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赵东元:多元视野中的化学

2014-11-14 09:39:07 通讯员: 来源:宣传部 点击: 字号:TT

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赵东元:复旦大学教授,教育部长江学者特聘教授,新世纪百千万人才工程国家级人选,中国科学院院士,国内外享有盛誉的著名化学家。赵教授获得教育部“长江计划”国家特聘教授称号、国家基金委“杰出青年”称号、国家教育部 “跨世纪”人才称号、上海市“优秀青年科技学者”人才基金、上海市劳动模范”称号,2011年被选为世界科学院院士,以其专业和敬业的科研精神,赵东元教授本人多次被复旦大学授予“优秀研究生导师”和“研究生心目中的好导师”称号。赵教授主要从事微、介孔分子筛材料和纳米材料的合成与结构表征研究,发明了新型一系列纳米材料,在国内外刊物上发表SCI论文五百余篇,申请中国专利45项,授权31项。

演讲精选:

  化学是一门中心学科

  现在很多公众对化学有这样一种误解,认为化学是带来环境污染的罪魁祸首,有了化学就意味着没有绿色,甚至有人歧视化学专业,不愿意选化学作为自己的专业。在日常生活中,大家经常会在食品、化妆品的标签上看到“不含有任何化学成分”的字样,但事实上,化妆品内不含化学成分的机率微乎其微。如此一来,大家普遍认为化学是有害的。
  事实上,化学是整个国民经济的支柱,它与材料、信息技术、生物技术等都密切相关。化学是一门研究化学反应的物质科学,可以通过反应把化学能转变为其他形式的能量,可以为人们创造新的物质,它是环境、能源、材料、信息的重要支柱。世界上成千上万的东西其实都是通过化学原理创造出来的。在自然科学中,通过化学作用可以在分子、原子的基础上创造一些新的质,包括人工模仿自然界的新物质,从而了解自然界的某些变化规律。2011年正值居里夫人获得诺贝尔化学奖100周年,也恰逢国际纯粹与应用化学联合会的前身国际化学会联盟成立100周年。2008年底,第63届联合国大会通过决议,将2011年定为“国际化学年”,旨在全球范围内彰显化学对社会进步和人类文明的贡献,促进公众对化学的认识和了解,培养、提高年轻人对化学未来发展的兴趣与热情。作为化学大国,中国积极响应,组织了以“化学——我们的生活,我们的未来”为主题的“国际化学年在中国”系列活动,旨在通过化学科学的发展,给我们的生活带来美好的未来。因此,化学是推动整个社会进步的标志,化学是一门创造新物质的中心科学

 

