引力波|他们是在纳米材料上造孔的“魔法师” 机器学习|生物医学|探测器

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【引力波|他们是在纳米材料上造孔的“魔法师”】

科技日报记者代小佩
蜜蜂住在蜂窝里，人类曾穴居于洞中，莲蓬裹着莲子，细密的渔网罩住了鱼，热水从花洒中倾泻，火车从山间隧道中呼啸而过……这些看似没有关联的事物有一个共同点，即对“孔”的功能利用。不管是用于过滤，还是作为传输通道或储存空间，形形色色的孔让自然界和人类社会的样貌有了更多可能。
有几位科学家，他们像魔法师一样在纳米尺度上造各种各样的孔，因为造孔出色还获得大奖。 11月3日，由中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元领衔完成的“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”获得2020年度国家自然科学奖一等奖。
开拓：在有机高分子材料上造孔搞清楚这项研究前，先说说什么是“介孔” 。根据国际纯粹与应用化学联合会的定义，孔径小于2纳米的孔称为微孔，大于50纳米称为大孔，而孔径介于2-50纳米之间的称为介孔。介孔材料，顾名思义，是指孔径为2-50纳米的多孔结构材料。
相比块体材料，介孔材料具有高的比表面积、大的孔径和孔容，可以搭载更多活性物质，实现更快的物质输运，在能源、环境、安全、生物医药等领域有广泛的应用。
1998年，赵东元回国任教于复旦大学化学系，带着5个本科生，开始了对功能介孔材料创制和合成的研究。
1999年赵东元和李全芝、Andre Stein、黄立民在复旦大学校门前
彼时，自组装合成的介孔材料都是无机非金属或金属组成，这种介孔材料存在脆性大、密度高、不易加工、不可降解等缺点。赵东元琢磨：整个介孔材料都局限于无机组成，能不能创造一种有机的高分子材料，又软又轻又好用，还能为国民经济创造价值？
有前人尝试过，但没有成功。因为高分子和碳的形成是一个聚合的过程，在这样的材料中造孔，很难控制。具体来说，高分子前驱体与模板相互作用弱，难以组装形成有序介孔结构，同时，高分子前驱体和模板组成相似，难以去除模板形成介孔结构。此外，高分子前驱体热稳定性差，存在难以转化成有序介孔碳材料等难题。
实验初期，赵东元的科研团队屡战屡败，有成员在实验笔记上记录：“得到的不是有序的介孔结构，而是抱团的纳米粒子……” 。研究开始后三年内，团队在这方面进展缓慢。
2000年摄于复旦大学邯郸校区化学西楼
2003年10月，终于迎来转机。一名本科生提出，在制作介孔高分子的过程中，把高分子先聚再合成，这一反常规的操作大大简化了实验步骤，成功获得了一组非常漂亮的数据。
2005年，赵东元团队在《德国应用化学》发表文章，首次提出有机—有机自组装的新方法，一种全新的介孔材料——有序介孔高分子和碳材料，由此诞生。截至目前，他们围绕有序介孔高分子和碳材料的创制和应用研究发表的8篇代表性研究论文，共被他引3825次。
韩国科学与工程院院士RyongRyoo在关于介孔材料起源的论述中，将软模板合成有序介孔高分子材料作为几类介孔材料典型代表之一，称其开拓了纳米科学的新方向。
造梦：在介孔材料领域掀起革命
这项研究在高分子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-有机自组装新思想及由此产生的介孔高分子和碳材料已被60多个国家和地区的1500余家科研机构采用和研究，共发表近4.2万篇论文，引领了国际介孔材料领域的发展。
基础研究之花也在应用中结出硕果。由于有序介孔高分子和碳材料具有轻、柔、易加工、可降解等优点，可应用于新能源、石油化工、环境治理、物质输运、电子器件、生物医学等领域，相关产品销售额已超过亿元。
赵东元说，应用介孔材料的印刷电路板已投入生产，利用介孔材料超大表面积制作超级电容器的研究正逐步推进，介孔液体的创制也在紧锣密鼓进行中。项目主要完成人之一李伟称，团队还致力于精细化合成有序介孔高分子和碳材料， “希望未来能像搭乐高一样随心所欲地在纳米材料上造形形色色的孔。 ”