微米和纳米科技材料

这项研究开辟了纳米科学的新方向(2020年国家科学技术奖获奖项目之旅(第二部分))

资料来源:《人民日报》

赵东元指导学生进行实验。有这样一种神奇的材料,应用在5g手机的电路板上,可以实现5g手机的工业化生产;在催化领域,可将重质原油转化为汽油和柴油;它还可用于制造新能源电池,作为医药中间体和精细化学品催化剂,以及吸附污水中的杂质。。。这是一种介孔材料,一种孔径在2到50纳米之间的多孔材料。最近,2020年国家科学技术奖宣布。在中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元的带领下,李伟等团队成员完成了“有序介孔聚合物和碳材料的创造与应用”项目,邓永辉、张帆获国家自然科学奖一等奖

作为中国基础研究领域的最高奖项,国家自然科学奖一等奖备受关注。记者最近联系了“有序介孔聚合物和碳材料的创造与应用”项目组,从“微观和纳米尺度”感受中国自主创新的节奏

神奇介孔材料在许多领域都有着广阔的应用前景

有一个词叫“无孔不入”,大多数人对“多孔材料”并不陌生。例如,自然界中的棉花和蜂窝、我们经常使用的干燥剂和活性炭都是“多孔材料”。介孔材料是20世纪发展起来的一种新型材料体系。它具有排列规则、孔结构可调、比表面积大、吸附容量大等特点。它在高分子催化、吸附分离、纳米组装、生物化学等领域有着广泛的应用前景。多孔材料的产生离不开化学和分子自组装,这是自然界的普遍现象。赵东元说:“例如,人体的核酸和细胞膜是由一些分子组装而成的,这些分子构成了万物的基础。”“介孔材料之所以能发挥如此多的神奇作用,是因为在这种规模上,它们具有更大的孔径和更快的传质速率,并且材料可以产生特殊的纳米效应。因为它们有毛孔,我们可以在毛孔里做很多事情。“

2001年以前,整个介孔材料仅限于无机材料,具有脆性高、密度高、加工难度大、不易降解等缺点。当时,研究无机介孔材料多年的赵东元突发奇想:我们能创造一种有机高分子材料吗?

“我们从自然界的自组装现象中汲取教训,用无机化合物如二氧化硅制成介孔材料。然而,材料的另一个重要组成部分是聚合物和碳,它们在国民经济中发挥着重要作用。只有打开这扇门,介孔材料才能拓展更多的可能性。”赵东元说。

有序介孔聚合物和碳材料的创建与应用本项目创造性地提出了有机-有机自组装的思想,创建了有序功能性介孔聚合物和碳材料,揭示了介孔材料独特的材料传输和界面反应规律,实现了介孔炭材料的大规模生产,促进了其在催化、储能等领域的应用。国际学术评价:这项研究开辟了纳米科学的新方向,是一个“里程碑”,为了克服这一问题,赵东元成立了一个科研团队。然而,要制造出能够从无到有的材料绝非易事。在前几年,该项目进展缓慢,成果很少。赵东元回忆道:“我们率先提出了有机聚合物‘自组装’合成介孔酚醛树脂(酚醛树脂,一种非常‘古老’的聚合物材料)的新想法,但整个合成过程非常复杂,就像在‘黑匣子’中碰撞一样。”团队成员孟岩在他的博士论文中清楚地记录到:“起初,实验无法产生介孔材料,所有的纳米颗粒都聚集在一起……”

“这样一个复杂的问题可以简化吗?形成聚合物的自组装过程可以一步一步地进行吗?”赵东元指导学生们以一种非常规的方式进行实验。他的努力得到了回报。2003年10月,团队最终测试了一组非常漂亮的数据我的学生Gu Dong一看到结果就非常兴奋,半夜打电话给我。应该说我们还是很幸运的。。。”赵东元回忆道P>

在接下来的两个月里,赵东元带领团队进行了实验、参数调整、测试和分析,到年底基本获得了所有数据。2005年,赵东元发表文章,在世界上首次提出了有机自组装的新思想,并发表了实验方法。到目前为止,已有60多个国家和地区的1500多家公司和科研机构进行了后续研究,采用类似的方法对介孔聚合物和碳材料进行了研究,发表论文4万多篇,引领了国际介孔材料领域的发展。

此后,赵东元带领团队建立了系统的合成方法,并创造了一系列具有不同孔径、形貌、组成和孔结构的有序介孔聚合物和碳材料,提出了多组分协同组装的新策略,实现了对介孔聚合物和碳材料功能的精确调控,在聚合物和碳材料中引入了多种功能,创造了新型功能性介孔复合材料,揭示了介孔材料独特的材料传输和界面反应规律,解决了微孔传质限制和少大孔活性位点的问题,实现了高比容量和高效率的功率和长循环稳定性,为电化学独特的新一代药物合成催化剂、仿生离子通道的构建奠定了基础。灵活的微流控设备等,创造了巨大的经济效益。

我生来就有一种“物质”,必须有用。我可以成为一个“凿子”,通过不断降低成本,赵东源的团队已经将科研成果投入到工业生产中,并进行了大规模的准备。例如,介孔材料被用作催化剂,以大大提高重油的转化效率。经过全国推广,每年可增加优质油品150万吨左右;介孔碳和介孔聚合物可以以吨为单位生产和运输。它已用于超级电容器,并已在LED路灯和电动汽车中得到证明。此外,研究成果已广泛应用于生物检测、环境治理、电子材料等诸多方面。赵东元始终坚信我的“材料”会有用:“化学是一门与工业密切相关的基础学科,许多成就都可以转化。”

赵东元一直声称自己是“一个拿着‘凿子’在微观世界上凿洞的人”。经过多年的研究,他甚至患上了“职业病”——他想在工作日看到的任何材料上打洞。“在20年的研究过程中,这个团队一直在不断创新。”团队成员、复旦大学化学系教授李伟说。

赵东元记得,他刚回国时,国内科研条件与国外有很大差距。复旦大学提供了3万元的科研经费,赵东元咬紧牙关买了一台电脑。实验条件简单、粗糙。没有高压灭菌器,所以他拿了一个塑料瓶来代替。

“今天,我们的科研条件很好。从事基础研究,我们应该有崇尚科学的精神,年轻科学家应该解放思想,研究验证,有愿意坐在板凳上的精神。”赵东元说P>

赵东元是著名的“绝望的萨布鲁”。他每周工作将近80个小时,经常在实验室呆上十多个小时。“午餐期间,赵先生经常讨论学术问题,”李伟说。在学生眼中,赵东元先生是一位像介孔材料一样具有很强“吸附能力”的老师,经常与学生“聚在一起”

李伟记得,正是赵东元在一份学术报告中展示的美丽的介孔材料吸引了他来此研究。在教书育人方面,赵东元从不限制学生,积极鼓励大家自由探索,但他会严格控制每篇论文。

<P“赵先生修改后,我们的文章经常用红笔标记,甚至用中英文标点符号和单位符号。他会仔细修改。”李伟记得赵先生很快回复了他的电子邮件。不管他在哪里,学生们的论文在被允许投稿之前都要逐字修改。正是在这种近乎苛刻的要求下,赵东元指导的研究生三次被评为中国优秀博士论文100篇。现在很多

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