“造孔之人”赵东元:引领国际介孔材料发展

2021年11月08日 09:13:30 | 来源:中国侨网

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中国侨网赵东元领衔完成的“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 复旦大学供图

  “和艺术家突发灵感一样,我也想给万物‘造孔’,赋予它们催化、物质传输等功能。”11月3日,刚在中国2020年度国家科学技术奖励大会上凭借“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”项目荣获国家自然科学奖一等奖的中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元,向中新网记者如是阐释自己的科研梦想。

  介孔材料,这一孔径在2-50纳米、并不为普罗大众所熟知的多孔材料,却在赵东元的手里被用得“出神入化”:将介孔材料作为催化剂使用,可大大提高重油转化效率,全国推广后每年可为中石化增产约150万吨的高质量油品;此外,还在超级电容器、生物检测环境处理、电子材料等国民经济领域得到广泛应用。

  赵东元提出的有机-有机自组装新思想及产生的介孔高分子和碳材料已被60多个国家和地区的1500余家科研机构采用和研究,引领了国际介孔材料领域的发展;其研究成果被国际同行认为是“首次”发现、介孔材料领域“里程碑式”和“先驱”的进展。

赵东元(左) 复旦大学供图

  苦战5年开介孔材料先河

  1998年,应复旦大学的邀请,35岁的赵东元结束了在美国加州大学圣芭芭拉分校的博士后工作,从美国洛杉矶直飞上海。彼时国内整体科研条件和国外差距较大,不少有留学经验的高端人才都选择留在国外,而赵东元则毅然选择回国。

  谈起回国动机,赵东元笑称:“我其实也不算人才引进,是我自己‘自投罗网’回到复旦大学”“我的祖国是中国,中国人勤奋又好学,在化学合成方面有很大天赋,我相信一定能弄出成果来”。

  在复旦大学,已经独当一面的赵东元开始带课题组做研究,在科研上完成了从“运动员”到“教练”的转变。复旦大学为这位引进人才提供了3万元科研经费。赵东元买了一台电脑,很快坐进简陋的催化楼办公室,写起研究计划,带着5个本科生,开始了对功能介孔材料创制和合成的研究。

  2001年左右,整个介孔材料都局限于无机材料。赵东元突发奇想:做了这么多无机介孔材料,能不能创造一种有机的高分子材料,又软又轻又好用,还能在国民经济中创造出高价值?

  为了攻克这个难题,赵东元组建科研团队,苦战5年。前4年多时间,进展非常缓慢。转机来自2002年一位从复旦历史系转专业到化学系,跟随赵东元参与基础性试验的本科生顾栋。

  时隔十几年,如今已是武汉大学教授的顾栋,忆起2003年10月7日的那个深夜,依然难掩激动。当天深夜,他用一种反常规的方法进行实验,测试得到一组非常漂亮的数据。得到数据的顾栋喜出望外,当晚就给赵东元打电话汇报结果。

  回顾整个过程,赵东元感慨,实验之所以做成,一是因为“异想天开”,二是足够幸运,“整个合成过程非常复杂,就像是在一个黑箱子里乱撞”。在学生的启发下,赵东元打开了思路。接下来两个月,大家紧锣密鼓调节实验参数、测试分析,年底就基本得到了所有数据。

  2005年,赵东元在《德国应用化学》上发表文章,在有机-无机自组装的基础上首次提出有机-有机自组装的新方法,并将实验方法公之于众;至今已经吸引60多个国家和地区的1500余家科研机构跟踪研究,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。国际学术界评价这项研究的贡献为“先驱”、“里程碑式”、“突破”进展等。

2000年,赵东元在复旦大学邯郸校区化学西楼 复旦大学供图

  “造孔之人”一心造孔

  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”。研究多孔材料多年,他养成了一种职业病——平时但凡看到什么材料,他都想把它打成孔。各种"异想天开”,也成为他科研工作的动力和源泉。

  虽从事基础研究,但赵东元的研究跟实际应用结合得相当紧密。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,赵东元的学生、复旦大学化学系教授李伟介绍道,中国开采出来的原油通过蒸馏等方式只有约40%可用作柴汽油,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渣油转化为汽油,大大提高重油转化效率,全国推广后每年可为中石化增产约150万吨的高质量油品。

  而在民用方面,赵东元也早有一番畅想:介孔材料在工业上已经作为绝缘和隔热材料使用,是不是将来也可能应用到衣物上?比如用纳米孔制作衣服,既轻薄、保暖性又强。实际上他们目前就正在做一种利用介孔高分子材料做成的液体。“将来抹在身上,薄薄一层,就能完全隔热,你根本都看不出来,零下三十度都不怕!”赵东元兴奋说道。

  在外界看来,赵东元的成功离不开他对科研的认真和超乎常人的勤奋。“我真的愿意做科研,因为科研面对的全是新鲜事物,可以创造出世界上原本没有的东西。”说起科研,他总是神采奕奕。

  赵东元是出了名的“工作狂”。刚回国时,他几乎每周工作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。

  随着行政职务的增加,赵东元不改对科研的专注。有时半夜思考问题,越想越兴奋,“恨不得立刻开车到学校做实验”。至今,他依然常常晚上十一点离开实验室。

  育人从不为学生设限

  在复旦,赵东元一待,便是23年,始终专注功能介孔材料研究,取得一系列创新研究成果,从一名年轻的科研人员成长为享誉国际的科学家:2000年获国家自然科学基金委员会杰出青年基金,同年获教育部长江学者特聘教授称号,2004年获得国家自然科学奖二等奖,2007年44岁的他当选为中国科学院院士…

  在赵东元看来,一个教授的职责就在于八个字:创造知识、传授知识。

  赵东元的研究生获得过三次“全国百篇优秀博士论文”,国内罕见。在赵东元的栽培下,不少学生成长为教授:顾栋,武汉大学高等研究院教授;李伟,复旦大学化学系教授;田博之,美国芝加哥大学杰出教授。

  谈及对青年科学家的寄语,赵东元感慨道,当年我们拿到3万科研经费,经过艰苦奋斗总算弄出成果,而现今我们的仪器设备已经“武装到牙齿”了。年轻人要想真正出成果,还是要崇尚科学、坐得住冷板凳、大胆解放思想,大胆去想,大胆求证,这至关重要。

  十多年来,赵东元团队一共创造19种新型介孔材料,全部是以FDU(复旦大学)命名。这些新型介孔材料已经进行了千吨级生产,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应用方面,取得了较好效果。

  “复旦是中国人的品牌。作为科学家,我认为科学无国界,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人的名字命名,来弘扬中国人的自信。”赵东元期待着,未来有越来越多中国人的名字,出现在教科书上。

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