2021年12月08日 星期三
赵东元院士:看到材料就想打孔
第66版:人物 2021-11-22

赵东元院士:看到材料就想打孔

陈冰

上图:中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元领衔团队获得国家自然科学一等奖。这也是时隔18年,上海再次获得国家自然科学奖一等奖。

自组装是一种序构功能材料的重要方法 制图/刘绮黎

下 图:1999年,赵东元(左一)和李全芝、Andre Stein、黄立民在复旦大学校门前。

制图/刘绮黎

上图:在育人这件事上,赵东元从不为学生设限,鼓励学生自由探索。

“科研需要你沉浸,需要你喜欢。喜欢,就能迸发出无穷的力量。只要沉静下来去思索,去刨根问底,总有一天会得到回报。” 他说。“我这辈子绝对就想做介孔研究,因为我太喜欢了!”

撰稿|陈冰

在刚刚颁布的2020国家科学技术奖中,中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元领衔团队原创性提出了有机-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,获得自然科学一等奖。这也是时隔18年,上海再次获得国家自然科学奖一等奖。

在许多人眼中,赵东元的科研道路无比顺畅——2000 年获国家自然科学基金委员会“杰出青年” 基金,2000 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二等奖,2007 年 44 岁的他当选为中国科学院院士;他的研究成果被国际同行认为是“首次” 发现、介孔材料领域“里程碑式”和“先驱”的进展;他被列为介孔材料领域发表论文及引用率世界第一位,全球所有领域Top1000科学家,连续八年被列为全球化学和材料领域高被引科学家……

其实这背后蕴藏着他超人的勤勉与坚持。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”。研究多孔材料多年,他养成了一种职业病——平时但凡看到什么材料,他都想把它打成孔。各种“异想天开”,也成为他科研工作的动力和源泉。

“科研需要你沉浸,需要你喜欢。喜欢,就能迸发出无穷的力量。只要沉静下来去思索,去刨根问底,总有一天会得到回报。” 他说。“我这辈子绝对就想做介孔研究,因为我太喜欢了!”

获奖之际,赵东元院士接受了《新民周刊》的专访。

突破介孔研究重大难题

“介孔材料是多孔材料领域最重要的发现之一。它是指孔径在2-50 纳米的多孔材料。与微孔材料(<2nm)相比,介孔材料具有更大的孔径和更快的传质速率;与大孔材料(>50nm)相比,具有更多的适性位点和纳米限域效应。”

赵东元介绍,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高的比表面积和大的吸附容量,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。

他所领衔的课题组首次将介孔材料从无机组成扩展到有机高分子和碳,在分子水平上揭示有机-有机自组装机制,提出了多元协同共组装新策略,成功合成了有序介孔碳—氧化硅复合材料,这种新型材料柔软而轻,甚至能立于一株蒲公英上。这一成果前所未有地为无机和有机介孔材料架起了一座桥。

时间倒回到23年前。

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。身为东北人的他,之前从未来过上海。他只知道,上海是大都市。

在几家国内顶尖高校中选择复旦,赵东元经过了一番深思熟虑。“我就要开始带课题组做研究了,要从一个‘运动员’转变为‘教练’了,一定要去一个好的单位。” 而 “好的单位”,在他看来,关键在于有好的科研环境——教授水平要高,学生要优秀。

赵东元刚回国时,国内整体科研条件和国外差距较大。

复旦大学为这位引进人才提供了3万元科研经费。赵东元买了一台电脑,很快坐进简陋的催化楼办公室,写起研究计划。不像在国外,没有电子绘图仪,他就用手描;没有高压反应釜,他就用塑料瓶代替。之后他带着5个本科生,开始了对功能介孔材料创制和合成的研究——就是将介孔材料改性而使其具有不同的功能。

2002 年左右,整个介孔材料都局限于无机材料,它们都是由无机非金属或金属组成,缺点非常明显,脆性大、密度高、不易加工、不可降解。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的高分子材料,又软又轻又好用,还能在国民经济中创造出非常高的价值?

为了攻克这个难题,赵东元组建科研团队,苦战 5 年。回顾整个过程,赵东元感慨,实验之所以做成,一是因为“异想天开”,二是足够幸运。“整个合成过程非常复杂,就像是在一个黑箱子里乱撞。” 前四年多时间,团队几乎都在走弯路,甚至主要成员提出退学。

如今,在赵东元办公室隔壁的陈列室,留存着当年课题组成员们积累的一本本实验笔记和博士论文。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……

转机来自一位复旦转专业本科生。2002 年,复旦大学在全国率先施行本科生转专业制度。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,后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,回忆起2003年10月7日的那个深夜,依然难掩激动。当天,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。

“顾栋非常聪明,他提出把高分子先聚再合成的做法,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,大家紧锣密鼓、调节参数、测试分析,年底就基本得到了所有数据。

2005年,《科学》杂志在庆祝创刊125周年之际,发布了当今世界最具挑战性的125个科学问题,前25个科学问题又被列为重大科学问题,其中之一就是——我们能推动化学自组装走多远?

