作者:刘如楠 来源:中国科学报 发布时间:2024/1/25 14:14:58
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赵东元:把研究用在国家需要的地方

 

“真正要在科学上有所作为,我觉得最重要的就是‘爱’。这份爱不是简单的兴趣,而是一种从内心生发出的理性思考。这种驱动力强烈到你愿意为它付出所有。”近日,在回答“科研中最重要的是什么”时,中国科学院院士、复旦大学化学与材料学院院长赵东元如是说。

在热爱的驱动下,赵东元在功能介孔材料领域深耕了30多年。

作为20世纪90年代发展起来的崭新材料体系,介孔材料的孔径介于2至50纳米之间,有着极高的比表面积、规则有序且可调节的孔道结构、狭窄的孔径分布,在能源、健康、信息、环境等诸多领域具有广泛的应用前景。

赵东元带领团队提出了“有机-有机”分子自组装方法,创造了有序介孔有机高分子和介孔碳材料,使得介孔材料的应用范围拓宽至能源、环境、生物医学、电子信息等领域,创造出了巨大的经济效益。

他的成果获得了2020年度国家自然科学奖一等奖,被国际同行评价为“先驱”“里程碑”,吸引了60多个国家和地区的1500余家科研机构跟踪研究。

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赵东元 受访者供图

“做科研除了要敢想,还要能做出来”

赵东元对化学的热爱,早在中学时期就萌芽了。

初三期中考试前,经过大学生哥哥的辅导,赵东元的化学竟考了100分。从此以后,他对化学的兴趣越来越浓,高考填报志愿时更是全部选择了化学专业。

1998年,在海外完成博士后研究工作后,赵东元决定回国加入复旦大学。那时,海外学成回国的人虽然不少,但有相当一部分人水土不服,回国后又选择离开。

“当时我可以申请绿卡,但是决定回国后,就没有申请。万一我有了绿卡,回国后稍有不顺就容易跑出来,得‘破釜沉舟’,断了这条后路。”赵东元说。

自断后路的赵东元一心扑到了介孔材料研究上。他自称“造孔之人”,“看到任何一个东西,我总是在想‘能不能造孔’”。

就介孔碳材料来说,1克的比表面积可达3000平方米,相当于半个足球场的面积。

“当时国内科研条件相对落后,好在做材料合成并不完全依赖先进仪器设备。通过不断学习、尝试,我们很快就达到了国际水平。”回国后不久,赵东元就带领团队实现了无机介孔材料定向合成,先后发明了20种以复旦大学(FDU)命名的功能介孔材料。

对于命名,赵东元有自己的考虑:“作为科学家,我认同科学无国界,但科学家有自己的祖国和文化。尤其是基础科研领域,应该涌现出更多用中国人名字命名的成果,彰显中国人的自信。”

当跟跑、并跑逐渐成为现实,赵东元希望奔向更高的目标——领跑。

2001年之前,介孔材料都局限于无机体系。一次,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高分子材料,又软又轻又好用,还能在国民经济中创造出非常高的价值?

然而,最初探索的4年多时间里,进展非常缓慢。

转机来自团队的一次“脑洞大开”:能不能让复杂的问题简单化,把合成过程拆分,进行分步组装?循着这个思路,团队从酚醛树脂这一古老的高分子化合物入手,开启新一轮实验。接下来的两个月,大家紧锣密鼓调控实验参数、测试分析,很快就得到了几乎所有的数据。

“做科研除了要敢想,还要能做出来,这是一件很难的事。”赵东元说。

2005年,赵东元在《德国应用化学》上发表论文,阐明了“有机-有机”自组装的新思想和实验方法,将无机介孔材料的合成扩展到有机体系,开创了“介孔碳”研究新领域。

“把研究用在国家需要的地方”

2008年,赵东元及团队创造性地提出了表面活性剂辅助界面组装新方法,合成出具有中心发散介孔孔道的功能性核壳有序介孔二氧化硅,因其操作简单、重复性好,被誉为制备壳-核结构介孔材料的经典方法。

不久之后,中国科学院院士、时任国家自然科学基金委员会副主任姚建年交给赵东元一项任务:你们做的基础研究非常好,今后能不能做应用?

