第594期【齐悦读—线上共读—透视新科技】 “齐悦读”[线上共读] 《解读国家科学技术奖（二）》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——解读国家科学技术奖（二）
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：赵东元，中国科学院院士。
贺鹤勇，复旦大学教授。
讲座时间：2024年9月9日～9月15日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——解读国家科学技术奖（二）
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。一种新材料的诞生往往标志着一个划时代的开始，像塑料这种高分子材料已经诞生已久了。它对我们生活带来的便利自不必多解释，但是您可以想象，有一天像塑料这样的类似高分子材料可以做到又透气又保暖，甚至可以成为我们服装的原料。2020年（度）国家自然科学奖一等奖就授予这样的科研成果，我们通过短片去了解一下。高分子材料与我们的日常生活息息相关，最常见的比如说塑料，自1907年问世以来，就给我们的生活带来了巨大的便利，目前全世界每年生产大约3亿吨塑料，其中中国年产量就占了大约1/10，人们的衣食住行几乎都离不开它。如今复旦大学赵东元院士团队提出了一项科研成果，有序介孔高分子和碳材料，在塑料这样的高分子材料上造出一些我们看不到的，密密麻麻的小孔。听上去或许平平无奇，可是这些神奇的小孔却可以给塑料的性能带来翻天覆地的变化，甚至在石油、交通、医学等多个领域开发出更多意想不到的奇妙应用。这种带孔的新材料掀起了一场材料领域的新革命，还荣获了2020年度国家自然科学奖一等奖，它究竟将会给人们生活带来什么巨大的变化呢？
首先给大家介绍的是中国科学院院士赵东元，接下来为大家介绍的是来自复旦大学的贺鹤勇教授，国家自然科学奖一等奖，什么样的科研成果才可以获此殊荣？国家自然科学奖，是国家五大奖项之一，分为二等奖和一等奖。因为是没有合适的人选或者奖项的选择，一等奖实际上在前十几年的话，有好几年是空缺的。其实一等奖这个要求非常高，应该说是在国际上绝对是首次，也是在这个领域有重大的理论和成果的这样的一些发现，所以像我们的先前的一些老科学家，李四光这样的一些，他们有重大的发现，所以我们国家前面十几年，可能有七八年都是空缺的。那我注意到我们的奖项的项目的名字叫有序介孔高分子和碳材料，首先说是有序介孔高分子，那高分子材料是什么？那我们日常当中，其实遇到的高分子太多了，我们日常的塑料瓶，包括橡胶全部都是高分子，我们穿的衣服，合成纤维全是高分子，只是我不是穿塑料，穿合成纤维。自然界的物质都是由分子组成，那分子分高和低，所以分子量比较小的叫低分子，好比说我们空气由氧分子，两个氧构成的这样的一个非常小的这样。分子量比较大的叫高分子，好比说我们的乙烯是两个碳的这样的一个分子，我把几个乙烯手拉手给它连起来，成千上万个乙烯连在一起，可以上万个分子量，然后成百万或甚至上千万，这样的话就形成了一个大的一个高分子。高分子的分子量决定它的性能，好比说塑料，分子量一旦可以达到上百万、上千万，这个塑料的强度大大提高了，那我们是在这样的一个塑料上边，我们可以造孔，那我这样的一个塑料性能又有很大的提高。
