文章图片
文章图片
科技日报记者 代小佩
蜜蜂住在蜂窝里 ， 人类曾穴居于洞中 ， 莲蓬裹着莲子 ， 细密的渔网罩住了鱼 ， 热水从花洒中倾泻 ， 火车从山间隧道中呼啸而过……这些看似没有关联的事物有一个共同点 ， 即对“孔”的功能利用 。 不管是用于过滤 ， 还是作为传输通道或储存空间 ， 形形色色的孔让自然界和人类社会的样貌有了更多可能 。
有几位科学家 ， 他们像魔法师一样在纳米尺度上造各种各样的孔 ， 因为造孔出色还获得大奖 。 11月3日 ， 由中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元领衔完成的“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”获得2020年度国家自然科学奖一等奖 。
开拓：在有机高分子材料上造孔 搞清楚这项研究前 ， 先说说什么是“介孔” 。 根据国际纯粹与应用化学联合会的定义 ， 孔径小于2纳米的孔称为微孔 ， 大于50纳米称为大孔 ， 而孔径介于2-50纳米之间的称为介孔 。 介孔材料 ， 顾名思义 ， 是指孔径为2-50纳米的多孔结构材料 。
相比块体材料 ， 介孔材料具有高的比表面积、大的孔径和孔容 ， 可以搭载更多活性物质 ， 实现更快的物质输运 ， 在能源、环境、安全、生物医药等领域有广泛的应用 。
1998年 ， 赵东元回国任教于复旦大学化学系 ， 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 。
1999年赵东元和李全芝、Andre Stein、黄立民在复旦大学校门前
彼时 ， 自组装合成的介孔材料都是无机非金属或金属组成 ， 这种介孔材料存在脆性大、密度高、不易加工、不可降解等缺点 。 赵东元琢磨：整个介孔材料都局限于无机组成 ， 能不能创造一种有机的高分子材料 ， 又软又轻又好用 ， 还能为国民经济创造价值？
有前人尝试过 ， 但没有成功 。 因为高分子和碳的形成是一个聚合的过程 ， 在这样的材料中造孔 ， 很难控制 。 具体来说 ， 高分子前驱体与模板相互作用弱 ， 难以组装形成有序介孔结构 ， 同时 ， 高分子前驱体和模板组成相似 ， 难以去除模板形成介孔结构 。 此外 ， 高分子前驱体热稳定性差 ， 存在难以转化成有序介孔碳材料等难题 。
实验初期 ， 赵东元的科研团队屡战屡败 ， 有成员在实验笔记上记录：“得到的不是有序的介孔结构 ， 而是抱团的纳米粒子……” 。 研究开始后三年内 ， 团队在这方面进展缓慢 。
2000年摄于复旦大学邯郸校区化学西楼
2003年10月 ， 终于迎来转机 。 一名本科生提出 ， 在制作介孔高分子的过程中 ， 把高分子先聚再合成 ， 这一反常规的操作大大简化了实验步骤 ， 成功获得了一组非常漂亮的数据 。
2005年 ， 赵东元团队在《德国应用化学》发表文章 ， 首次提出有机—有机自组装的新方法 ， 一种全新的介孔材料——有序介孔高分子和碳材料 ， 由此诞生 。 截至目前 ， 他们围绕有序介孔高分子和碳材料的创制和应用研究发表的8篇代表性研究论文 ， 共被他引3825次 。
韩国科学与工程院院士RyongRyoo在关于介孔材料起源的论述中 ， 将软模板合成有序介孔高分子材料作为几类介孔材料典型代表之一 ， 称其开拓了纳米科学的新方向 。
造梦：在介孔材料领域掀起革命
这项研究在高分子和碳材料领域掀起了一场革命 。
据统计 ， 赵东元团队提出的有机-有机自组装新思想及由此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 ， 共发表近4.2万篇论文 ， 引领了国际介孔材料领域的发展 。
基础研究之花也在应用中结出硕果 。 由于有序介孔高分子和碳材料具有轻、柔、易加工、可降解等优点 ， 可应用于新能源、石油化工、环境治理、物质输运、电子器件、生物医学等领域 ， 相关产品销售额已超过亿元 。
赵东元说 ， 应用介孔材料的印刷电路板已投入生产 ， 利用介孔材料超大表面积制作超级电容器的研究正逐步推进 ， 介孔液体的创制也在紧锣密鼓进行中 。 项目主要完成人之一李伟称 ， 团队还致力于精细化合成有序介孔高分子和碳材料 ， “希望未来能像搭乐高一样随心所欲地在纳米材料上造形形色色的孔 。 ”
推荐阅读
- 研究表明，地球上的第一个生命依赖于一种致命的有毒气体
- 河南：弟弟冒雨跟婚车，流泪送姐姐出嫁，网友：一家人变两家人
- 河马50厘米长的犬齿不外露，剑齿虎的牙齿复原有没有可能搞错了呢？
- 研究人员用人工智能设计全新的蛋白质结构
- ?关于陨石中的氨基酸的介绍
- 细胞基因也有“两面性”！早期合成关键蛋白质，后期却会引发疾病
- 如果真的有龙，那它是如何飞起来的？从物理的角度分析出来了结果
- 真的有一个平行的空间吗？梦也许是一种感觉到的一种很好的方法。
- 好消息！乳腺癌新药Enhertu（DS-8201)获FDA优先审查：疗效击败T-DM1
- Nature：衰老的根源在核糖体？衰老加剧核糖体暂停，破坏蛋白质稳态