在微观世界“造孔” 异想天开的复旦团队获得国家自然科学一等奖

11月3日，在2020年度国家科学技术奖励大会上，中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元、教授李伟等完成的《有序介孔高分子和碳材料的创制和应用》项目获得了国家自然科学一等奖。

国家自然科学一等奖是中国自然科学领域的最高奖项，由于该奖项评选极为严格，该奖项在历史上曾出现多次空缺。

记者注意到，这次斩获国自然一等奖的赵东元团队，是一支以擅长“异想天开”，并把奇妙想法数十年如一日付诸实践的青年团队。他们的获奖项目在以无机材料研究方向为主流的介孔材料研究领域，率先提出了“有机-有机自组装”的新思想，创制了全新有序介孔高分子和碳材料，首次将介孔材料从无机组成扩展到有机高分子和碳。该项目为新一代药物合成催化剂、仿生离子通道、柔性微流控器件等的构筑奠定了基础，创造了巨大的经济效益。

赵东元正在带领学生做实验。复旦大学供图

3万元起家的“异想天开”实验团队

赵东元喜欢“造孔”，为了这项看似超级冷门的事业，他从美国一路“造孔”到了中国上海。在复旦大学一待就是23年，始终专注功能介孔材料的研究。

1998年，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。这是这个东北人对上海的首次造访，他在多家国内顶尖高校中，选择了复旦大学。

在上海的23年里，他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。

赵东元至今仍记得，他刚到复旦大学时，国内整体科研条件和国外差距较大。学校在经费有限的情况下，为他提供了3万元科研经费。

他买了一台电脑，很快就坐进了简陋的催化楼办公室，开始写起研究计划。他带着5个本科生，开始了对功能介孔材料创制和合成的研究。

介孔材料是20世纪发展起来的崭新材料体系，具有规则排列、大小可调的孔道结构及较大的吸附容量，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。这种多孔材料的孔径在2至50纳米之间，而把它“功能化”就是将其改性而使其具有不同的功能。

2001年左右，整个介孔材料研究领域都局限于无机材料方向。但赵东元却突发奇想起来——能不能创造一种有机的高分子材料，又软又轻又好用？他迅速组建了科研团队，开始“异想天开”的实验。

“整个合成过程非常复杂，就像是在一个黑箱子里乱撞。”赵东元团队花了5年时间来“异想天开”，他后来回忆时发现，自己和团队在前4年多的时间里，几乎都在“走弯路”。团队成员孟岩的博士论文《有序的有机高分子介孔材料的合成与结构》记录，“起初，实验怎么也做不出介孔，做出来的全都是抱团的纳米粒子。”

历史系学生给化学家团队带来“转机”

谁也想象不到，“转机”竟然会来自一名复旦大学历史系的本科生。

2002年，复旦大学在全国率先施行本科生转专业制度。当时，酷爱化学、高考未能被第一志愿录取的历史系学生顾栋，申请转到化学系，其后，他选择赵东元作为本科生导师，开始在实验室参与一些基础性工作。

时隔十几年，如今已是武汉大学教授的顾栋，忆起十多年前的那个深夜，依然难掩激动。那天，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。

顾栋提出，把高分子先聚合再合成，一下子把步骤从5个简化成2个。赵东元在学生的启发下打开了思路。接下来两个月，化学系团队紧锣密鼓调节实验参数、测试分析，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。 该方法吸引60多个多家和地区的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4万多篇。国际学术界评价这项研究的贡献为“先驱”“里程碑”“突破”等。

赵东元的课题组也一下子“火”了。成员们基于该项目成果发表论文200多篇，被引30000余次。

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。后期经过不断压缩成本，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。

比如，将介孔材料作为催化剂使用，大大提高重油转化效率，该项目全国推广后每年可为中石化增产约150万吨高质量成品油；将介孔碳和介孔高分子材料、吨级生产，运用于超级电容器，在北京奥运会的LED路灯和上海世博会的电动汽车上都得到了示范性应用；介孔材料还能在生物检测、环境处理、电子材料等诸多方面得到广泛应用。

鼓励学生随时随地“异想天开”

在民用材料领域，赵东元也早有一番畅想——介孔材料将来是否也可用于衣物？比如用纳米孔制作衣服，既轻薄，保暖性又强。

这个擅长且喜欢“异想天开”的团队，如今正在做一种利用介孔高分子材料打造的液体。“将来把这个液体抹在身上，薄薄一层，就能完全隔热，你根本都看不出来！零下30摄氏度都不带怕的！”赵东元说。

赵东元自称“造孔之人”，“相当于拿个凿子，在你们看不到的微观世界里‘造孔’”。而各种“异想天开”，如今已经成为赵东元及其团队工作的动力和源泉。

有一次，他带儿子去乐高世界玩，看到各种大型组装构件，他便联想，在微观世界能不能也用各种功能基元搭建形成孔洞？随后他又开辟了一个新的研究方向——介孔材料合成方法学中的模块化组装。

又有一次，他去医院探望一名韧带断裂的病人，对方需要用一个高分子韧带将断裂处连接起来，再让韧带重新生长。他又开始琢磨，能不能定向把两个孔给嫁接起来？他把想法告诉学生，一起大胆假设、小心求证，寻找能够在微观环境下把两个孔慢慢诱导过来的材料，再通过化学作用合在一起。这项研究，目前也已取得初步成果。

赵东元出生于沈阳一个普通工人家庭，没有接受过什么特别的训练，但他从小就喜欢刨根问底，梦想长大成为一名科学家。因此，他也特别鼓励青年大学生和青少年们敢于“异想天开”。

因此，即便工作再忙，他也没有放下科普。从为中学生开讲座、录制网课，到主编《十万个为什么（第六卷）》，但凡能给青年人带去启发的事儿，他一件也没有落下。

他从不为学生设限。平时指导学生科研，他会给个大方向， 但不会告诉学生具体怎么去做，鼓励学生自由探索。顾栋记得，自己有次为了投一篇文章，在国外联系赵老师，没想到对方立刻回复，那时国内已是凌晨一两点钟。

当年，顾栋从历史系转专业、选他做导师，赵东元非但不拒绝还表示欢迎。“交叉融合会带来新的活力，这个领域才能不断发展。对一个学生的成长来说也是如此，如果局限在一个窄面，那就没了发展。”赵东元还坚持为本科生上《普通化学》17年，一周两次课，他几乎从未缺席。即使前一天还在外地开会，他也一定连夜飞回来上课。

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。

赵东元说，科学家一定得后继有人，科学事业才能不断发展，而宣扬科学是科学家的职责。在他看来，一个教授的职责就在于八个字——创造知识、传授知识。