那一加上有序介孔，为什么它就高级起来了呢？什么叫介？实际上是有宏观世界、微观世界，在这两者之间实际上有一个介观。所以宏观的孔很大很大，比如说我们看到的水管子，那就是几厘米或者更大。那个微（观）的孔，我们一般世界这个定义的话，是两个纳米以下，在两到五十纳米（之间）就叫介孔，所以赵老师造出的这个材料，它的孔是两个纳米到五十纳米之间。在一个很小的小面积上，我们造了密密麻麻的孔，这样的话我们就形成了一个可通气又有孔这样的一个塑料，一个高分子。1纳米是10的负9次方米，也就是一米的十亿分之一。所谓的有序的介孔材料就类似于把宏观世界中小孔肉眼可见的蜂窝，缩小几十万甚至几百万倍，变成肉眼不可见的。而来往穿梭的蜜蜂只能变成像分子、原子这样微小的物质，才能够穿行于微观世界的小孔，除了平面的有序介孔材料的形状，还有管道状的、球状的。科学家如何才能在塑料上造出这些肉眼不可见，并且有序的密密麻麻的小孔呢？为什么造孔而不是打孔？打孔是机器上用钻头去打的，而我们不是用钻头去打，赵老师他这个是用分子层面上的组装，所以是造出来的，这个就为什么是叫造孔。
之前我们没有类似的这种想法吗？其实这个过程是非常复杂，以前介孔材料主要集中在，好比说这个沙子，这样的一些氧化硅的这样的化合物当中，做成有机高分子还没人能做到，这个合成难度非常大。也许很多人想到了还没人能做到，那我们呢，其实发明了一个理论，发明了一个方法叫自组装。先让这些分子手拉手地围在一起，围好了之后，我再原位地让它连在一起，手全都用胶水给它（粘）上，这样的话就产生了孔，所以这个是我们独特的。这个思路的话，实际上是前人没有提出过。赵老师就是想到先把大家站好，站好了以后，然后再用胶水，一下子就把人家全部（粘）起来。那么高分子也出现了，孔也出现了。那我们这个项目，是第一次把有机高分子造成了孔，然后还可以转化成碳材料。说到这个话题，我们来看看相关的短片。在塑料这样的高分子材料上造出纳米级的有序小孔，这个全新的理论思路提出来之后，在国际上引发了巨大的轰动，并且迅速掀起了相关的研究热潮，全世界的科学家都纷纷参与其中。作为一种传统材料，塑料已经具备了轻便、便宜、舒适并相对结实等优点。为什么科学家还要在塑料上造出这些肉眼不可见、密密麻麻的小孔？新型材料的诞生会产生哪些特殊功能？又将开拓出什么新的应用呢？
那传统的高分子材料，我们过去在应用上有哪些局限性？传统的材料好比说它在保温、绝热，还有一些重量上受到很多的限制，包括它的物质的穿梭，因为传统的塑料，传统的高分子基本上不能通过，所以我们现在就是在这样的一个技术上，我们在一个高分子上造了很多的孔，这样的话使它具有超轻的性能，可以物质传输的性能。那我们想知道为什么一个高分子材料在上面造了孔之后，就完全改变了它的属性？这个大伙都知道，其实很多的材料的性能跟表面积非常相关。我们做一个比喻，一个莲藕，你取一段，像一个红薯一样，那么它的表面积就这么外面一块很小。但是你如果把这个莲藕给切开，中间就好多好多的孔，如果里边有100万个孔，每个孔里边的面积就跟外面的表面积是一样的话，那就等于是在原来基础上增加了100万倍。我们有了这个孔之后，那它的表面积，面积就增大非常大，这个东西就可以跟足球场的面积一边大，所以这样的话就增大了很大的面积，所以微观分子，都可以贴在它的面积上。好比说我们现在的病毒，病毒也就是在几百纳米的这样的一个，它也要寄生在一个地方，所以你要能容纳很多很多病毒，那你需要很大的面积。
