【2020年度國家自然科學獎一等獎】用科學思維在微觀世界“異想天開”

本刊記者/ 管浩

介孔材料是一種多孔材料，孔徑介于2-50納米。而功能化介孔材料，是將介孔材料改性而使其具有不同的功能。

| 中國科學院院士、復旦大學化學系教授趙東元

2021年11月3日，國家科學技術獎公布。中國科學院院士、復旦大學化學系教授趙東元、教授李偉等完成的“有序介孔高分子和碳材料的創制和應用”項目，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，獲得國家自然科學獎一等獎。這也是18年來上海再次獲得國家自然科學獎一等獎。

介孔材料是20世紀發展起來的嶄新的材料體系，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。

2001年前后，整個介孔材料都局限于無機材料。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。

3萬元起家的“異想天開”實驗團隊

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。

01：趙東元在實驗室指導學生實驗，2021年

02：指導研究生工作：趙東元在實驗室觀看學生合成介孔高分子

“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。”而“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。經過一番深思熟慮，趙東元在國內幾家頂尖高校中選擇了復旦大學。

在復旦大學，趙東元一待便是23年，始終專注功能介孔材料研究，取得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— —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……

在許多人眼中，趙東元的科研道路無比順暢，但這背后，蘊含了他對科研的熱愛與超人的勤勉。

剛回國時，國內整體科研條件和國外差距較大。復旦大學為趙東元提供了3萬元科研經費，他買了一臺電腦，很快坐進簡陋的催化樓辦公室，寫起研究計劃，帶領5名本科生，開始了對功能介孔材料創制和合成的研究。

回顧整個過程，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。“前面四年多的時間，實驗進展非常緩慢，整個合成過程非常復雜，就像是在一個黑箱子里亂撞。”趙東元說道。

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》中記錄著：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……

而轉機來自一位復旦大學轉專業本科生。

歷史系學生給化學家團隊帶來“轉機”

2002年，復旦大學在全國率先施行本科生轉專業制度。酷愛化學、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研究工作。

“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。”趙東元說道。在學生的啟發下，他打開了思路，接下來兩個月，大家緊鑼密鼓調節實驗參數、測試分析，年底就基本得到了所有數據。

2005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”的新思想，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和碳材料等，發表論文4萬多篇，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30000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……

趙東元出生于沈陽一個普通工人家庭，沒有接受過什么特別的訓練，但他從小就喜歡刨根問底，因此，他也鼓勵青年大學生和青少年敢于“異想天開”。

雖然從事的是基礎研究，但趙東元將研究與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。”趙東元相信“天生我材必有用”，既然能創造出這個結構的材料，那么肯定會能找到它的用途，哪怕目前來看還較昂貴。

經過不斷壓縮成本，趙東元團隊成功將科研成果投入到工業化生產，并開展大規模制備。比如：將介孔材料作為催化劑使用，大大提高重油轉化效率，全國推廣后每年可為中石化增產約150萬噸高質量油品；將介孔碳和介孔高分子噸級生產，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，研究成果還在生物檢測、環境處理、電子材料等諸多方面得到廣泛應用。

“我真的愿意做科研，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。”說起科研，趙東元總是神采奕奕。

“打孔人”和他的學生們

趙東元是出了名的“工作狂”，對科研的認真和勤奮超乎常人。“他幾乎每周工作80小時，常連續十幾個小時泡在實驗室。”他的學生、復旦大學化學系教授李偉說道，“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。”

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？趙東元回復：沒有別的，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。

“科研需要你沉浸，需要你喜歡。能進復旦大學的學生，無論文科理科，我相信智力全都夠了，剩下的就看你是否真的喜歡。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。”他說。

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……其研究生還獲得過三次“百篇優秀博士論文”榮譽。

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，鼓勵學生自由探索，后面會經常給予建設性的建議。

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年從復旦大學博士畢業，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。重回復旦大學后，李偉結合海外所學，拓展了新的研究領域。

“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。

即使研究再忙，趙東元也沒有放下科普工作。除了為中學生開講座、錄制網課，他還主編《十萬個為什么（第六卷）》，認真編寫內容，花費了不少心血。

趙東元表示，科學家一定得后繼有人，科學事業才能不斷發展，宣揚科學也是科學家的職責。“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，人類的生活會更加美好。”