趙東元：把研究用在國家需要的地方
“真正要在科學上有所作為，我覺得最重要的就是‘愛’。這份愛不是簡單的興趣，而是一種從內心生發(fā)出的理性思考。這種驅動力強烈到你愿意為它付出所有。”近日，在回答“科研中最重要的是什么”時，中國科學院院士、復旦大學化學與材料學院院長趙東元如是說。
在熱愛的驅動下，趙東元在功能介孔材料領域深耕了30多年。
作為20世紀90年代發(fā)展起來的嶄新材料體系，介孔材料的孔徑介于2至50納米之間，有著極高的比表面積、規(guī)則有序且可調節(jié)的孔道結構、狹窄的孔徑分布，在能源、健康、信息、環(huán)境等諸多領域具有廣泛的應用前景。
趙東元帶領團隊提出了“有機-有機”分子自組裝方法，創(chuàng)造了有序介孔有機高分子和介孔碳材料，使得介孔材料的應用范圍拓寬至能源、環(huán)境、生物醫(yī)學、電子信息等領域，創(chuàng)造出了巨大的經濟效益。
他的成果獲得了2020年度國家自然科學獎一等獎，被國際同行評價為“先驅”“里程碑”，吸引了60多個國家和地區(qū)的1500余家科研機構跟蹤研究。
趙東元 受訪者供圖
“做科研除了要敢想，還要能做出來”
趙東元對化學的熱愛，早在中學時期就萌芽了。
初三期中考試前，經過大學生哥哥的輔導，趙東元的化學竟考了100分。從此以后，他對化學的興趣越來越濃，高考填報志愿時更是全部選擇了化學專業(yè)。
1998年，在海外完成博士后研究工作后，趙東元決定回國加入復旦大學。那時，海外學成回國的人雖然不少，但有相當一部分人水土不服，回國后又選擇離開。
“當時我可以申請綠卡，但是決定回國后，就沒有申請。萬一我有了綠卡，回國后稍有不順就容易跑出來，得‘破釜沉舟’，斷了這條后路。”趙東元說。
自斷后路的趙東元一心撲到了介孔材料研究上。他自稱“造孔之人”，“看到任何一個東西，我總是在想‘能不能造孔’”。
就介孔碳材料來說，1克的比表面積可達3000平方米，相當于半個足球場的面積。
“當時國內科研條件相對落后，好在做材料合成并不完全依賴先進儀器設備。通過不斷學習、嘗試，我們很快就達到了國際水平。”回國后不久，趙東元就帶領團隊實現了無機介孔材料定向合成，先后發(fā)明了20種以復旦大學（FDU）命名的功能介孔材料。
對于命名，趙東元有自己的考慮：“作為科學家，我認同科學無國界，但科學家有自己的祖國和文化。尤其是基礎科研領域，應該涌現出更多用中國人名字命名的成果，彰顯中國人的自信。”
當跟跑、并跑逐漸成為現實，趙東元希望奔向更高的目標——領跑。
2001年之前，介孔材料都局限于無機體系。一次，趙東元突發(fā)奇想：做了這么多無機介孔材料，能不能創(chuàng)造一種有機高分子材料，又軟又輕又好用，還能在國民經濟中創(chuàng)造出非常高的價值？
然而，最初探索的4年多時間里，進展非常緩慢。
轉機來自團隊的一次“腦洞大開”：能不能讓復雜的問題簡單化，把合成過程拆分，進行分步組裝？循著這個思路，團隊從酚醛樹脂這一古老的高分子化合物入手，開啟新一輪實驗。接下來的兩個月，大家緊鑼密鼓調控實驗參數、測試分析，很快就得到了幾乎所有的數據。
“做科研除了要敢想，還要能做出來，這是一件很難的事。”趙東元說。
2005年，趙東元在《德國應用化學》上發(fā)表論文，闡明了“有機-有機”自組裝的新思想和實驗方法，將無機介孔材料的合成擴展到有機體系，開創(chuàng)了“介孔碳”研究新領域。
“把研究用在國家需要的地方”
2008年，趙東元及團隊創(chuàng)造性地提出了表面活性劑輔助界面組裝新方法，合成出具有中心發(fā)散介孔孔道的功能性核殼有序介孔二氧化硅，因其操作簡單、重復性好，被譽為制備殼-核結構介孔材料的經典方法。
不久之后，中國科學院院士、時任國家自然科學基金委員會副主任姚建年交給趙東元一項任務：你們做的基礎研究非常好，今后能不能做應用？
