材料领域|把梦想变现实 这群“魔法师”在纳米材料上造孔

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 。
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 。
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 。

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