吳雪
在第五期浦江科學(xué)大師講壇上,中國(guó)科學(xué)院院士趙東元以《“孔”中看世界》為題,侃侃而談。攝影/戚心茹
“如果我把保溫杯里的化學(xué)物質(zhì)倒入大海,過(guò)一周后再把海水撈上來(lái),還能找到保溫杯里原有的化學(xué)物質(zhì)嗎?”
2023年12月28日,在上海市政協(xié)科技和教育委員會(huì)、復(fù)旦大學(xué)等單位舉辦的第五期浦江科學(xué)大師講壇活動(dòng)中,中國(guó)科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院院長(zhǎng)、復(fù)旦大學(xué)相輝研究院首任院長(zhǎng)趙東元以“孔”中看世界,侃侃而談。他帶著一個(gè)保溫杯走上講臺(tái),既能喝水解渴,又能隨手拿出來(lái)給大家普及科學(xué)常識(shí)。
趙東元一向以備課認(rèn)真著稱。為了這場(chǎng)講座,他花了一周時(shí)間準(zhǔn)備了148頁(yè)的幻燈片,既有化學(xué)科學(xué)的發(fā)展,也有創(chuàng)新的科學(xué)思維,還有未來(lái)的學(xué)科發(fā)展。“化學(xué)沒(méi)有數(shù)學(xué)那么‘精確’,也沒(méi)有物理那么‘高大上’,很多時(shí)候也看不見(jiàn)摸不著?!壁w東元說(shuō),僅僅為了弄清楚空氣的組成,化學(xué)家們花了300多年的時(shí)間。
這讓記者回憶起2021年,趙東元的一張照片曾火遍全網(wǎng)。照片中的他笑瞇瞇地站在復(fù)旦大學(xué)教學(xué)樓前,手上提著一個(gè)布袋子,里面裝著前一天剛從北京領(lǐng)回的2020年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)證書(shū)?!巴潞蛯W(xué)生們要看,我就帶來(lái)了?!?趙東元從北京的頒獎(jiǎng)會(huì)場(chǎng)匆忙趕回上海,第二天一早就提著布袋子去給本科生上課。也因此,他被親切地稱為“布袋院士”。
當(dāng)天演講結(jié)束,趙東元接受了《新民周刊》專訪,談及做科研最重要的是什么,趙東元的答案只有一個(gè)字:愛(ài)。
趙東元告訴《新民周刊》,面對(duì)科學(xué)研究,好奇心是人的一種本能。每個(gè)人都有好奇心,但真正能夠在科研上有所作為,最重要的就是“愛(ài)”。
這個(gè)“愛(ài)”絕對(duì)不僅僅是興趣和本能,更是從內(nèi)心生發(fā)的理性思考,這種驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)烈到你愿意為它付出所有。
化學(xué)是一門(mén)非常古老的學(xué)科,其起點(diǎn)最早可溯源至中世紀(jì)的煉金術(shù)。在論壇現(xiàn)場(chǎng),趙東元結(jié)合甲骨文與杜甫詩(shī)句,揭示了“化”字所蘊(yùn)含的變化之意——“造化鐘神秀,陰陽(yáng)割昏曉”。在他看來(lái),大自然創(chuàng)造了萬(wàn)物,通過(guò)事物與事物之間的相互變化,造就了大千世界。
1963年,趙東元出生于沈陽(yáng)的一個(gè)普通工人家庭,盡管沒(méi)有接受過(guò)什么特別的訓(xùn)練,但從小就顯露出走上科研之路的潛質(zhì)。他喜歡刨根問(wèn)底,夢(mèng)想著長(zhǎng)大成為一名科學(xué)家。從本科到博士畢業(yè),趙東元都在吉林大學(xué)度過(guò)。他常說(shuō)“我是一名土生土長(zhǎng)的博士”,直到工作之后,才獲得了出國(guó)做博士后的機(jī)會(huì)。
趙東元告訴《新民周刊》,他對(duì)化學(xué)的熱愛(ài),早在中學(xué)時(shí)期就萌芽了。初三期中考試,經(jīng)過(guò)大學(xué)生哥哥的輔導(dǎo),趙東元的化學(xué)竟考了100分。從此以后,他對(duì)化學(xué)的興趣越來(lái)越濃,高考填報(bào)志愿時(shí)更是全部選擇了化學(xué)專業(yè)。
