【2020年度国家自然科学奖一等奖】用科学思维在微观世界“异想天开”

本刊记者/ 管浩

介孔材料是一种多孔材料，孔径介于2-50纳米。而功能化介孔材料，是将介孔材料改性而使其具有不同的功能。

| 中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元

2021年11月3日，国家科学技术奖公布。中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元、教授李伟等完成的“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”项目，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，获得国家自然科学奖一等奖。这也是18年来上海再次获得国家自然科学奖一等奖。

介孔材料是20世纪发展起来的崭新的材料体系，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。

2001年前后，整个介孔材料都局限于无机材料。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。

3万元起家的“异想天开”实验团队

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。

01：赵东元在实验室指导学生实验，2021年

02：指导研究生工作：赵东元在实验室观看学生合成介孔高分子

“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。经过一番深思熟虑，赵东元在国内几家顶尖高校中选择了复旦大学。

在复旦大学，赵东元一待便是23年，始终专注功能介孔材料研究，取得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— —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……

在许多人眼中，赵东元的科研道路无比顺畅，但这背后，蕴含了他对科研的热爱与超人的勤勉。

刚回国时，国内整体科研条件和国外差距较大。复旦大学为赵东元提供了3万元科研经费，他买了一台电脑，很快坐进简陋的催化楼办公室，写起研究计划，带领5名本科生，开始了对功能介孔材料创制和合成的研究。

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。“前面四年多的时间，实验进展非常缓慢，整个合成过程非常复杂，就像是在一个黑箱子里乱撞。”赵东元说道。

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》中记录着：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……

而转机来自一位复旦大学转专业本科生。

历史系学生给化学家团队带来“转机”

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研究工作。

“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。”赵东元说道。在学生的启发下，他打开了思路，接下来两个月，大家紧锣密鼓调节实验参数、测试分析，年底就基本得到了所有数据。

2005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”的新思想，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和碳材料等，发表论文4万多篇，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30000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……

赵东元出生于沈阳一个普通工人家庭，没有接受过什么特别的训练，但他从小就喜欢刨根问底，因此，他也鼓励青年大学生和青少年敢于“异想天开”。

虽然从事的是基础研究，但赵东元将研究与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，那么肯定会能找到它的用途，哪怕目前来看还较昂贵。

经过不断压缩成本，赵东元团队成功将科研成果投入到工业化生产，并开展大规模制备。比如：将介孔材料作为催化剂使用，大大提高重油转化效率，全国推广后每年可为中石化增产约150万吨高质量油品；将介孔碳和介孔高分子吨级生产，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，研究成果还在生物检测、环境处理、电子材料等诸多方面得到广泛应用。

“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。”说起科研，赵东元总是神采奕奕。

“打孔人”和他的学生们

赵东元是出了名的“工作狂”，对科研的认真和勤奋超乎常人。“他几乎每周工作80小时，常连续十几个小时泡在实验室。”他的学生、复旦大学化学系教授李伟说道，“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。”

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？赵东元回复：没有别的，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。

“科研需要你沉浸，需要你喜欢。能进复旦大学的学生，无论文科理科，我相信智力全都够了，剩下的就看你是否真的喜欢。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。

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……其研究生还获得过三次“百篇优秀博士论文”荣誉。

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，鼓励学生自由探索，后面会经常给予建设性的建议。

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年从复旦大学博士毕业，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。重回复旦大学后，李伟结合海外所学，拓展了新的研究领域。

“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。

即使研究再忙，赵东元也没有放下科普工作。除了为中学生开讲座、录制网课，他还主编《十万个为什么（第六卷）》，认真编写内容，花费了不少心血。

赵东元表示，科学家一定得后继有人，科学事业才能不断发展，宣扬科学也是科学家的职责。“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，人类的生活会更加美好。”