在看不到的微观世界里“造孔”会有什么收获?为了把这个脑海中“一闪而过”的设想应用到真实世界,中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元一研究就是20余年。

在微观世界里,孔径介于2纳米至50纳米之间的材料被称为“介孔材料”。将2克介孔材料的表面积展开,可铺满6000平方米的足球场。在2000年左右,介孔材料都局限于无机材料,如果能创制出有机介孔材料,相较此前的无机材料不仅能拓展材料体系,还能创造出更高的经济价值。“那个时候我就想能不能做出有机高分子的材料。”赵东元近日接受第一财经独家专访时说。

不过由于该研究领域没有先例,赵东元和团队多年都没有取得突破,常年泡在实验室的他们几乎陷入“死胡同”,直到2003年的一个晚上,初试测到了一组漂亮的数据。紧接着,课题组继续投入实验和测试分析。

2005年,赵东元和团队在《德国应用化学》上发表论文,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。这项研究在国际学术界被评为“先驱”、“里程碑”、“突破”、“重要进展”,并获得了2020年度国家自然科学奖一等奖,这也是18年来上海再次获得基础研究领域最高奖项。

“人们提到爱因斯坦想到相对论,提到法拉第就想到了电磁效应,若只在3秒内就能让人想起他的重要科学贡献,就是一个知名的科学家。”赵东元认为。

作为创制有序功能介孔高分子和碳材料的“造孔”魔术师,赵东元和团队是如何找到突破的?接下来功能介孔材料还将应用在哪些新的领域?

应用广泛,从催化剂到新能源电池

化学作为一门研究物质的科学,是离工业最近的基础学科。“我们不仅研究物质的变化,而且还可以创造新物质,化学家就像是魔术师。”赵东元说。

1998年,结束了在美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校的博士后工作,35岁的赵东元回到上海,并在复旦大学任教,专注功能化介孔材料的研究。不过,彼时想做出有机高分子材料,并非易事。

赵东元团队研究了三年也没取得进展。“我们的学生做实验都快做哭了,因为这个领域从来没有先例,幸运的是最后有一个学生真的取得了突破。”

赵东元提到的这个学生——顾栋,如今已是武汉大学教授。2003年10月的一个晚上,顾栋用一种反常规的方法进行实验,测到了一组非常漂亮的数据,他立马兴奋地打电话给赵东元。在顾栋的这组数据启发下,赵东元和团队继续调节参数、测试分析,年底就基本得到了所有数据,并在2005年发表了那篇突破性论文。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。

当谈到功能化介孔材料下一步如何应用于经济生活,赵东元向记者解释,任何一个物体都有它的用处,如果能在这个物体上面打上孔,一定用处更多。功能化介孔材料作为一种新型材料,用途广泛,不仅可以充当催化剂,做电池、传感器,还可以应用于生物医疗、化妆品等。

介孔材料的突破影响深远。比如,在电池领域,因为涉及电子传输,那么打上孔就有了传输通道,这样就能把电池中的电解液“吸”过来,从而使充放电的反应速度加快,提高电池的能量密度,“将来一台电动车充满电可能只要半小时”。在催化剂领域,介孔材料也能提高重油转化效率,全国推广后每年可增产约150万吨的高质量油品。

截至目前,赵东元团队一共创造出19种以FDU(复旦大学)命名的新型介孔材料,这些新型介孔材料已经进行了千吨级生产,在加氢裂化、蛋白质分离、固定化酶和生物玻璃补骨材料等应用方面,为国内外研究单位提供实验试剂。

而关于接下来的实际应用,他也有更多的新设想,其中一个便是介孔材料合成方法学中的模块化组装,这个也是受儿子爱玩的乐高积木所启发。他告诉记者,这个新的研究方向,通俗地说就是假设孔能不能像皮筋似地拉开,而且孔径能根据气流的变化而改变。

此外,赵东元也幻想着某一天新型介孔材料能成为液体。他说,虽然(将介孔材料做成)穿戴材料还没能实现,但是科学是可以指导实际应用的,如果以后做成液体的介孔材料,只要把材料抹在身上就能保暖、隔热了。“科学的原理和规律非常重要,并不是说这个东西当前一定能用,科学是可以指导日常生活的。”

成果转化政策要有连续性

由于化学是一门承上启下的中心科学,不少科研成果很快能转化成产品,在成果转化过程中,还需要重点加强哪些工作?

在赵东元看来,化学不同于生物医疗,一个新药落地可能花费20年,在化学领域大概5~10年就可以把实验室的成果转化为化学工业的技术。

高校和科研院所作为科技成果转化的主力军,近年来成果转化工作已进入平稳发展阶段。2021年共有3649家高校院所以转让、许可、作价投资和技术开发、咨询、服务方式转化的合同总金额为1581.8亿元,总合同项数为564616项。

“我国经济发展速度非常快,对化学工业的需求很大,因此成果转化的氛围和政策环境都很好,但是仍存在一些不足。比如政策的连续性不够。”赵东元对记者解释,从实验室到工业化要经历一个过程,这中间的人才、投资目前都还不够。大家都想直接把技术拿过来生产进而产生效益,但从实验室到成果落地是需要一个转化过程的,这方面的配套措施和欧美发达国家相比还是有差距。

他认为,如今一些大型企业的成果转化、基础研究能力都比较弱,企业还应该提高自身的基础研究能力。“技术和科学比较接近,虽然都是创新,但是两者的规律不完全一样,像埃隆·马斯克这样的企业家是技术创新,并不属于基础研究的创新。”

关于企业的基础研究能力,今年发布的《中国研发经费报告(2022)》也显示,企业执行基础研究经费不足是中国基础研究面临的突出问题。2020年,中国基础研究经费中企业执行占比仅为6.52%,同期美国基础研究企业执行比例达32.14%,日本这一数据是47.07%。

赵东元表示,虽然我国基础研究起步较晚,相较有几百年历史的西方来说只有几十年,但是已经进步显著,比如在科研硬件环境方面,几乎已经和欧美不相上下,甚至有的地方还略有优势。“刚开始我回国的时候实验室都没有电子绘图仪,我们做记录都是用手描。现在的硬件环境真的好太多了,这40年的变化翻天覆地。”

但是在“软实力”方面,他认为还是有差距的,这就更需要科研人员拥有“理性的思维和大胆质疑的科学精神”。

赵东元强调,独立思考是科研工作的关键所在,年轻人要打破常规思维,敢于异想天开,跟从和认同是做不出创新工作的。“一个基础研究工作者,一旦他‘异想天开’的设想有一天能实现,根本不需要外界的任何表扬。内心的喜悦和幸福感溢于言表,这也是一个科研工作者的动力所在。”