微观尺度造孔,新材料增益小生活大经济
2021年11月07日  |  来源:央视新闻  |  阅读量:7786

若说起海绵、珊瑚、活性炭,你一定不陌生。它们的共同特点,就是身上排布着大量的孔洞。这些孔洞,意味着更大的比表面积、更低的密度、更好的渗透性和吸附性……

在微观世界中,孔径在2纳米至50纳米的介孔材料,自诞生以来便成为学界竞相研究的热点前沿领域。它所具备的一系列特性,在能源、健康、信息、环境等众多行业具有广泛的应用前景。

此前,国际化学界的相关研究都局限在容易合成的无机介孔材料上,而作为材料另一重要组成的高分子和碳能否实现“造孔”,一直是鲜有人问津的“无人区”。

经过大胆想象和辛苦钻研,赵东元团队首次实现了有序介孔高分子和碳材料的创制,被国际同行认为是介孔材料领域“里程碑式”和“先驱性”的进展。

近20年时间,赵东元团队提出的有机—有机自组装思想及产生的介孔高分子和碳材料已被60多个国家和地区的1500余家科研机构采用和研究,引领了国际介孔材料领域的发展。

“把研究真正用在国家需要的地方。”基于这一研究,赵东元团队分工协作,向材料合成、催化、储能等多方向持续突破,在能源转化、电子器件、生物医药等领域产生了一批重要应用成果——

将渣油和重质油进一步催化裂化为轻质油,中石化56万吨级的中试装置运行3年效果显著;采用介孔材料制作的印刷电路板,绝缘性提高近50%,已经实现了每年千吨级生产;靶向药物和不对称药物合成的介孔催化剂也已被开发出来……

创新是从锚定方向到灵光一闪

“别人都做无机,我们能不能做有机?既然原理一样,一定可以做出来。”20年前,闪现在赵东元脑海的这个问题,成为一切的开端。

赵东元把这个想法称为“拍脑袋的科学幻想”。那时,他刚刚结束在美国的博士后工作,回国进入复旦大学任教,一门心思要在祖国大地上做自己最喜欢的科研。

相比于更易控制的无机介孔材料,有机高分子和碳材料有着轻质、柔软、易加工等优势,但其合成过程步骤多、难度大,复杂程度让国内外材料学家们束手无策。

招学生、组团队,提想法、做试验。将近3年过去,记录下的是一次次失败。“就像是在一个黑箱子里乱撞。”但深厚的学科积累和敏锐的洞察力让赵东元无比坚定,“实验科学就是需要不断探索,不断去试。”

转机发生于团队的一个“脑洞”:能不能让复杂的问题简单化,把合成过程拆分,分步组装?循着这个思路,团队从酚醛树脂这一古老的高分子入手,开启新一轮试验。

赵东元至今还清晰记得,2003年一个深夜那通突然的来电。电话那头是学生顾栋激动的声音:形成有序介孔了!

科学的大门一旦开启,便一通百通。有序高分子和介孔碳成功合成后,团队继续提出了有机—有机自组装思想,建立了系统的合成方法,创制了一系列全新的有序介孔高分子和碳材料……

十多年来,赵东元团队创造的19种新型介孔材料,全部以 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实验试剂,促进了产业的发展。

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