  化学是人类使用新材料的源泉

  在化学世界里,我们经常可以看到,把一些看似很简单的化学药品或化学成分,放入一个烧杯中,简单一搅拌,一些新的、对人类有用的物质或产品就产生了。这绝对不是天方夜谭。大家应该都用过肥皂、洗衣粉来去污,为什么它们会有去污的能力?因为洗涤剂分子是两性分子,一般来说,都有一个很长的脂肪烃链和一个酸集团,这个长分子的一端是亲水的,另一端是疏水的,因而,疏水端可以围绕着油脂分子,亲水端就会外露正好溶于水中,也就将油脂洗掉了。我们可以利用这一化学原理合成或创造新的物质。
  利用一种很平常的物质,运用一些经验和知识就可以得到一个有机和无机结合的材料,有了这些材料,又可以创造出很多产品。这就是化学的魅力。
  氧化钛是一种非常好的光催化剂,也是一种半导体,可以模拟天然的蜜蜂窝把氧化钛做成像蜜蜂窝一样的材料。在此材料的基础上,我们又可以创造新的物质结构。比如ABC型三嵌段共聚物,它的特点是不能溶于水,但能溶于四氢呋喃。我们从界面上对它进行控制,用大量的四氢呋喃来溶解它,再加入大量的水,水和四氢呋喃形成共溶液,随着四氢呋喃的挥发,溶液的浓度逐渐增加,于是就在界面上发生了化学反应,形成一种球形的胶柱,最终生成我们所需要的材料。这就是化学中一种全新的合成方法。如果我们继续对溶液进行搅拌,球形物质就不再是简单地堆积,而会堆成串,进而生成一种管状物质。如果控制好搅拌力的话,它还会排列成非常有趣的六角形物质。这样的物质合成方法被普遍使用,为新物质的创造带来了极大的方便。
  在有机化学当中,有一种叫做树枝形化合物,那我们就想无机物当中能不能形成这样一种模型,能不能一代代地生长这种无机的材料,能不能利用刚才的界面来控制它一代代的生长。就在烧杯里,我将两种物质进行分项,再进行搅拌,它就会在界面上长出来,并且一代接一代地生长。所以利用我们的这种方法,就可以在这样的油水界面上生长出类似树枝形的无机化合物。那么有人又会问高分子能不能合成这样的材料,比如碳,我们通过查阅资料可以发现要做成均匀孔径的高分子到目前为止非常困难,一般是通过两个嵌段共径物形成液晶项。我们化学上学过氧化硅,硅是氢氧元素,可以非常好地形成四面体,那么碳或者高分子能不能有这样的四连接?我们特意从吉林大学招了一个博士生学高分子,经过四五年的努力我们实现了,做出了非常好的高分子。现在很多课题组都在用我们的这套方法来进行研究。利用这样的高分子,我们就能进行碳化,就是在1400度的无氧环境下用氮气烧都不会变,非常稳定。所以有了化学知识以后就可以进行创造。那么这一系列的科学问题能不能大规模地做,能不能控制形貌来做成应用?这样的表面光际可以形成一系列的结构,而结构完全决定于它的亲水体和疏水体的大小,一旦能够调控亲水体和疏水体,那一切结构都能实现,我们就合成了一系列的结构。有机的碳化过程要脱氢脱水,无机的是不缩水的,非常坚硬。如果想让有机的碳化不收缩,就要把无机的东西引入到有机当中,把无机的凝胶过程和有机的凝胶过程融合在一起,就可以得到一个复合物,这个复合物收缩就很小。我想要碳,就要把硅去掉,那就要用氢氟酸把氧化硅抽掉;同样也可以把碳抽掉得到硅。在这样一个过程当中,我们就提出了“钢筋混凝土”这样一个概念,钢筋起支撑作用,它不收缩,就像氧化硅。抽掉钢筋,虽然强度变了,但是它还存在。所以一系列的活动我们都可以开展,包括孔的收缩、孔径的大小……都能够进行调整,这就是我们在做的基础研究,基础研究要投入应用,那么我们就要做成膜。这个“膜”也非常简单,做成一个溶液放在基底上,拿东西一转,就会像刷油漆一样做成了一个膜,这个膜一碳化就变成了碳。它很薄,跟基底很难脱离,我就要在上面铺上一层氧化硅,再把这个东西放到氢氧化钾里面,氢氧化钾会腐蚀氧化硅,这层膜就自然分开了。最近我们也在做二极管,碳上带有很多羧基,是负电;然后跟一个带正电的氧化铝合在一起;把这个膜放到盐溶液当中,就可以看到电解质在移动,这个过程就在发电。所以这样的二极管真的非常有用,如果我们做成非常大的膜,把海水引过来就可以发电了。当然实际应用还有很多问题,海水里含有很多杂质,但还是非常可能的。这就是我们在做基础研究,随心所欲创造一些物质。


