功能納米材料研究進(jìn)展—唐智勇研究員及其團(tuán)隊(duì)專訪

《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》編輯部

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

功能納米材料是化學(xué)、物理、生物和材料科學(xué)多學(xué)科交叉的前沿，是納米科技發(fā)展的基礎(chǔ)。功能納米材料集中體現(xiàn)了小尺寸、精準(zhǔn)控制、高集成度和強(qiáng)相互作用等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)，是將量子力學(xué)效應(yīng)工程化或技術(shù)化的最好載體之一，呈現(xiàn)獨(dú)特的光、電、磁、機(jī)械和催化等性質(zhì)，在物理、生物、化學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域中都有廣泛的研究和應(yīng)用前景。

我們有幸采訪了功能納米材料專家，《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》“精準(zhǔn)納米合成”特刊的客座編輯唐智勇研究員，為我們分享他在功能納米材料方面的研究經(jīng)歷及功能納米材料在國內(nèi)外的現(xiàn)狀、應(yīng)用、發(fā)展方向等，并對(duì)功能納米材料領(lǐng)域面臨的一些重要問題進(jìn)行了分析。

問題1：唐智勇研究員，在您的科研生涯中從事過哪些方面的研究？您從什么時(shí)候開始從事功能納米材料方面的研究？

回答：我從1993年在武漢大學(xué)讀碩士研究生從事環(huán)境化學(xué)方面的研究工作，1996到中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所讀博士研究生從事分析化學(xué)方面的研究工作，2000年–2006年分別在瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、美國俄克拉何馬州立大學(xué)和密歇根大學(xué)從事博士后研究，開始專注于功能納米材料方面的研究。

問題2：請(qǐng)介紹一下您的課題組在功能納米材料領(lǐng)域取得的主要成果？

回答：我的課題組長期從事功能無機(jī)納米粒子組裝體的設(shè)計(jì)、構(gòu)筑、功能調(diào)控及應(yīng)用研究。主要研究成果包括：1)組裝基元的設(shè)計(jì)：制備了形貌各向異性的納米粒子，實(shí)現(xiàn)了對(duì)組裝體成核和生長過程的控制，制備了宏觀尺寸的“類單晶”三維有序組裝體；2)組裝基元間相互作用力的調(diào)控：通過調(diào)節(jié)納米粒子的庫侖排斥與范德華吸引力的平衡，在溶液中實(shí)現(xiàn)了多種由多分散無機(jī)納米粒子構(gòu)建的超級(jí)納米粒子組裝體的可控制備；3)組裝體的構(gòu)筑及應(yīng)用：構(gòu)建了多種類、大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、具有特殊光學(xué)、電學(xué)、催化和機(jī)械性質(zhì)的納米粒子組裝體，為納米粒子材料在催化、能源等領(lǐng)域的最終應(yīng)用提供新的思路和理論依據(jù)。

問題3：請(qǐng)您簡(jiǎn)單回顧一下功能納米材料領(lǐng)域最近幾年的重要進(jìn)展？

回答：最近幾年功能納米材料的發(fā)展非常迅速，已由早期的合成出不同尺寸大小和形貌的納米材料向“精細(xì)化”合成轉(zhuǎn)變，研究人員可以在原子和分子水平的精準(zhǔn)構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)其功能的設(shè)計(jì)、剪裁和優(yōu)化，而且在能源、催化、生物和環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷出現(xiàn)新的研究成果。如納米催化方面提出了單原子/限域催化的概念，生物方面提出構(gòu)筑智能響應(yīng)型納米機(jī)器人的概念，能源方面利用冷凍電鏡觀測(cè)電池材料和界面原子結(jié)構(gòu)等等。

問題4：目前我國功能納米材料研究在國際上處于什么水平？

回答：在國家的大力支持下，我國納米科技發(fā)展迅速，成果顯著。在全方位、分層次的戰(zhàn)略布局情況下，經(jīng)過多年來長期的奮斗，我國功能納米材料領(lǐng)域已形成了一支高水平的基礎(chǔ)研究隊(duì)伍，取得了一批國際上有影響的成果，整體研究水平已進(jìn)入世界先進(jìn)行列。以二維碳納米材料的研究為例，中國科學(xué)院化學(xué)研究所李玉良老師原創(chuàng)性地提出了石墨炔的概念，在石墨烯的應(yīng)用方面北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院劉忠范老師的團(tuán)隊(duì)走在了世界的最前列。

問題5：功能納米材料領(lǐng)域有迫切需要突破的卡脖子技術(shù)嗎？并分析功能納米材料領(lǐng)域面臨的一些重要問題。

回答：目前，功能納米材料的研究大都在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行毫克級(jí)別制備，產(chǎn)量比較小，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，需要發(fā)展納米材料的規(guī)?；苽浼夹g(shù)，提高其生產(chǎn)能力。然而，采用一些放大的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行合成時(shí)，對(duì)應(yīng)的反應(yīng)環(huán)境會(huì)與微型反應(yīng)器有很大差異，導(dǎo)致合成出的功能納米材料的尺寸、形貌、維度等可能會(huì)發(fā)生很大的變化，進(jìn)而導(dǎo)致其性能發(fā)生明顯的變化。因而，功能納米材料的規(guī)?；苽浼夹g(shù)成為限制其實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)瓶頸問題。