接下这项任务后,赵东元开启了与中国石化长达10年的合作。

彼时,随着经济发展,我国原油加工量逐年攀升,对外依存度远超警戒线,严重威胁我国的能源和资源供应安全。

在原油炼制中,有30%是难以利用和转化的渣油,这是炼化行业公认的“硬骨头”。

“我们利用壳-核结构的经验,提出了‘单颗粒级配’的概念。在传统微孔催化剂表面包覆一层介孔材料,实现了梯度孔道和梯度酸性的有效结合,达到渣油分子高效加氢裂化的目的。”赵东元介绍说,“催化过程中,大分子渣油先在外层、大孔径的介孔壳层中预裂解形成小分子量的碎片,随后进入内层微孔核中继续裂解,形成高附加值的燃料。”

最终,赵东元首创的壳-核结构的微孔-介孔复合分子筛催化剂,实现了千吨级生产,并成功应用于原油加氢裂化工业,在齐鲁石化建立了56万吨/年加氢裂化工业装置,将中间馏分油收率提高1.5%,目前已稳定运行超过5年。这一技术如果在全国范围内推广,可增产150万吨/年的航空煤油和柴油,创造出近百亿元经济效益。

“把研究用在国家需要的地方。”赵东元表示,基于这样的目标,团队分工协作、合力攻关,在材料合成、催化、储能等多个研究方向持续突破,在电子器件、新能源、生物医药等应用领域产生了一批重要成果——采用介孔材料填充制作的印刷电路板,能量损耗降低近20%,实现了千吨级生产,打破国外技术长期垄断的局面;生产的介孔碳超级电容器,成功应用在北京奥运村路灯和上海世博会的电动汽车上;基于介孔碳的钯碳催化剂,广泛用于药物中间体加氢、氟化学工业……

未来,他们还将继续研究介孔液体和软凝聚态等材料。“也许在不久的将来,介孔液体材料作为石油催化剂,可以注入地下实现原位高效催化转化,或是做成绝热材料,薄薄地涂在身上,实现‘美丽不冻人’。”赵东元说。

“我们一定会屹立在世界科学之林”

2021年,赵东元的一张照片火遍全网。照片中的他笑眯眯地站在复旦大学教学楼前,手上提着一个布袋子,里面装着前一天刚从北京领回的2020年度国家自然科学奖一等奖证书。

“同事和学生们要看,我就带来了。”赵东元从北京的颁奖会场匆忙赶回上海,第二天一早就提着布袋子去给本科生上课。他也因此被亲切地称为“布袋院士”。

自2003年起,赵东元成为复旦大学本科生专业基础课“普通化学”的主讲教师,每周两次课。他几乎从未间断过上课,出差就连夜赶回,生病做手术也要为上课“让路”。

即便这门课他已经讲了20多年,但每次的课前准备却一点也不少。“上课前一天,我总要花三四个小时备课,把对基础知识的最新理解和前沿进展加进去,课件经常需要修改。”赵东元说。

在这位耕耘多年的教师看来,比教授知识更重要的是培养学生的创新精神。“从基础知识拓展到最新的科研进展,学生不一定都懂,但我希望能激发他们产生好奇心,鼓励他们思考、自由讨论,让他们按照自己的理解找出一条新路。”

提到未来我国的科学发展,赵东元呼吁大家多点耐心:“科学诞生于欧洲,与其文化同源的美国,经历了从重视应用到重视基础的阶段,花费了三四十年才出现诺贝尔奖级的科研成果,而日本这一阶段花费了近80年的时间。”

“我国改革开放40多年,科技论文数量就已实现国际领先,现在到了产生质变的时候,要去解决一些富有挑战性的科学问题。我相信,如果我们能沉下心来,为科学而科学,再过三四十年,我国一定会产出更多原创性成果。”赵东元说,“我们一定会屹立在世界科学之林。”

 
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