趙東元2021年因北京領(lǐng)獎(jiǎng)回來(lái)第二天就提著布袋去給本科生上課而出圈,被親切地稱為“布袋院士”。攝影/周桂發(fā)
1998年,在海外完成博士后研究工作后,35歲的趙東元決定回國(guó)加入復(fù)旦大學(xué)。當(dāng)時(shí),趙東元獲得了第一筆3萬(wàn)元科研經(jīng)費(fèi),買(mǎi)了一臺(tái)電腦,義無(wú)反顧地坐進(jìn)簡(jiǎn)陋的辦公室。就這樣,趙東元帶著5名本科生,一心撲到了介孔材料研究之中。
介孔材料,一種表面分布著直徑在2至50納米之間小孔的材料。這些排列規(guī)則的小孔,不僅大大增加了材料的表面積,還因?yàn)槌叽绱笮『筒牧闲再|(zhì)不同而發(fā)揮催化、吸附、分離等功能。而趙東元的科研方向,就是在不同材料上打出一個(gè)個(gè)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的小孔。
趙東元自稱“造孔之人”,“看到任何一個(gè)東西,我總是在想‘能不能造孔’”。剛回國(guó)那陣,他幾乎每周工作80個(gè)小時(shí),連續(xù)十多個(gè)小時(shí)泡在實(shí)驗(yàn)室里早已是家常便飯。但他也同樣清楚地認(rèn)識(shí)到,科學(xué)研究的突破不僅需要“工作狂”,更需要“破常規(guī)”。
“傳統(tǒng)介孔材料全部都是無(wú)機(jī)非金屬和金屬基材料,我就想,能不能創(chuàng)造出一種以有機(jī)高分子或碳為骨架的介孔材料?!痹谥蟮恼?年里,趙東元和他的團(tuán)隊(duì)像是行走在一條看不到光的道路上,直到一位本科生大膽地提出了一種反常規(guī)的實(shí)驗(yàn)方法,才打開(kāi)了研究思路。
2005年,趙東元在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上發(fā)表文章,在有機(jī)—無(wú)機(jī)自組裝的基礎(chǔ)上首次提出有機(jī)—有機(jī)自組裝的新思想,并將實(shí)驗(yàn)方法公之于眾。至今已經(jīng)吸引60多個(gè)國(guó)家/地區(qū)的1500余家科研機(jī)構(gòu)跟蹤研究。國(guó)際學(xué)術(shù)界評(píng)價(jià)這項(xiàng)研究的貢獻(xiàn)為“先驅(qū)”“里程碑”“突破”“重要進(jìn)展”等。
2008年,趙東元及團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了表面活性劑輔助界面組裝新方法,合成出具有中心發(fā)散介孔孔道的功能性核殼有序介孔二氧化硅,因其操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好,被譽(yù)為制備殼—核結(jié)構(gòu)介孔材料的經(jīng)典方法。也是這一年,趙東元被《科學(xué)觀察》列為介孔材料領(lǐng)域發(fā)表論文及引用率世界第一位。
過(guò)去20多年里,趙東元及其團(tuán)隊(duì)深耕介孔材料研究,開(kāi)發(fā)大量介孔材料的合成方法,創(chuàng)制一系列全新的介孔材料,而他所創(chuàng)造出的新材料,全部以FDU(復(fù)旦大學(xué))命名。
什么是偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)?關(guān)于這個(gè)問(wèn)題,趙東元一直在思考。
在他看來(lái),真正偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn),可能不只是發(fā)在《科學(xué)》《自然》上的論文,而是要給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)進(jìn)步,比如,相對(duì)論之于愛(ài)因斯坦,萬(wàn)有引力之于牛頓,電磁感應(yīng)理論之于法拉第,這些都是偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
