚至中英文标点符号、单位符号,他都会仔细修订。”李伟记得,赵老师回邮件非常快,不管身在何处,学生的论文他都是一个字一个字修改后才准投稿。正是在这样几乎苛刻的要求下,赵东元指导的研究生曾3次获评全国百篇优秀博士论文,如今团队不少成员都成长为科研骨干。

  除了带研究生,赵东元还会为本科生讲授普通化学课,一周两次,寒来暑往,多年不辍。要是第二天有课,即使前一天还在外地开会,他也一定要连夜赶回学校。

  为了普及科学知识,赵东元还为中学生录制网课,甚至他还担任《十万个为什么(第六版)》的《化学》分册主编,为这本青少年科普读物倾注了不少心血。

  如今,在赵东元的带领下,这些“造孔之人”有了更多“异想天开”的想法:介孔材料如果用在衣服上,衣物就能既轻薄又保暖;如果用在医疗领域,或许能让韧带顺着它重新生长;介孔材料上做出“离子通道”,就能实现海水发电……在这肉眼看不见的介孔微观世界里,他们的创新之路正越走越宽阔。(来源:人民日报)

免责声明:本文为 陈皮网(www.chenpe.com)投稿作者: 本站 的原创作品。 欢迎转载,转载请注明原文出处:https://www.chenpe.com/news/313497.html。本文仅代表作者个人观点,不代表陈皮网观点和立场。
收藏