有了孔之后，增大了这个本身材质它的面积，增加面积之后能达到什么效果呢？起到什么作用呢？我们做好多反应的话，面积上面我们要有一些，我们叫官能团，实际上就是能够干活的一些机构相当于，那么你面积小的话，那只有一个两个机构。你面积大了，你就100万个机构，1000万个机构。同样大的空间。同样大的，就同样大的一块东西，你只有一个机构，我有1000万个机构，我干活的效率肯定比你高。打孔之后呢，就像内部它有多个工厂在里边，以前它高分子是没办法（有）工厂。现在可是那里边全都是孔，现在我有千百万个工厂在里边。那么造了孔以后的话，把它的面积成千上万倍地增长以后，你就可以引入好多功能，就是赵老师说的工厂、车间。把这些多功能的这些车间、工厂，把它集成在这个多孔的材料里边，直接就完成了，这个是以前的这些无孔的这些塑料。完全做不到的。是实现不了的。所以孔材料呢，其实用途真的非常大。食品当中都有一些干燥剂，这些是什么呢？它也是多孔材料把水分子容纳这里边去，你好比说我们现在用的是氧化硅的，是由沙子这些东西组成的，那我们现在就是把有机的高分子，刚才（说的）塑料也能做成这种类似干燥剂的，将来吸附有机的染料，比表面极其大，孔非常大，所以很多分子都可以聚集在这里。在水处理，好比说印染废水，那些带有有机染料的红色的那些水，通过我们这些塑料，一下子就能给它吸附掉。
对化学来说，21世纪的化学面对的两大领域，一个是生命健康，一个是能源。实际上我们的储能，就是说蓄电池、锂电池，加上我们超级电容器这些，汽车移动的装置上面，你必须要一个储能的器件。而有序介孔高分子材料，包括碳材料的话，实际上在奥运会上的时候，在奥运村里边实际也用过。就是做储能，做成了超级电容器，像电极材料，这个电极材料你的面积越大，就相当于储的电荷越多。电容就是两块板，一块板是带正电，一块板带负电，然后电充进去的时候就充到两块板上面以后，它要用的时候直接放出去。那么如果你要充得多，你这块板就要大。那么你这么一小块电容器的话，你再大也就这么大一块两块板，所以像赵老师这个材料的话，那么造了孔以后，把比表面做得非常非常大，它就可以充好多好多的电进去。我们已经在奥运会，在公共汽车上已经得到这样的应用，就像这个汽车，你充一次电，有的如果面积小的只能跑100公里，所以利用这样的大的面积，它就可以跑400公里。我们来看看短片。
能源和环境问题是人类社会共同面对的长期问题。不烧油、零排放的电动汽车既可以缓解能源短缺问题，又对环境十分友好，一直以来是全球发展的必然趋势。但是由于续航问题没有得到很好的解决，至今还没有完全推广使用。如果可以利用这种介孔材料的超大表面积来储存更多的电，让电动汽车有朝一日真正实现充电一次就能跑几百千米，将会为汽车革命带来巨大的潜力，除此之外，这些神奇小孔还有什么其他功能呢？我们用了这种新材料，还有什么作用呢？这个孔的大小，分子量大的它就过不去，分子量小的就能过去，这个就叫做分子筛，就像我们日常用的筛子一样，小的东西就从筛子里过去了，我们小时候筛煤也好，筛沙子也好。大的沙子粒就过不去，我们这样的也是一样，我们做成了有机高分子塑料的这样的孔，我用它作为一个筛分子的一个东西，大分子就过不去，小分子通过我这个有机的东西就过去了。这样的话，我们在蛋白的分离，日常当中有遇到很多蛋白，它的分子量都上万，利用我这个东西就可以筛分。我们来看看相关的短片。
这种有很多小孔的材料还可以用于催化剂，作为微观世界中化学反应的容器。因为小孔的表面有很多活性中心，在它们的帮助下，物质进入到小孔之后，就会发生各种化学反应。第二个是催化剂的选择性问题，这个孔大小是可以控制的，比如说我们要将某些反应物，我不要让它进去，有些让它进去，那么你就把这个孔控制到某一种规格。能够进去的，把另一种挡出去，这个进去以后再反应出来，那就是你要的东西。如果你的孔太大，谁都进去了，全反应，全给你干活了，干得乱七八糟的，那就出来的产品就不是你要的这种单一的想选择的这个东西了。这个就是催化剂的一个选择性的问题，所以孔大小可以调节的。我们用了这种新材料在工业方面，到底对目前的工业的改变是什么？