微米和纳米科技材料

将梦想变为现实这些“魔术师”在纳米材料上打洞——论有序介孔聚合物和碳材料的创造和应用,国家自然科学奖一等奖

将梦想变为现实这些“魔术师”在纳米材料上打洞

关于有序介孔聚合物和碳材料的创造和应用,国家自然科学奖一等奖,火车轰鸣着穿过山洞。。。这些看似无关的东西有一个共同点,那就是“洞”功能的使用。无论是用于过滤,还是作为传输通道或存储空间,各种各样的孔都使自然和人类社会的出现变得更加可能

有几位科学家像魔术师一样,在纳米尺度上制造各种各样的孔。他们还因出色的打孔技术而获奖。11月3日,以中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元为首的“有序介孔聚合物和碳材料的创造与应用”,获得2020年国家自然科学奖一等奖

发展:在有机高分子材料上制孔

在阐明这项研究之前,先谈谈什么是“介孔”。根据国际纯化学和应用化学联合会的定义,孔径小于2纳米的孔称为微孔,孔径大于50纳米的孔称为大孔,孔径在2-50纳米之间的中孔称为中孔。介孔材料顾名思义是指孔径为2-50nm的多孔材料

与本体材料相比,介孔材料具有高比表面积、大孔径和孔体积。它们可以携带更多的活性物质,实现更快的物质运输。广泛应用于能源、环境、安全、生物医学等领域

1998年,赵东元回国复旦大学化学系任教。五岁的时候,他开始研究功能性介孔材料的创造和合成

当时,自组装介孔材料是由无机非金属或金属组成的。这种介孔材料具有脆性大、密度高、加工难度大、不易降解等缺点。赵东元思考:整个介孔材料仅限于无机成分。你能创造出一种柔软、轻便、易于使用的有机高分子材料,并为国民经济创造价值吗?前辈们已经尝试过,但失败了。由于聚合物和碳的形成是一个聚合过程,因此很难控制此类材料中的孔隙形成。具体而言,聚合物前驱体与模板之间的相互作用较弱,因此难以组装形成有序的介孔结构。同时,聚合物前驱体与模板的组成相似,很难去除模板形成介孔结构。此外,聚合物前驱体的热稳定性较差,很难转化为有序的介孔碳材料

在实验初期,赵东元的科研团队屡遭失败。一些成员在实验记录中写道:“我们得到的不是有序的介孔结构,而是凝聚的纳米颗粒……”。在研究开始后的三年内,研究小组在这方面取得了缓慢的进展。2003年10月,研究小组终于迎来了转机。一名本科生提出,在制备介孔聚合物的过程中,聚合物首先聚合,然后合成。这种非常规操作大大简化了实验步骤,并成功获得了一组非常漂亮的数据

2005年,赵东元的团队在德国应用化学杂志上发表了一篇文章,首次提出了一种新的有机自组装方法,一种新型介孔材料——有序介孔聚合物和碳材料。到目前为止,他们已经发表了8篇关于有序介孔聚合物和碳材料的创造和应用的代表性研究论文,在韩国科学与工程院院士Ryong Ryoo关于介孔材料起源的讨论中被引用3825次,以有序介孔高分子材料的软模板合成为几种介孔材料的典型代表之一,说它开辟了纳米科学的新方向

梦想:在介孔材料领域掀起一场革命

这项研究在聚合物和碳材料领域掀起了一场革命

据统计,赵东元团队提出的有机-有机自组装新理念以及由此产生的介孔聚合物和碳材料已被60多个国家和地区的1500多家科研机构采用和研究,发表论文近42000篇,引领国际介孔材料领域的发展

基础研究之花在应用方面也取得了丰硕成果。由于有序介孔聚合物和碳材料具有轻质、柔性、易加工、可降解等特点,可用于新能源、石油化工、环境治理、材料运输、电子器件、生物医学等领域,相关产品销售额已超过1亿元

赵东元表示,采用介孔材料的印刷电路板已投入生产。制备大表面积介孔材料超级电容器的研究正在逐步推进,介孔液体的制备也在如火如荼地进行。该项目的主要实施者之一李伟表示,该团队还致力于有序介孔聚合物和碳材料的精细合成。“我希望将来能在像乐高这样的纳米材料上创造颜色和形状的孔。”

这个团队拥有无限的想象力和脚踏实地的造梦能力。“年轻人应该聪明勤奋。”赵东元刚刚回到中国,每周工作近80小时。他经常连续在实验室呆上十多个小时。有时,他在晚餐时不会忘记讨论学术问题。35岁的李伟已经和赵东元一起做了14年的研究。他说:“赵先生是一位导师,像他父亲一样以身作则。他的勤奋、学术严谨和热情激励我们年轻人从事前沿的基础科学研究。”

谈到从事基础研究的年轻人,李伟结合自己的经验说:“我们应该热爱、专注和坚持。我们不怕坐在板凳上。我们应该瞄准一个目标,努力工作。”四个方面”对科技工作者提出了具体要求,人人都能从中发光。“赵东元给年轻人发了一条信息,不要有太多的幻想,像蚂蚁一样工作,一切都要脚踏实地。”P>

这一次,基础科学研究在全国科学技术奖励大会上更加蓬勃发展。赵东源说,经过改革开放40多年的发展和积累,基础研究必将取得丰硕成果,包括先导和创业。“但是,中国在基础研究领域仍有许多方面需要追赶。我建议营造全民崇尚科学的氛围和宽松的科研环境,发扬解放思想、大胆探索、批判性质疑的精神,使思想得到充分发挥。”赵东元表示,下一步,他将把大部分精力用于推动介孔材料相关研究成果的应用,做更多的科普工作。(记者戴晓培)

来源:科技日报

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