至于電磁感應(yīng)的論文發(fā)表在哪里,沒(méi)有人在意。趙東元深知,化學(xué)作為離工業(yè)最近的一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科,很多研究成果都能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化,然而從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)品,從來(lái)都不是一件一蹴而就的事情?!盎A(chǔ)研究是從0到1,意味著突破和創(chuàng)新。有了1,從1到10則是創(chuàng)新加速,只有完成全過(guò)程,才是真正意義上的科技創(chuàng)新?!?/p>
2008年,中國(guó)科學(xué)院院士、時(shí)任國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)副主任姚建年交給趙東元一項(xiàng)任務(wù):你們做的基礎(chǔ)研究非常好,今后能不能做應(yīng)用?接下這項(xiàng)任務(wù)后,趙東元開(kāi)啟了與中石化長(zhǎng)達(dá)10年的合作。
彼時(shí),隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,我國(guó)原油加工量逐年攀升,對(duì)外依存度遠(yuǎn)超警戒線,嚴(yán)重威脅我國(guó)的能源和資源供應(yīng)安全。在原油煉制中,有近30%是難以利用和轉(zhuǎn)化的重/渣油,這是煉化行業(yè)公認(rèn)的“硬骨頭”。 趙東元首創(chuàng)的殼—核結(jié)構(gòu)的微孔—介孔復(fù)合分子篩催化劑,實(shí)現(xiàn)了千噸級(jí)生產(chǎn),并成功應(yīng)用于劣質(zhì)石油資源加氫裂化工業(yè)。
在齊魯石化年產(chǎn)56萬(wàn)噸重油裝置上,趙東元團(tuán)隊(duì)的核殼結(jié)構(gòu)介孔分子篩催化劑,真正實(shí)現(xiàn)了千噸級(jí)生產(chǎn)與工業(yè)化應(yīng)用。穩(wěn)定運(yùn)行5年來(lái),與國(guó)外催化劑相比,中間餾分油收率提高了1.5%,每年增產(chǎn)上百萬(wàn)噸優(yōu)質(zhì)油。
基于這樣的目標(biāo),趙東元團(tuán)隊(duì)合力攻關(guān),在材料合成、催化、儲(chǔ)能等多個(gè)研究方向持續(xù)突破。除了滿足已有的應(yīng)用需求,還做了應(yīng)用需求的增量。
過(guò)去20多年里,趙東元及其團(tuán)隊(duì)深耕介孔材料研究。攝影/成釗
比如,趙東元團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一種介孔材料打破了傳統(tǒng)的質(zhì)量對(duì)稱分布結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)出酷似羽毛球的形狀——頭部是質(zhì)量重心所在,尾部由多孔高分子材料組成?!霸囅胍幌?,在頭部放上磁鐵,尾部包裹藥物。我們就可以用外部磁場(chǎng)引導(dǎo)它在身體內(nèi)移動(dòng)到病灶,實(shí)現(xiàn)藥物精準(zhǔn)遞送?!壁w東元說(shuō),團(tuán)隊(duì)正在尋求將該材料與醫(yī)療企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
多年來(lái),他們積極推動(dòng)介孔高分子和碳材料規(guī)模化制備和應(yīng)用。使用了介孔材料的超級(jí)電容器,在北京奧運(yùn)會(huì)的LED路燈和上海世博會(huì)的電動(dòng)汽車(chē)上都得到了示范性應(yīng)用,此外,相關(guān)介孔材料還在環(huán)境處理、電子材料等諸多方面得到廣泛應(yīng)用。
