赵东元三十年“造孔”获未来科学大奖：把“无用”变成“有用”

中国科学院院士、国家自然科学奖一等奖得主赵东元在复旦大学实验室里指导学生（2023年9月2日摄）。 新华社记者 方喆 摄

一个休息日的午饭时间，赵东元接到一通陌生电话。他起初以为是快递，接起后才知道，自己获得了2026年未来科学大奖物质科学奖。

“我很惊讶。”赵东元说。比起奖金，他更看重同行的认可：“这是对我30年来深耕介孔材料的认可，是对科研成果的肯定。”

现为中国科学院院士、复旦大学教授的赵东元，此次因对介孔材料作出开创性贡献而获奖，相关贡献包括合成控制、机制理解和工业应用。

介孔并不是某一种材料，而是孔径在2至50纳米之间的一类孔。带有这类孔道的材料，被称为介孔材料。赵东元打了一个比方：孔就像杯子，既增加材料的表面积，也提供容纳物质的空间。在化学反应中，这些孔道还可以成为微小的反应空间，用于吸附、筛分和转化分子。

凭借这些纳米尺度的孔道，介孔材料被应用于催化、能源存储与转化、环境治理和生物医药等领域。赵东元及其合作者发展了有序介孔材料的普适性合成方法，将介孔材料的组成从无机材料拓展到有机高分子、碳材料和多组分功能体系。

一个“孔”，为什么值得研究30年？

赵东元对扩大多孔材料孔径的探索始于博士阶段。彼时，人们已经知道天然沸石的孔径较小，也一直在寻找让大分子进入并发生转化的办法。1992年，有序介孔材料的发现引起国际学界关注。看到相关成果时，赵东元一度感到遗憾：“类似的实验条件我也用过，为什么没有发现？”

这段经历让他更加看重长期积累、学术交流和对问题的敏感性。科研不只是把实验做出来，还要意识到结果意味着什么。“你要有扎实的基础，对前沿和整个进展有了解，还要有深入的思考和好的实证。”他说。

1998年，赵东元从美国回到复旦大学。回望走过的路，他把回国和选择基础研究视为自己最重要的选择。“当时国内的科研条件还比较落后，但我做的是合成研究，不需要太多条件。我想，能够回来为祖国踏踏实实做点科研，不是很好吗？”

赵东元及其合作者先后发展了基于分子自组装的有序介孔材料合成方法，发明了超大介孔SBA-15介孔分子筛，开创了FDU系列有序介孔材料体系，实现对介孔结构、孔径、组成和形貌的调控。在此基础上，他们进一步追问：高分子，也就是聚合物，能不能像无机物一样形成有序介孔？这曾是摆在国际同行面前的一道难题。

所谓自组装，是让不同组分在相互作用下排列成有序结构。制备介孔聚合物，既要完成聚合，又要控制自组装，两个过程需要相互协调。赵东元团队把复杂过程拆开：先让前驱体发生一定程度的聚合，再进行自组装，自组装完成后继续聚合。由此，团队提出有机—有机自组装策略，制备出高度有序的介孔聚合物，并以这种介孔聚合物为前驱体，经可控碳化获得有序介孔碳材料。

“科研的灵感来自长期积累，也来自同行交流和不断思考。”赵东元说，有了想法还要通过实验把它做出来，“科学是实证的知识，必须用实验来证明，并且让别人能够重复。”

基础研究为何要先放下“有用”？

在赵东元看来，真正的科学研究没有那么多戏剧化的故事。“科学其实很枯燥，是思想和灵魂的创造，要坐得住、坐得稳冷板凳。”但科研的乐趣也正在创新，“一个新的想法实现了，得到好的结果，学生有时会高兴得跳起来”。

在采访中，赵东元反复提到“无用之用”。“先别考虑应用，一定要抛开功利，我们就是创造。”

他以核壳结构介孔材料为例。最初，团队只是想给二氧化硅赋予新的功能：以磁性材料为内核，在外层包覆一层带有介孔的二氧化硅，由此制备出核壳结构介孔材料，并发展出界面定向组装方法。“研究之初，我们团队并不知道这种材料能用在哪里。但之后却发现，相关结构设计方法为石油裂化催化剂的开发提供了基础。”