也正是在这一年,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。至今已经吸引60多个国家和地区的 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、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”“重要进展” 等。

赵东元的课题组也一下“活”了。成员们基于该项目成果发表论文 200多篇,被引3万余次。赵东元先后获得国际介观结构材料协会成就奖、发展中国家科学院联想科学奖、首届中国分子筛成就奖、何梁何利科技进步奖……

就这样,赵东元在复旦的 23 年里,始终专注功能介孔材料研究,取得了一系列创新研究成果,从一名年轻的科研人员成长为享誉国际的科学家。

随时随地“异想天开”

虽然从事的是基础研究,但赵东元的研究跟实际应用结合得相当紧密。

“化学是离工业最近的一门基础学科,很多研究成果都能实现转化。” 赵东元相信“天生我材必有用”,既然能创造出这个结构的材料,那么肯定能找到它的用途,哪怕目前来看还太昂贵。

通过不断地压缩成本,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。它们将介孔材料作为催化剂使用,大大提高了重油转化效率,全国推广后每年可为中石化增产约150万吨的高质量油品;将介孔碳和介孔高分子定向合成、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。此外,介孔高分子有机材料还在生物检测、环境处理、电子材料等诸多方面得到广泛应用。

而在民用方面,目前尚未实现,但赵东元又有了一番奇思妙想:之前的介孔材料都是固态的,是不是可以做成液态的呢?目前,介孔材料在工业上已经作为绝缘隔热材料使用了,是不是将来也可能应用到衣物上呢?比如用纳米孔制作衣服,就可以既轻薄保暖性又强。实际上,他们现在就正在做一种利用有机高分子介孔材料做成的液体。“将来涂抹在衣服上,薄薄一层,就能完全隔热,你根本都看不出来,零下30度都不怕!” 赵东元兴奋地说道。

这种异于常人的火花经常在赵东元的身上迸射出来。他总是抓住机会吸收别人的好想法,从而保持自己思想的鲜活。还善于从生活中去发现各种“打孔” 的可能性。

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?随后便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。

还有一次,他去医院探望病人,对方韧带断裂,需要用一个高分子的韧带将两处连接起来,然后让韧带顺着重新生长。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,寻找用何种材料能够在微观下把两个孔慢慢诱导过来、再通过化学作用合在一起。这项研究,目前也已经取得初步的成果。

赵东元感慨,基础研究很多时候其实就是无用之学,完全靠科学家的好奇心驱使。“我真的愿意做科研,因为科研面对的全是新鲜事物,可以创造出世界上原本没有的东西。”

除了勤奋,还是勤奋

1963 年,赵东元生于沈阳的一个普通工人家庭。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。

高中时代,他理科成绩优秀,对化学情有独钟,但因为偏科严重,高考成绩并不特别突出,最后考入我国现代理论化学的开拓者和奠基人唐敖庆为校长的吉林大学化学系。在吉大,他完成了本硕博学位攻读。仅硕士期间,他就发表了 7 篇论文。

他坦言,本科毕业到硕士阶段的一段时间,他也一度短暂迷茫过。

当时社会经商氛围浓厚。“十年寒窗苦读,到底有没有意义?我是不是应该早点出来工作?” 不过念了硕士后的赵东元很快就打消了这个念头。他觉得自己这辈子还是最适合科学研究。

赵东元是出了名的“工作狂”,对科研的认真和勤奋超乎常人。

刚回国时,他几乎每周工作80小时,为了灵光一闪的实验想法,常常连续十几个小时泡在实验室里。那个时候,实验室都有专人看守,到了晚上11点就会有铁将军把门。有时候赵东元有了好的想法,特别想去实验室操作一番,可是进不去啊。他就向学校建议,实验室应该改成电子锁,以方便科学家们随时随地地做实验。

他的学生、复旦大学化学系教授李伟说,中午大家一起吃饭的碎片时间,赵老师也常常讨论学术的问题。“凡事就怕认真” 是赵东元挂在嘴边的话。“学术始终是赵老师最喜欢的东西,他真的享受科研的乐趣。” 李伟说。

李伟本科就读于黑龙江大学,2007年李伟跑去聆听了一次赵东元在黑大的报告。“太惊艳了!” 当时的李伟感觉,赵东元对介孔材料的控制合成“已经达到出神入化的地步”。第二年,他保研复旦,师从赵东元。如今,这位介孔材料领域的新星已成为赵东元得力的科研伙伴,进一步拓展了介孔碳和介孔高分子的定向合成方法。这一次国家科技一等奖的获奖项目《有序介孔高分子和碳材料的创制和应用》,就是由赵东元领衔,李伟等团队成员共同完成的。