但趙東元也坦言,對(duì)于研究成果的落地,目前在市場(chǎng)和資金層面,仍存在現(xiàn)實(shí)困境?!懊鎸?duì)變幻莫測(cè)的市場(chǎng),我們不能只追求成本便宜,還要堅(jiān)守我們的核心技術(shù)和材料的特點(diǎn),這是未來(lái)我們努力的方向?!?/p>
“做科研不要總是問(wèn)‘有什么用’,只有先回答好基礎(chǔ)問(wèn)題,才可能?chē)@已有的科研成果,實(shí)現(xiàn)更為廣泛的應(yīng)用?!壁w東元告訴《新民周刊》,“基礎(chǔ)研究的翅膀一旦插上了應(yīng)用的鉛砣,就難以高飛遠(yuǎn)舉了。不管干什么,多動(dòng)腦子,腦子越用越活,一開(kāi)始我們解決的是小問(wèn)題,但是把幾個(gè)小問(wèn)題連起來(lái),解決的就是人類(lèi)的大問(wèn)題了?!?/p>
在論壇現(xiàn)場(chǎng),趙東元還分享了一張經(jīng)典照片——玻爾祖孫三代在一塊黑板前討論科學(xué)。他說(shuō),“化學(xué)沒(méi)有圣杯。我的哲學(xué)氣質(zhì)不在于為解答大疑問(wèn)做研究,而是在于在美麗的化學(xué)庭院里研究很多小的問(wèn)題,將目光放在它們之間的關(guān)系上”。
他最后借1981年諾獎(jiǎng)得主羅爾德·霍夫曼的話勉勵(lì)大家,做科研不能好高騖遠(yuǎn),而要腳踏實(shí)地。
面向未來(lái),思考和記憶的化學(xué)基礎(chǔ)是什么?怎樣能夠探索全部元素的可能組合?趙東元認(rèn)為,這些議題是化學(xué)基礎(chǔ)研究亟需解答的問(wèn)題。
而面對(duì)生成式人工智能的興起,趙東元也感受到了緊迫感。“現(xiàn)在,我們利用AI可以在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出上百種新材料,放在以前,人們要不斷試錯(cuò),花掉10年甚至更長(zhǎng)時(shí)間?!蹦壳八趲ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)致力于將人工智能與傳統(tǒng)化學(xué)研究相結(jié)合。
2023年11月,復(fù)旦大學(xué)成立相輝研究院,趙東元受聘為首任院長(zhǎng)。該研究院聚焦攻關(guān)前瞻性、挑戰(zhàn)性、高價(jià)值的關(guān)鍵科學(xué)難題,著力營(yíng)造寬容、開(kāi)放、活躍、自由的學(xué)術(shù)環(huán)境,為人才“十年磨一劍”提供制度保障。
從“布袋院士”的照片里,公眾看到了趙東元對(duì)個(gè)人名利的淡泊,而與取得頂尖科學(xué)成就相伴的,是趙東元連續(xù)20年堅(jiān)持面向自然科學(xué)大類(lèi)本科生講授專業(yè)基礎(chǔ)課普通化學(xué),該課程獲上海市教學(xué)成果一等獎(jiǎng),廣受學(xué)生喜歡。
自2003年起,趙東元一周上兩次本科生普通化學(xué)課,幾乎從未間斷,出差就連夜趕回,生病做手術(shù)也要為上課“讓路”。作為全校的通識(shí)課程,這門(mén)課程概念多、內(nèi)容抽象,但趙東元總能把課程講得詼諧有趣、深入淺出,并結(jié)合材料科學(xué)最新進(jìn)展給大家講解元素的性質(zhì),把普通化學(xué)課變得不普通。
他所帶的團(tuán)隊(duì)有一個(gè)不成文的規(guī)定,每次趙東元獲獎(jiǎng)拿到的獎(jiǎng)金,有20%到30%用來(lái)資助年輕學(xué)者發(fā)展。
復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系博士生田泳在本科時(shí)上的第一門(mén)課就是普通化學(xué),他記得,課堂上,趙老師講了許多有趣的科研經(jīng)歷,例如,用很簡(jiǎn)單的化學(xué)原理就能做出有序介孔材料。