随着研究不断推进，赵东元开始思考，团队已经创制出的多种介孔材料能否真正走向应用。此后，一部分人继续探索新的材料和结构，另一部分人推进成果转化。介孔材料被制成催化剂，用于石油化工；被制成硅碳负极材料，用于电池；还被制成低介电常数材料，用于印刷电路板。

在他看来，基础研究和成果应用并不矛盾，关键在于先后次序：“先创造，创造完之后再组织团队去开发，把‘无用’的材料变成有用的材料。”

从实验室走向生产线，最难的是什么？

如果把原创研究和工程转化放在一起比较，赵东元认为，后者对自己更难。

“我习惯做基础研究，是科学家，不是工程师。”他说，基础研究可以长时间思考一个问题，工程转化却需要团队协同。产品从实验室里的克级样品放大到工业化生产，过滤、干燥等每一道工序都要打通，任何一个环节出现问题，整个放大过程都可能失败。技术之外，还要经受成本、资本和市场的考验。

在石油化工领域，赵东元团队把介孔材料与沸石分子筛复合，制成FC-38催化剂，并与中国石化大连石油化工研究院合作实现千吨级生产，相关催化剂已在齐鲁石化平稳运行多年。

渣油分子量更大，还含有镍、钒等杂质，容易使催化剂中毒。赵东元介绍，针对这一问题，团队又提出“单颗粒级配”思路，在一个催化剂颗粒中由外向内依次构建大孔、介孔和微孔，同时形成梯度酸性。相关技术已应用于镇海一套200万吨级工业装置，目前平稳运行。

介孔碳的另一项应用是硅碳负极。硅具有较高的理论比容量，但在电池充放电过程中体积膨胀明显。赵东元团队先制备出介孔碳，后来让纳米硅定向沉积在介孔碳的孔道中：孔道为硅的膨胀预留空间，有序结构则有助于分散应力，从而改善电池的循环性能和稳定性。赵东元说，相关材料可以用于手机、无人机等产品。

从实验室小试、百公斤级生产线到百吨级生产，每一次规模放大都要解决颗粒度、颗粒堆积密度和批次一致性等问题。对动力电池而言，成本又成为一道门槛。“如果牺牲一点表面积，能换来更低的成本，也值得继续优化。”赵东元说。

从一个基础研究概念到一条生产线，靠的不是一个人的灵光乍现。“整个过程是一个团队完成的。”赵东元说，科研人员负责技术，还要有工程放大、测试、市场和销售等不同领域的人才共同参与。

什么样的环境，才能长出原创成果？

担任复旦大学相辉研究院首任院长后，赵东元希望为“反常识、高风险、颠覆性”的研究提供长周期支持。在他看来，基础研究需要宽松的环境和可以深入思考的时间，不能简单依靠短周期的论文、项目等指标评价。

原创研究从一个好问题开始。什么是好问题？赵东元认为，首先要进入科学前沿，通过交流了解最新进展。其次要有批判和质疑的能力。“批判不是说别人错了，而是找到边界。”一个结论在什么条件下成立，改变条件后会发生什么，新的问题由此产生。问题的适用范围越广，能够带动的领域越多，其科学价值也越大。

这种理念也进入他的课堂。二十多年来，赵东元一直给本科生讲授普通化学。他最看重的不是学生记住了多少知识，而是能否学会自学、提出问题和独立思考。“即使问题很幼稚也没关系，问问题要养成习惯。”他说，考试成绩是学习的一部分，但真正的本领在于质疑、自学和对知识体系的理解。

获得未来科学大奖后，赵东元重新回望近30年的研究。令他欣慰的，不只是创制出一系列新材料、开发出多种多样切实可行的合成方法，也不只是推动相关成果走进生产线，而是这些工作得到了同行认可，并被更多研究者采用。

“能够做出有自己特色的东西，让别人眼睛一亮、能够借鉴，我就知足了。”赵东元说，“基础研究没白做，就好了。”

原标题：《赵东元三十年“造孔”获未来科学大奖：把“无用”变成“有用”》