很多学生发邮件请教赵东元:到底具备什么条件,才能进您的实验室工作?赵东元回: 没有别的,我唯一的条件就是你要爱科学,要有志于成为一名科学工作者。“如果不能专注于科学研究的话,是肯定不会成功的。所以一定要不怕清贫,不怕辛苦,持之以恒。如果每天都像小蚂蚁一样地工作,日积月累之后,就能得到丰厚的收获。”

在赵东元看来,一个教授的职责就在于八个字:创造知识、传授知识。

赵东元的研究生获得过三次“百篇优秀博士论文”,国内罕见。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……

在育人这件事上,赵东元从不为学生设限。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,后面会经常给予建设性的建议。顾栋记得,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。

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。李伟也有相似经历:他2013年从复旦博士毕业,本可直接留校做青年研究员,但赵东元鼓励他先出去看一看。李伟先后赴加拿大、韩国做博士后,分别从事太阳能电池和新型碳材料研究,大大开拓了视野。重回复旦后,李伟结合海外所学,拓展新的研究领域。

“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。” 赵东元认为。他自己本人也曾经有过访学以色列的经历,并受到犹太文化的多重启示。

上个世纪80年代,他第一次出国深造,去的是以色列的大学。在以色列,他看到当地科学家在战乱时仍然坚持在实验室搞科研。“以色列这么小的国家,却有如此强的创新精神和韧劲,过去几十年中已经有了六位科学家获诺贝尔奖。” 也是基于这段经历,赵东元总是苦苦思考着一个问题:我们如何尽快追赶?

“即便不考虑发达国家相对雄厚的科研基础和科学家的投入程度,他们还有先天优势。” 赵东元分析,他们日常使用的就是英文,看文献资料都比我们快得多。“怎么办?我们如何赶超?那只有投入更多的时间。他们花一小时,我花两小时呗。”

在赵东元看来,中国科技取得了长足的进步,但在基础研究领域,还与国外存在着很大的差距。所以,除了带研究生之外,赵东元还坚持为本科生上了17年的《普通化学》。一周两次课, 他几乎从未缺席,即使前一天还在外地开会,也一定连夜飞回来。

2003 年之前,他只给研究生开课。时任复旦大学化学系副系主任、《普通化学》课程负责人王韵华邀请他也为本科生授课。当时正值赵东元科研最繁忙的阶段,令王韵华感动的是,赵东元爽快答应。

“我喜欢跟学生们打成一片,也希望通过这种方式不断加强自己的基础知识。” 赵东元说。

从做PPT备课开始,赵东元一头就扎进去了,经常请教老同志备课,邀请大家旁听、提意见。几年下来,他的课堂就形成了自己的特色。

“因为他科研做得很好,上课不光干巴巴地讲原理,而是融入很多实际应用,学生们都很受启发。很多学生下课请教他,哪怕是一些简单的问题,他总是很耐心地讲解,从不打击学生,非常爱护学生的兴趣。”

对赵东元来说,与学生们在一起时的自己,不仅在传授知识,更是传承一种复旦精神。

十多年来,赵东元团队一共创造 19 种新型介孔分子筛结构,全部是以 FDU(复旦大学)命名。这些新型介孔材料已经进行了千吨级生产,为国内外研究单位提供试剂,在新型介孔材料用于加氢裂化、蛋白质分离、固定化酶和生物玻璃补骨材料等方面,取得了较好效果。

今年 1 月 9 日,在20多位院士的共同见证下,国家自然科学基金“功能介孔材料基础科学中心” 在复旦大学启动。作为项目牵头人,赵东元有更长远的目标:“科学中心将着力推出一批具有世界影响力的原创性成果,创制中国牌号的新一代催化材料,形成以功能介孔材料为中心的多领域全覆盖研究高地,引领国际介孔材料领域的发展。”

随着行政职务的增加,赵东元不改对科研的专注。几年前开始,他常常靠安定片入睡。有时半夜思考问题,越想越兴奋,“恨不得立刻开车到学校做实验”。至今,他依然常常晚上11点离开实验室。

工作再忙,赵东元也没有放下科普。从为中学生开讲座到录制网课,他还主编《十万个为什么(第六版)》,认真编写内容,花费不少心血。

“我自己是读《十万个为什么》长大的,出版社找到我,我就答应了。” 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。“真正的纯科学就是刨根问底,还谈不上应用。比如研究1+1=2 有什么用?没用。但它改变了人类的思维,有了这种思维,人类的生活更加美好。”

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