趙東元院士：看到材料就想打孔

陳冰

中國科學院院士、復旦大學化學系教授趙東元領銜團隊獲得國家自然科學一等獎。這也是時隔18 年，上海再次獲得國家自然科學獎一等獎。

在剛剛頒布的2020國家科學技術獎中，中國科學院院士、復旦大學化學系教授趙東元領銜團隊原創性提出了有機-有機自組裝思想，創制了有序功能介孔高分子和碳材料，揭示了介孔獨特的物質輸運和界面反應規律，獲得自然科學一等獎。這也是時隔18年，上海再次獲得國家自然科學獎一等獎。

在許多人眼中，趙東元的科研道路無比順暢——2000 年獲國家自然科學基金委員會“杰出青年”基金，2000 年獲教育部“長江學者”特聘教授稱號，2004 年獲得國家自然科學二等獎，2007 年 44 歲的他當選為中國科學院院士;他的研究成果被國際同行認為是“首次”發現、介孔材料領域“里程碑式”和“先驅”的進展;他被列為介孔材料領域發表論文及引用率世界第一位，全球所有領域Top1000科學家，連續八年被列為全球化學和材料領域高被引科學家……

其實這背后蘊藏著他超人的勤勉與堅持。趙東元自稱“造孔之人”，“相當于拿個鑿子，在你們看不到的微觀世界里造孔”。研究多孔材料多年，他養成了一種職業病——平時但凡看到什么材料，他都想把它打成孔。各種“異想天開”，也成為他科研工作的動力和源泉。

“科研需要你沉浸，需要你喜歡。喜歡，就能迸發出無窮的力量。只要沉靜下來去思索，去刨根問底，總有一天會得到回報?！彼f?！拔疫@輩子絕對就想做介孔研究，因為我太喜歡了！”

獲獎之際，趙東元院士接受了《新民周刊》的專訪。

突破介孔研究重大難題

“介孔材料是多孔材料領域最重要的發現之一。它是指孔徑在 2-50 納米的多孔材料。與微孔材料（<2nm）相比，介孔材料具有更大的孔徑和更快的傳質速率;與大孔材料（>50nm）相比，具有更多的適性位點和納米限域效應?！?/p>

趙東元介紹，介孔材料是 20 世紀發展起來的嶄新材料體系，具有規則排列、大小可調的孔道結構及高的比表面積和大的吸附容量，在大分子催化、吸附與分離、納米組裝及生物化學等眾多領域具有廣泛的應用前景。

他所領銜的課題組首次將介孔材料從無機組成擴展到有機高分子和碳，在分子水平上揭示有機-有機自組裝機制，提出了多元協同共組裝新策略，成功合成了有序介孔碳—氧化硅復合材料，這種新型材料柔軟而輕，甚至能立于一株蒲公英上。這一成果前所未有地為無機和有機介孔材料架起了一座橋。

時間倒回到23年前。

1998 年，35歲的趙東元結束了在美國加州大學圣芭芭拉分校的博士后工作，從美國洛杉磯直飛上海。身為東北人的他，之前從未來過上海。他只知道，上海是大都市。

在幾家國內頂尖高校中選擇復旦，趙東元經過了一番深思熟慮。“我就要開始帶課題組做研究了，要從一個‘運動員轉變為‘教練了，一定要去一個好的單位?！倍?“好的單位”，在他看來，關鍵在于有好的科研環境——教授水平要高，學生要優秀。

趙東元剛回國時，國內整體科研條件和國外差距較大。

復旦大學為這位引進人才提供了3萬元科研經費。趙東元買了一臺電腦，很快坐進簡陋的催化樓辦公室，寫起研究計劃。不像在國外，沒有電子繪圖儀，他就用手描;沒有高壓反應釜，他就用塑料瓶代替。之后他帶著5個本科生，開始了對功能介孔材料創制和合成的研究——就是將介孔材料改性而使其具有不同的功能。

2002 年左右，整個介孔材料都局限于無機材料，它們都是由無機非金屬或金屬組成，缺點非常明顯，脆性大、密度高、不易加工、不可降解。趙東元突發奇想：做了這么多無機介孔材料，能不能創造一種有機的高分子材料，又軟又輕又好用，還能在國民經濟中創造出非常高的價值？

為了攻克這個難題，趙東元組建科研團隊，苦戰 5 年?；仡櫿麄€過程，趙東元感慨，實驗之所以做成，一是因為“異想天開”，二是足夠幸運?！罢麄€合成過程非常復雜，就像是在一個黑箱子里亂撞。”前四年多時間，團隊幾乎都在走彎路，甚至主要成員提出退學。