我们用到了这个催化剂，好比说石油化工的一个这样的一个过程，大家都知道石油是非常重要，好比说我们从地下采来的油，分子量非常大。那你只有断到一定小了，变成小的流动非常好的汽油，我们用在车上，那这样的一个过程叫石油加工，就要把石油打碎，以前的稍微重一点的油，他们也加工不了的一个很大的分子，越大的分子需要孔径越大，那我们就利用我们这个介孔材料。因为我孔大了，把一些以前做不了的我们可以把它转化效率提高，好比说炼沥青，你看我们柏油马路这样的沥青，我也可以加工成汽柴油。
沥青是过去石油加工剩下来的废渣？废渣，渣油给它变成汽柴油。你现在可以通过这种材料把沥青也能够再加工。对。炼成油。炼成汽柴油，所以我们这个材料已经用在这个石油加工上边。就高效地把石油转化，这样的话为国家能够节省一些能源，节省一些原油的这样的一些进口。我们可以给大家算笔账吗？用了这种新材料的技术作为催化剂，在石油化工行业上，具体的这个我们获得的效益是什么？比如说我们国家每年的石油的处理量大概7亿吨，7亿吨，如果你汽油的收率提高1%，那就是700万吨。1吨汽油批发价假如就算5000块钱，那就是几十亿。现在好比说刚才贺教授讲7亿吨这个里边，还有刚才说的有一些不可利用的沥青占50%，非常大，现在我们能把这部分，沥青的这部分，大概能提取10%到20%，并且我们现在还在做一个柔软的高分子的这样的一个过程，所以我们现在做成液体的这样的一些催化剂，原来的这个加工都在一个固定床上进行，现在我可以把这个跟原油混在一起，因为它是柔软嘛，混在一起来加工。因为只有充分地接触，才能把原油的产率提高。所以以前我们国家7亿吨油，这里边一半是渣油，我们的处理量不到20%。现在我们如果用上这些技术，我们现在可以增产到也许50%，甚至更高，这样的话我们就可以，真的这个原油的效率就大大大大提升。如果这项技术真的可以推广到全球的话，对整个地球上能源的这种节约，这是一件大好事。
赵老师还有一个梦想，就是我们现在的原油的炼油是把油采出来运到炼油厂再去炼的，如果它现在用液体的这些催化剂的话，它可以直接注入到油井里面，就等于是就在油井里边就直接炼油，然后出来就省掉了石油的这个运输的这个问题了。就是我把我这个催化剂，刚才说是柔软的，是可流动的，这样的催化剂直接打到地底下，就在地底下，它就可以把一些原来的这种石油，就把它变成汽柴油，直接我抽上来，这样的话，我们就可能减少很多的污染，减少很多的这样的一个过程。那我们整个化工过程，就真的非常洁净的一个过程，这样的话也节省一些设备。这么美好的想法为什么是梦想呢？我们离这个梦还有多远？因为石油拿出来我们加工，我们控制温度,我都可以加工。但地底下怎么来加工，这个还是非常复杂的一个过程，所以这个还要不断地去试验，不断地去研究才可以。我相信随着科技的进步，一定有实现的那一天，但实现的那一天，对人类整个社会是有巨大的一种改变。说到这个话题，我们看看我们记者编辑的短片。
我国作为能源消耗大国，同时也是目前全球最大石油进口国，每年高达7亿吨的石油处理量，其中进口量就超过5亿吨。但是不可利用的废油就占据了一半，如果可以高效提高石油利用率，不仅仅将带来可观的经济效益，同时对于能源的安全问题来说，也将大大降低石油对外的依存度。并且，如果可以直接在原油基地进行炼油，省掉中间运油、建厂等环节，又可以大大提高生产力，节省大量成本。如果这一项成果推广开来，不仅仅有助于中国的能源节约，也将对全世界面临的能源问题，做出巨大的贡献。这样神奇的介孔材料在未来还将应用于哪些领域呢？除了我们在工业上的应用，会应用到民用上、医用上吗？比如说人造器官有这种潜在的前景。