在纳米尺度上“造孔”(“咖”说科技)

  从沸石分子筛到活性炭,人类对多孔材料的探索已逾百年。孔径小于2纳米的微孔材料,在催化、吸附等领域大显身手 ,但大分子的转化与输运,需要更大的孔道。孔径介于2至50纳米之间的多孔固体——介孔材料由此进入科学家的视野 。它最突出的特征,是拥有极高的比表面积和规整的孔道结构 ,让大分子得以自由“穿梭”。

在纳米尺度上“造孔	”(“咖”说科技)-第1张图片

  我们团队与介孔材料打交道已经有30年了。早期研究多集中在无机介孔材料领域,一个长期未能突破的问题是:能否把介孔材料从无机拓展到有机高分子乃至碳材料?难点在于,高分子聚合与自组装成有序介孔需要同时实现 ,因此该课题极具挑战性 。最终,我们另辟蹊径,采用“分步法” ,先自组装再聚合,成功合成了介孔高分子,再进一步碳化得到介孔碳 ,由此提出了“有机—有机自组装 ”的新路径。如今回望 ,这个想法并非凭空而来,而是源于长期积累和对化学基本问题的持续思考。

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  基础研究处于科研链条起始端 。基础研究打得牢,成果转化 、生产应用的“大厦 ”才能建得高。介孔碳凭借其结构优势 ,很快在能源领域找到了用武之地。以硅碳负极为例,硅在充放电过程中体积膨胀约4倍,容易导致电池“鼓包” 。我们把介孔碳作为骨架负载硅 ,利用孔道为硅的膨胀预留空间,显著提升了电池能量密度。在石油化工领域,我们与中石化合作开发的介孔—沸石复合催化剂 ,已实现千吨级生产,将重油和渣油转化为高标号汽柴油,对保障国家能源安全具有重要意义。

  介孔材料的合成 ,近来 仍谈不上“精确” 。与原子级精细的晶体材料相比,介孔材料在原子尺度上相对“粗糙 ”,存在表面缺陷 。如何实现既有原子晶体精细结构又有介孔大比表面积材料的“精确合成” ,是当前主要的挑战。我们还在继续探索合成具有原子级精度的晶态介孔材料 ,以及在生物体系中构建可呼吸、可塑、具有生物相容性的介孔材料,用于细胞培养 、药物筛选乃至模拟生命过程。这些探索距离应用还很远,却正是基础研究的魅力所在 。

  获得2026未来科学大奖“物质科学奖” ,是对我和团队30年来工作的认可,也让我越发体会到,基础研究需要抛开功利之心 ,真正有价值的工作往往来自对科学问题本身的长期追问。当前科研环境中一些“唯论文 ”“唯帽子 ”倾向,给青年科研人员带来不小的压力。这就需要进一步优化创新环境,让他们潜心钻研 。特别要在一些前沿领域 ,为他们提供更宽松、更长周期的支持。化学是创造物质的重要科学,我们期待更多年轻人投身其中,追寻科研目标、实现人生价值。

  (作者为中国科学院院士 、复旦大学教授 ,2026未来科学大奖“物质科学奖”获得者,谷业凯、吕泽滢采访总结 )

(文章来源:人民日报)

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