  选择了化学,就是选择了未来

  通过化学,我们不仅能够创造新的物质,还能够创造新的合成方法,这才是长久的,取之不竭的宝库。学化学的同学都知道,化学关键在于创造控制一类反应,而不只是一个。酸和脂在酸性或者碱性条件下可以发生酯化反应,知道这样一类反应之后,无论是乙酸乙酯、丙酸乙酯都可以进行这类反应,从而产生新的物质。在化工领域,有一个合成法运用非常普遍,就是水热合成法。前面提到的三嵌段共聚物易溶于水,如果我们加点碱在溶液中,是不是就可以创造出高分子呢?事实证明,确实如此。有了这样的化学变化过程,我们就可以完整地了解整个化学原理到底是怎样的,化学变化到底是怎么发生的。这就是化学学科中的基础研究。在基础研究之上,我们就可以进行化学原理在生产上的应用。通过化学原理生成对工业化帮助极大的新材料,新材料通过大规模生产,可以投入运用到工业上,促进工业化的发展。
  化学可以使未来更美好。嘉兴是一个非常好的地方,但是嘉兴的水质如果能够得到改善就更好了。我们研究的高分子材料就可以作为吸毒剂,用于纯化水。我们利用喷雾干燥的方法,通过控制水滴进行喷雾,喷雾之后就会产生空心的小球,这种空心小球的结构非常规整,就可以将它们做成柱子。太湖里有一种蓝藻,会释放藻毒素,利用高分子可以很好地吸附藻毒素。
  或许有同学会说这样的材料要大量应用还是有困难的,因为材料成本太高。但是生产新材料运用于工业化的概念是必须有的,有了概念才有应用的机会。我举一个例子,来说明概念怎么应用。我们最早做一种合成结构的材料,比如氧化铝、氧化铁等具有磁性的东西,外面可以包裹一个接口的东西,得到一个带有磁性的接口。那我们再用溶液进行搅拌,很简单就可以把这样一个球变成非常好的带磁性的一个东西,这个东西确实很难应用。在实验室我可以把这样一个结构做得炉火纯青,知道怎么样来进行控制;现在能源非常紧缺,有了这些之后我们就想能不能运用到石油化工当中。这样的材料能不能做一些重油的裂化?重油的裂化需要一个弱的酸性、大的孔径,现在的催化剂口径都太小,提出这个概念以后,重油大分子可以先在介孔当中炼成中间体,然后再炼解成汽柴油。那我就做成一个梯度的东西,先还是在做基础,我先在实验室做成单接,再在上面涂上一层氧化硅,我可以涂得厚也可以涂得薄一点,我还可以研究它们之间孔道的连接性,都可以控制得非常好。有了这些基础,介孔就可以跟里面现有的催化剂连通,以现在工业上的催化剂拿过来,涂抹一层介孔的材料,直接就可以运用。通过这个东西,柴油的收率可以提高5%,这5个百分点对于石油来说是巨大的,这已经不是在实验室小的理论了,而是把基础研究的概念切切实实运用到了实际当中。当然,由于现有科技水平,成本还要再增加30%。但随之科技进步,它的发展前景毋庸置疑。
  发展化学工业最大的意义在于现在无法实现或生产的东西,通过化学,将来完全有可能实现。手机就是一个很好的例子,将来我们看病、买飞机票,都可以在手机上进行,手机可以当信用卡,可以作为你的病历,可以记录你人体的所有温度。因此,我还是非常推崇化学的,同时作为化学家,也要承担起发展和建设化学的重任。学习化学知识并不是为了应付简单的考试,关键在于培养创造力,在于怎样把学过的知识真正运用起来。对化学家而言,创新非常重要。根据国家和社会的需要,在能源发展、资源开发等领域,通过化学的作用进行创新和革命,给中国经历带来飞跃的发展,这是作为化学家应该承担的重任。
  化学不是“有害”的同义词,在一些商品当中加入有害的物质,比如三聚氰胺,那是因为有些人在食品安全上缺失应有的良心。人一旦缺失了应有的良心,食品安全就成了大问题。因此,作为化学家,要承担起社会的责任,要宣传化学,让大家都来关注化学,了解化学,并且致力于通过化学改变我们的生存环境,改变我们的生活环境,使我们的生活更加美好,未来更加美好。
   


精彩互动 >>>

  问题一:嘉兴学院是一个地方性的高校,您作为复旦大学的教授,请您对我们这个地方性高校的学生,提一些学习上的建议?
  答:复旦大学的学生确实很聪明,在各方面都有很强的能力。我们当前面临着开放的国际环境,我们要把眼光放长远,复旦大学既是在为国内培养人才,也是在为国际培养人才,复旦大学的毕业生大概有一半以上都出国了。而嘉兴学院作为一所地方性高校,毕业生毕业去向主要面向国内,因此嘉兴学院是在为中国的化学工业培养人才,这也是非常重要的,因此知识都是平等的。不同的大学,社会定位不一样,社会分工也就不一样了。
  问题二:无机物一般都是质地较脆的材料,经过您的加工做成孔之后会不会更脆了?
  答:无机的材料确实质很脆,但是你想改变它也是可以的。就如我刚才提到的膜,它就好像我们摊出来的煎饼,肯定很脆,且容易碎。要想把它变得很柔软,你就让它带着基底,别把它拿下来,上面刷一层高分子,就像在煎饼上刷一层酱一样,这样它就变软了。这个时候,带着一层高分子,放入氢氧化钾中,它就非常柔软了,可以做成各式各样的器件。如果,想要去掉高分子的话,用四氢呋喃一洗就掉了,你想怎么操作都行,非常简单。
  问题三:刚才您提到钢筋不能收缩,但是有没有可能是因为钢筋本身不能收缩?
  答:我觉得你这个问题问得很好,这是一个涉及热参数的问题。虽然提到的钢筋,其实是两套互穿的网络,它像一堆纤维一样连接起来。因此在加热的过程中,钢筋是可以收缩的。
  问题四:您刚才提到学生不能光做题,也要做科研、做实验。对于实验,您认为在我们的学习中应该占有多大的比例?
  答:实验在学生的学习中应该占多大的比例,应该要因人而异。我的一个学生,现在是武汉大学最年轻的的教授,才28岁,他酷爱化学。读书的时候,他时常来听我的课,自身水平也很好,大一、大二就进实验室来参与部分研究。因此,对学生来说,学习还是最主要的,没有知识作支撑就没办法做科研。你们现在的本质工作就是学习,只有学习好才能证明你有这个能力可以继续做研究。但也有同学非常聪明,学习时间分配非常合理,那你完全可以利用一些课余时间来参与科研。这样既锻炼了分析问题、解决问题的能力,又巩固了学到的知识。

演讲时间:2013年6月8日

 

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