因为这样的一个高分子，真的它可以非常软，真的是跟我们人体的很多的器官，很多的，非常接近。人类有很多的，其实有很多的通道，我们这个呢，孔径又非常均匀，又是在介孔的范围，那我可以做一些像离子通道，可以使一种东西通过去。仿细胞膜可控传输，整个细胞的话，实际上钾可以从一头跑到另一头，钠或者从这头跑到另一头。这里边有两种，一种是根据大小可以通过，另一种它有选择性地把它让某一种离子通过，实际上你在上面附上一定的，我们叫基团，就是刚才说的不同功能的工厂或者车间，就是只对着某一个离子，可以让它过去，这样的话就是有选择性可以通过了。
将来我们模拟一些人体的器官，这个我们又有这样的一个通道，人体所有的器官都可以来做，所以我们在这方面，生物应用方面，这个是前景非常广范的，所以我们现在也模拟进行一些生物的检测，这个是非常好的。这里边带孔嘛，它有很多的工厂，我可以把工厂放上不同的机器，打到人体当中进行检测，还有定点的一些清除，这个都非常好。好比说胃肠镜，我们都做过胃镜的检测，这个里边要伸进去一个东西，要吃麻药，这个非常难，那现在我们这样的小的东西，进到人体当中，就可以检测你有没有胃病，有没有这样的一些东西。在实际应用的过程当中，我们是否也发现过它的短板和我们有可以更进一步改进的空间呢？我们现在在做多功能的把各种这些工厂，加工的工厂集中在一起，也就说孔其实也有大有小。刚才说一个塑料上面，打成一个孔径，我还可以打成不同的孔径，我这个大孔我就放一个大的机器，小孔放在（入）一个小机器，这样的话，整个性能全部集中在一个个体里边。各个不同的工厂，都引入到这个材料里边以后，可以多功能同时可以做这些，这些我们要的事情。这样的话就可以在整个医用方面，拓展得就可能更宽了。所以这样的话我去检测，刚才说药物，我装不同的药，不同大小的分子的药，我到人体了，我碰到这个好比说这个肿瘤，我可以把大的分子拿出来，去杀这个癌，碰到一个其他的这类小分子，我就出来，所以这样的话，利用孔把多种功能集中在一起。
我们再大胆地替大家来畅想一下，有了这种新型材料之后，未来一旦产业化大面积应用的时候，这个时候，对我们普通人的这个影响会是什么？刚才已经讲，高分子离人类的生活特别近，其实日常生活，你看这个塑料这些，胶皮这些，其实所有的这些都是高分子，所以高分子如果能够把这样的一个造孔的规律，用到这样的一个东西，那这个是绝热、防火，各个角度、各个性能都能够提高。衣服的材料，不但是舒适，它还可以保温，因为它的孔里边带着空气以后，它就是个非常好的一个绝热的一层材料，那么就是有可能又轻又透气又保温，也许今后我们穿着这个衣服的话，去南极就根本就不怕了。所以这就是有序介孔高分子的这个材料，有可能在今后这方面还有更大的发展的前景。这样的一个高分子的，这样的一个带孔的东西，做成印刷电路板，大伙都看到过。这个电子元件都是固定在这个板上，现在信息产业都到了5G，这个电子器件儿就越来越近，就要求这个板它的绝缘性越来越好。那什么最不导电呢？空气是最绝缘的。好了，孔就是这样，所以那这样要利用这个技术，把塑料的这个印刷电路板变成一个绝缘体，这样的话它就可以改进整个的5G越来越密。将来我们可能真的是利用我们这样的造孔技术，整个印刷电路全部是用我们的这样的技术，绝对是将来给信息产业带来革命。这个材料给未来我们的社会，给我们的时代将会带来一种改变，而这所有的改变来自于科研人员不断的努力。那在这里也感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目，我是主持人胜春。如果您想了解我们更多的内容，可以下载央视频去收看其他的节目，今天的《透视新科技》就到这儿了，我们下期节目再见。