如今，在趙東元辦公室隔壁的陳列室，留存著當年課題組成員們積累的一本本實驗筆記和博士論文。成員孟巖的博士論文《有序的有機高分子介孔材料的合成與結構》記錄著：起初，實驗怎么也做不出介孔，做出的全都是抱團的納米粒子……

轉機來自一位復旦轉專業本科生。2002 年，復旦大學在全國率先施行本科生轉專業制度?？釔刍瘜W、高考未能被第一志愿錄取的歷史系學生顧棟，申請轉到化學系，后選擇趙東元作為本科生導師，開始在實驗室參與一些基礎性工作。

時隔十幾年，如今已是武漢大學教授的顧棟，回憶起2003年10月7日的那個深夜，依然難掩激動。當天，他用一種反常規的方法進行實驗，測試得到一組非常漂亮的數據。

“顧棟非常聰明，他提出把高分子先聚再合成的做法，一下子把步驟從5個簡化成2個?！壁w東元在學生的啟發下打開了思路。接下來兩個月，大家緊鑼密鼓、調節參數、測試分析，年底就基本得到了所有數據。

2005年，《科學》雜志在慶祝創刊125周年之際，發布了當今世界最具挑戰性的125個科學問題，前25個科學問題又被列為重大科學問題，其中之一就是——我們能推動化學自組裝走多遠？

自組裝是一種序構功能材料的重要方法

2005年《科學》雜志在慶祝創刊125 周年之際，發布了當今世界最具挑戰性的125個科學問題， 前25 個科學問題又被列為重大科學問題，其中之一是：How far can we push chemical self-assembly？ 我們能推動化學自組裝走多遠？

也正是在這一年，趙東元在《德國應用化學》上發表文章，在有機-無機自組裝的基礎上首次提出有機-有機自組裝的新方法，并將實驗方法公之于眾。至今已經吸引60多個國家和地區的 1500 余家科研機構跟蹤研究，利用相似的方法研究介孔高分子、碳材料等，發表論文4萬多篇。國際學術界評價這項研究的貢獻為“先驅”“里程碑”“突破”“重要進展”等。

趙東元的課題組也一下“活”了。成員們基于該項目成果發表論文 200 多篇，被引3萬余次。趙東元先后獲得國際介觀結構材料協會成就獎、發展中國家科學院聯想科學獎、首屆中國分子篩成就獎、何梁何利科技進步獎……

就這樣，趙東元在復旦的 23 年里，始終專注功能介孔材料研究，取得了一系列創新研究成果，從一名年輕的科研人員成長為享譽國際的科學家。

隨時隨地“異想天開”

雖然從事的是基礎研究，但趙東元的研究跟實際應用結合得相當緊密。

“化學是離工業最近的一門基礎學科，很多研究成果都能實現轉化?！壁w東元相信“天生我材必有用”，既然能創造出這個結構的材料，那么肯定能找到它的用途，哪怕目前來看還太昂貴。

通過不斷地壓縮成本，趙東元團隊將科研成果投入到工業化生產，開展大規模制備。它們將介孔材料作為催化劑使用，大大提高了重油轉化效率，全國推廣后每年可為中石化增產約150萬噸的高質量油品;將介孔碳和介孔高分子定向合成、噸級生產，運用于超級電容器，在北京奧運會的LED路燈和上海世博會的電動汽車上都得到了示范性應用。此外，介孔高分子有機材料還在生物檢測、環境處理、電子材料等諸多方面得到廣泛應用。

有人大膽預言：中國真正意義上的教育改革很可能要從這個小地方起步。

而在民用方面，目前尚未實現，但趙東元又有了一番奇思妙想：之前的介孔材料都是固態的，是不是可以做成液態的呢？目前，介孔材料在工業上已經作為絕緣隔熱材料使用了，是不是將來也可能應用到衣物上呢？比如用納米孔制作衣服，就可以既輕薄保暖性又強。實際上，他們現在就正在做一種利用有機高分子介孔材料做成的液體?！皩硗磕ㄔ谝路希”∫粚?，就能完全隔熱，你根本都看不出來，零下30度都不怕！”趙東元興奮地說道。

1999年， 趙東元（左一）和李全芝、Andre Stein、黃立民在復旦大學校門前。

這種異于常人的火花經常在趙東元的身上迸射出來。他總是抓住機會吸收別人的好想法，從而保持自己思想的鮮活。還善于從生活中去發現各種“打孔”的可能性。

有一次，他帶兒子去樂高世界玩，看到各種大型組裝構件，他便聯想：在微觀世界，能不能也用各種功能基元搭建形成孔洞？隨后便開辟了一個新的研究方向——介孔材料合成方法學中的模塊化組裝。