接下這項任務后，趙東元開啟了與中國石化長達10年的合作。
彼時，隨著經濟發(fā)展，我國原油加工量逐年攀升，對外依存度遠超警戒線，嚴重威脅我國的能源和資源供應安全。
在原油煉制中，有30%是難以利用和轉化的渣油，這是煉化行業(yè)公認的“硬骨頭”。
“我們利用殼-核結構的經驗，提出了‘單顆粒級配’的概念。在傳統(tǒng)微孔催化劑表面包覆一層介孔材料，實現了梯度孔道和梯度酸性的有效結合，達到渣油分子高效加氫裂化的目的。”趙東元介紹說，“催化過程中，大分子渣油先在外層、大孔徑的介孔殼層中預裂解形成小分子量的碎片，隨后進入內層微孔核中繼續(xù)裂解，形成高附加值的燃料。”
最終，趙東元首創(chuàng)的殼-核結構的微孔-介孔復合分子篩催化劑，實現了千噸級生產，并成功應用于原油加氫裂化工業(yè)，在齊魯石化建立了56萬噸/年加氫裂化工業(yè)裝置，將中間餾分油收率提高1.5%，目前已穩(wěn)定運行超過5年。這一技術如果在全國范圍內推廣，可增產150萬噸/年的航空煤油和柴油，創(chuàng)造出近百億元經濟效益。
“把研究用在國家需要的地方。”趙東元表示，基于這樣的目標，團隊分工協作、合力攻關，在材料合成、催化、儲能等多個研究方向持續(xù)突破，在電子器件、新能源、生物醫(yī)藥等應用領域產生了一批重要成果——采用介孔材料填充制作的印刷電路板，能量損耗降低近20%，實現了千噸級生產，打破國外技術長期壟斷的局面；生產的介孔碳超級電容器，成功應用在北京奧運村路燈和上海世博會的電動汽車上；基于介孔碳的鈀碳催化劑，廣泛用于藥物中間體加氫、氟化學工業(yè)……
未來，他們還將繼續(xù)研究介孔液體和軟凝聚態(tài)等材料。“也許在不久的將來，介孔液體材料作為石油催化劑，可以注入地下實現原位高效催化轉化，或是做成絕熱材料，薄薄地涂在身上，實現‘美麗不凍人’。”趙東元說。
“我們一定會屹立在世界科學之林”
2021年，趙東元的一張照片火遍全網。照片中的他笑瞇瞇地站在復旦大學教學樓前，手上提著一個布袋子，里面裝著前一天剛從北京領回的2020年度國家自然科學獎一等獎證書。
“同事和學生們要看，我就帶來了。”趙東元從北京的頒獎會場匆忙趕回上海，第二天一早就提著布袋子去給本科生上課。他也因此被親切地稱為“布袋院士”。
自2003年起，趙東元成為復旦大學本科生專業(yè)基礎課“普通化學”的主講教師，每周兩次課。他幾乎從未間斷過上課，出差就連夜趕回，生病做手術也要為上課“讓路”。
即便這門課他已經講了20多年，但每次的課前準備卻一點也不少。“上課前一天，我總要花三四個小時備課，把對基礎知識的最新理解和前沿進展加進去，課件經常需要修改。”趙東元說。
在這位耕耘多年的教師看來，比教授知識更重要的是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。“從基礎知識拓展到最新的科研進展，學生不一定都懂，但我希望能激發(fā)他們產生好奇心，鼓勵他們思考、自由討論，讓他們按照自己的理解找出一條新路。”
提到未來我國的科學發(fā)展，趙東元呼吁大家多點耐心：“科學誕生于歐洲，與其文化同源的美國，經歷了從重視應用到重視基礎的階段，花費了三四十年才出現諾貝爾獎級的科研成果，而日本這一階段花費了近80年的時間。”
“我國改革開放40多年，科技論文數量就已實現國際領先，現在到了產生質變的時候，要去解決一些富有挑戰(zhàn)性的科學問題。我相信，如果我們能沉下心來，為科學而科學，再過三四十年，我國一定會產出更多原創(chuàng)性成果。”趙東元說，“我們一定會屹立在世界科學之林。”
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