讀了研究生,加入趙東元的課題組后,田泳才知道,精彩課堂背后,是趙東元20年如一日的精心準(zhǔn)備。“即使工作再忙,他也會(huì)空出整個(gè)下午,至少三四個(gè)小時(shí),在辦公室逐頁(yè)梳理課件,遇到重難點(diǎn)的時(shí)候還會(huì)喊來(lái)我們,變著法地講幾遍,讓我們從學(xué)生角度挑一種最好理解的?!?/p>
“從基礎(chǔ)知識(shí)拓展到最新的科研進(jìn)展,學(xué)生不一定都懂,但我希望能激發(fā)他們產(chǎn)生好奇心,鼓勵(lì)他們思考、自由討論,讓他們按照自己的理解找出一條新路?!痹谶@位耕耘多年的教師看來(lái),比教授知識(shí)更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。
師生對(duì)坐,趙東元會(huì)說(shuō),“咱倆在科學(xué)面前是平等的,你能說(shuō)服我,就按照你的來(lái)做,我要能說(shuō)服你,就按我的來(lái)做”。在他看來(lái),這樣才能激發(fā)學(xué)生內(nèi)心深處對(duì)化學(xué)的喜愛(ài)。也因此,趙老師每次課程一上線就“秒沒(méi)”。
趙東元還特別支持青年人發(fā)展,一直保留著學(xué)生的實(shí)驗(yàn)筆記和裝幀的畢業(yè)論文。他所帶的團(tuán)隊(duì)有一個(gè)不成文的規(guī)定,每次趙東元獲獎(jiǎng)拿到的獎(jiǎng)金,有20%到30%用來(lái)資助年輕學(xué)者發(fā)展?!凹词顾夭幌嘧R(shí)的學(xué)生給他發(fā)郵件請(qǐng)教科學(xué)問(wèn)題,他都來(lái)者不拒,有時(shí)還邀請(qǐng)人家過(guò)來(lái)當(dāng)面討論?!睆?fù)旦大學(xué)化學(xué)系青年副研究員劉玉普說(shuō)。
關(guān)于創(chuàng)新,趙東元有自己的思考。“被‘卡脖子’歸根結(jié)底還是創(chuàng)新不夠,需要提高全民創(chuàng)新意識(shí)?!彼e了個(gè)例子,中國(guó)是陶瓷大國(guó),玻璃是燒制陶瓷的一個(gè)副產(chǎn)品,但玻璃并不是我們發(fā)現(xiàn)的?!皠?chuàng)新就是要多提問(wèn)題,如果無(wú)解,說(shuō)不定是研究的新方向?!壁w東元說(shuō),創(chuàng)新沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案,現(xiàn)在的大學(xué)生創(chuàng)新意愿強(qiáng),要鼓勵(lì)他們提出問(wèn)題。
提到未來(lái)我國(guó)的科學(xué)發(fā)展,趙東元呼吁大家多點(diǎn)耐心:“科學(xué)誕生于歐洲,與其文化同源的美國(guó),經(jīng)歷了從重視應(yīng)用到重視基礎(chǔ)的階段,花費(fèi)了三四十年才出現(xiàn)諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的科研成果,而日本這一階段花費(fèi)了近80年的時(shí)間?!?/p>
“我國(guó)改革開(kāi)放40多年,科技論文數(shù)量就已實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先,現(xiàn)在到了質(zhì)變的時(shí)候,要去解決一些富有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題。我相信,如果我們能沉下心來(lái),再過(guò)三四十年,一定會(huì)產(chǎn)出更多原創(chuàng)性成果?!壁w東元笑著對(duì)《新民周刊》說(shuō),“因?yàn)?,我們不是為了諾獎(jiǎng)而諾獎(jiǎng),是為了科學(xué)而科學(xué)?!?/p>