還有一次，他去醫院探望病人，對方韌帶斷裂，需要用一個高分子的韌帶將兩處連接起來，然后讓韌帶順著重新生長。他又開始琢磨：能不能定向把兩個孔給嫁接起來？他把想法告訴學生，一起大膽假設、小心求證，尋找用何種材料能夠在微觀下把兩個孔慢慢誘導過來、再通過化學作用合在一起。這項研究，目前也已經取得初步的成果。

趙東元感慨，基礎研究很多時候其實就是無用之學，完全靠科學家的好奇心驅使?！拔艺娴脑敢庾隹蒲?，因為科研面對的全是新鮮事物，可以創造出世界上原本沒有的東西?！?h3>除了勤奮，還是勤奮

1963 年，趙東元生于沈陽的一個普通工人家庭。沒有接受過什么特別的訓練， 但他從小就喜歡刨根問底，夢想長大成為一名科學家。

高中時代，他理科成績優秀，對化學情有獨鐘，但因為偏科嚴重，高考成績并不特別突出，最后考入我國現代理論化學的開拓者和奠基人唐敖慶為校長的吉林大學化學系。在吉大，他完成了本碩博學位攻讀。僅碩士期間，他就發表了 7 篇論文。

他坦言，本科畢業到碩士階段的一段時間，他也一度短暫迷茫過。

當時社會經商氛圍濃厚?！笆旰翱嘧x，到底有沒有意義？我是不是應該早點出來工作？”不過念了碩士后的趙東元很快就打消了這個念頭。他覺得自己這輩子還是最適合科學研究。

趙東元是出了名的“工作狂”，對科研的認真和勤奮超乎常人。

剛回國時，他幾乎每周工作80小時，為了靈光一閃的實驗想法，常常連續十幾個小時泡在實驗室里。那個時候，實驗室都有專人看守，到了晚上11點就會有鐵將軍把門。有時候趙東元有了好的想法，特別想去實驗室操作一番，可是進不去啊。他就向學校建議，實驗室應該改成電子鎖，以方便科學家們隨時隨地地做實驗。

他的學生、復旦大學化學系教授李偉說，中午大家一起吃飯的碎片時間，趙老師也常常討論學術的問題?！胺彩戮团抡J真”是趙東元掛在嘴邊的話?！皩W術始終是趙老師最喜歡的東西，他真的享受科研的樂趣。”李偉說。

李偉本科就讀于黑龍江大學，2007年李偉跑去聆聽了一次趙東元在黑大的報告。“太驚艷了！”當時的李偉感覺，趙東元對介孔材料的控制合成“已經達到出神入化的地步”。第二年，他保研復旦，師從趙東元。如今，這位介孔材料領域的新星已成為趙東元得力的科研伙伴，進一步拓展了介孔碳和介孔高分子的定向合成方法。這一次國家科技一等獎的獲獎項目《有序介孔高分子和碳材料的創制和應用》，就是由趙東元領銜，李偉等團隊成員共同完成的。

2019年介孔材料全球市場產值高達78億美元

很多學生發郵件請教趙東元：到底具備什么條件，才能進您的實驗室工作？趙東元回： 沒有別的，我唯一的條件就是你要愛科學，要有志于成為一名科學工作者?！叭绻荒軐Ｗ⒂诳茖W研究的話，是肯定不會成功的。所以一定要不怕清貧，不怕辛苦，持之以恒。如果每天都像小螞蟻一樣地工作，日積月累之后，就能得到豐厚的收獲?！?/p>

在趙東元看來，一個教授的職責就在于八個字：創造知識、傳授知識。

趙東元的研究生獲得過三次“百篇優秀博士論文”，國內罕見。在趙東元的栽培下，不少學生成長為教授：顧棟，武漢大學高等研究院教授;李偉，復旦大學化學系教授;田博之，美國芝加哥大學杰出教授……

在育人這件事上，趙東元從不為學生設限。平時指導學生科研，他會給個大方向， 但不會告訴學生具體怎么去做，鼓勵學生自由探索，后面會經常給予建設性的建議。顧棟記得，有次為了投一篇文章，在國外聯系趙老師，沒想到對方立刻回復，那時國內已是凌晨一兩點。

當年，顧棟從歷史系轉專業、選他做導師，趙東元非但不拒絕還表示歡迎。李偉也有相似經歷：他2013年從復旦博士畢業，本可直接留校做青年研究員，但趙東元鼓勵他先出去看一看。李偉先后赴加拿大、韓國做博士后，分別從事太陽能電池和新型碳材料研究，大大開拓了視野。重回復旦后，李偉結合海外所學，拓展新的研究領域。

“交叉融合會帶來新的活力，這個領域才能不斷發展。對一個學生的成長來說也是如此，如果局限在一個窄面，那就沒了發展。”趙東元認為。他自己本人也曾經有過訪學以色列的經歷，并受到猶太文化的多重啟示。