功能納米材料領(lǐng)域面臨的一些重要問題如下：1)如何實(shí)現(xiàn)微觀和宏觀的關(guān)聯(lián)、物理化學(xué)性質(zhì)的跨尺度效應(yīng)、非線性行為、多自由度耦合和調(diào)控？2)如何能夠?qū)⒓{米尺度的特性繼續(xù)在宏觀材料中保持并得到優(yōu)化？3)如何使這些性能長時(shí)間的發(fā)揮而不失效？4)功能納米材料的結(jié)構(gòu)與性能之間構(gòu)效關(guān)系的研究不夠深入，缺乏一些原位的表征技術(shù)。5)功能納米材料的基礎(chǔ)研究已經(jīng)取得了較高水平的成果，但與企業(yè)的早期聯(lián)系不夠，企業(yè)的早期介入不夠，導(dǎo)致以應(yīng)用為導(dǎo)向發(fā)展納米科技的力度不夠，與產(chǎn)業(yè)界脫離較遠(yuǎn)，成果轉(zhuǎn)化較為緩慢。

問題6：功能納米材料在哪些方面獲得了實(shí)際應(yīng)用？

回答：經(jīng)過20多年的發(fā)展，功能納米材料在應(yīng)用研究方面取得了重要進(jìn)展，體現(xiàn)出納米科技基礎(chǔ)研究成果對(duì)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重大促進(jìn)作用。如中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所與江蘇丹化集團(tuán)、上海金煤化工新技術(shù)有限公司聯(lián)手合作，成功開發(fā)了煤制乙二醇系列納米催化劑的研制與大化工技術(shù)，該技術(shù)的推廣應(yīng)用將有效緩解我國乙二醇產(chǎn)品供需矛盾；中國科學(xué)院化學(xué)研究所研發(fā)的“納米材料綠色印刷制版技術(shù)”摒棄了感光成像的技術(shù)思路，從而有可能從根本上消除感光化學(xué)過程帶來的避光操作和廢液排放問題；國家納米科學(xué)中心、中國科學(xué)院過程工程研究所及中國電力科學(xué)研究院合作完成的“新型電力防污閃納米復(fù)合室溫硫化硅橡膠(RTV)材料”達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，該成果的完成是科研院所與用戶單位共同攻克技術(shù)難題，基礎(chǔ)研究和工程需求相結(jié)合的產(chǎn)物；上海硅酸鹽研究所成功研制出針對(duì)汽車尾氣凈化、滿足嚴(yán)格國IV排放法規(guī)的新型高性能低成本“三效”催化劑，為國產(chǎn)化高性能低成本汽車催化劑的研發(fā)推廣做出了貢獻(xiàn)。

問題7：您可否預(yù)測(cè)和分析一下功能納米材料的現(xiàn)狀、發(fā)展方向？

回答：隨著合成化學(xué)的快速發(fā)展，人們根據(jù)需求可以設(shè)計(jì)和可控合成出具有不同尺寸、維度、化學(xué)組分、形貌、功能的納米材料，已取得一系列的基礎(chǔ)研究成果，而且在實(shí)際應(yīng)用中也有了一些初步的嘗試。未來的發(fā)展需要集中納米科技領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)研究力量，圍繞功能納米材料、納米表征與標(biāo)準(zhǔn)、納米器件與制造、納米催化、納米生物與醫(yī)學(xué)等重點(diǎn)領(lǐng)域系統(tǒng)布局，對(duì)有優(yōu)勢(shì)和引領(lǐng)作用的研究方向強(qiáng)化支持，解決納米材料中若干重大共性和基礎(chǔ)性問題。面向能源、環(huán)境、健康等可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域，充分發(fā)揮功能納米材料在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展中的引領(lǐng)作用，從基礎(chǔ)研究產(chǎn)生變革性技術(shù)，帶動(dòng)和支撐相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

問題8：您對(duì)功能納米材料的學(xué)科發(fā)展有哪些期望？

回答：我對(duì)于功能納米材料學(xué)科的發(fā)展有如下幾點(diǎn)期望：1)功能納米材料研究逐步由主要集中在基礎(chǔ)研究逐漸向基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究及產(chǎn)業(yè)化并舉轉(zhuǎn)變；2)由單一學(xué)科向多學(xué)科交叉和融合的方向發(fā)展；3)由獨(dú)立工作向集成化和國際化方向發(fā)展；4)更加重視關(guān)鍵裝備的研發(fā)；5)以材料為基礎(chǔ)向催化、能源、生物等方面的應(yīng)用發(fā)展。

問題9：您對(duì)準(zhǔn)備從事功能納米材料研究的青年學(xué)者有何建議？

回答：我對(duì)準(zhǔn)備從事功能納米材料研究的青年學(xué)者的建議如下：1)選準(zhǔn)研究方向。功能納米材料是一個(gè)涉及化學(xué)、物理、生物和材料科學(xué)多學(xué)科交叉的前沿方向，青年學(xué)者應(yīng)該系統(tǒng)深入地了解該領(lǐng)域的國際前沿，掌握功能納米材料精準(zhǔn)構(gòu)筑及其應(yīng)用中的重要進(jìn)展、面臨的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)性問題，選定自己感興趣的研究方向。2)勤奮努力。青年學(xué)者應(yīng)該在自己的研究方向能夠長期堅(jiān)持不懈的努力，耐得住寂寞，保持與同行、學(xué)生間的交流，提升自己對(duì)研究領(lǐng)域中涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題的更好理解。3)不盲從熱點(diǎn)。大家在了解國際前沿的發(fā)展的時(shí)候，能夠客觀評(píng)價(jià)相關(guān)方向的發(fā)展，不要盲目追尋科研中的熱點(diǎn)方向，保持科研之初心。4)瞄準(zhǔn)重大需求。從長遠(yuǎn)來看，科研在推動(dòng)科學(xué)不斷發(fā)展和完善的同時(shí)，能否將其應(yīng)用于實(shí)際生活，把自己的研究成果寫作祖國的大地上，服務(wù)于社會(huì)，是大家需要不斷關(guān)注和思考的問題。