【这项研究开拓了纳米科学的新方向】国家自然科学奖一等奖项目“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”
这项研究开拓了纳米科学的新方向（2020年度国家科技奖获奖项目巡礼（下））

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赵东元指导学生实验 。复旦大学供图
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 。 采访人员日前走近“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……”