在育人這件事上，趙東元從不為學生設限，鼓勵學生自由探索。

上個世紀80年代，他第一次出國深造，去的是以色列的大學。在以色列，他看到當地科學家在戰亂時仍然堅持在實驗室搞科研。“以色列這么小的國家，卻有如此強的創新精神和韌勁，過去幾十年中已經有了六位科學家獲諾貝爾獎?！币彩腔谶@段經歷，趙東元總是苦苦思考著一個問題：我們如何盡快追趕？

“即便不考慮發達國家相對雄厚的科研基礎和科學家的投入程度，他們還有先天優勢?！壁w東元分析，他們日常使用的就是英文，看文獻資料都比我們快得多?！霸趺崔k？我們如何趕超？那只有投入更多的時間。他們花一小時，我花兩小時唄?！?/p>

在趙東元看來，中國科技取得了長足的進步，但在基礎研究領域，還與國外存在著很大的差距。所以，除了帶研究生之外，趙東元還堅持為本科生上了17年的《普通化學》。一周兩次課， 他幾乎從未缺席，即使前一天還在外地開會，也一定連夜飛回來。

2003 年之前，他只給研究生開課。時任復旦大學化學系副系主任、《普通化學》課程負責人王韻華邀請他也為本科生授課。當時正值趙東元科研最繁忙的階段，令王韻華感動的是，趙東元爽快答應。

“我喜歡跟學生們打成一片，也希望通過這種方式不斷加強自己的基礎知識?！壁w東元說。

從做PPT備課開始，趙東元一頭就扎進去了，經常請教老同志備課，邀請大家旁聽、提意見。幾年下來，他的課堂就形成了自己的特色。

“因為他科研做得很好，上課不光干巴巴地講原理，而是融入很多實際應用，學生們都很受啟發。很多學生下課請教他，哪怕是一些簡單的問題，他總是很耐心地講解，從不打擊學生，非常愛護學生的興趣。”

對趙東元來說，與學生們在一起時的自己，不僅在傳授知識，更是傳承一種復旦精神。

十多年來，趙東元團隊一共創造 19 種新型介孔分子篩結構，全部是以 FDU（復旦大學）命名。這些新型介孔材料已經進行了千噸級生產，為國內外研究單位提供試劑，在新型介孔材料用于加氫裂化、蛋白質分離、固定化酶和生物玻璃補骨材料等方面，取得了較好效果。

今年 1 月 9 日，在20多位院士的共同見證下，國家自然科學基金“功能介孔材料基礎科學中心”在復旦大學啟動。作為項目牽頭人，趙東元有更長遠的目標：“科學中心將著力推出一批具有世界影響力的原創性成果，創制中國牌號的新一代催化材料，形成以功能介孔材料為中心的多領域全覆蓋研究高地，引領國際介孔材料領域的發展?！?/p>

隨著行政職務的增加，趙東元不改對科研的專注。幾年前開始，他常?？堪捕ㄆ胨?。有時半夜思考問題，越想越興奮，“恨不得立刻開車到學校做實驗”。至今，他依然常常晚上11點離開實驗室。

工作再忙，趙東元也沒有放下科普。從為中學生開講座到錄制網課，他還主編《十萬個為什么（第六版）》，認真編寫內容，花費不少心血。

“我自己是讀《十萬個為什么》長大的，出版社找到我，我就答應了?！壁w東元說， 科學家一定得后繼有人，科學事業才能不斷發展，而宣揚科學是科學家的職責。“真正的純科學就是刨根問底，還談不上應用。比如研究1+1=2 有什么用？沒用。但它改變了人類的思維，有了這種思維，人類的生活更加美好?！?h3>院士小傳

1980 年，趙東元在吉林大學讀本科。

1963年6月出生于遼寧沈陽，物理化學家，中國科學院院士、第三世界科學院院士，復旦大學化學系教授、博士生導師，復旦大學先進材料實驗室主任。

開創了多種介孔材料合成新路線，制備了一系列熱穩定的、大孔徑的有序介孔氧化物材料、介孔高分子和碳材料，在介孔分子篩結構、外貌控制及多相組裝機理等方面形成獨特見解，建立起分子構筑與有序排列、功能組裝之間的橋梁，實現功能材料的合成設計和宏觀控制，為介孔材料的發展和應用做出了杰出的貢獻。

海外學成歸國，趙東元創造了19種以復旦大學命名的新型介孔分子篩結構（FDU系列），掀起了高分子和碳材料領域的革命，這種新型材料具有輕質、柔性、易加工、可降解等特性，可以廣泛應用于新能源、石油化工、環境治理、電子器件、生物醫學等領域。在能源、健康、信息、環境、安全的應用中具有不可替代的地位。