全球800多个小组在该领域研究！“如果错失时机，将来肯定被卡脖子”
学术
2024-11-26 07:50
北京
文 ｜ 《中国科学报》 记者 张双虎
日前，在以“中空多壳层结构材料固体化学基础和重大应用”为主题的第757次香山科学会议上，中国科学院过程工程研究所（以下简称过程工程所）研究员王丹在报告中说：“在这一领域，我国目前处于引领地位。如果‘做成了’，将成为我们新的‘科技制高点’，也就有了反‘卡脖子’的资本；如果错失时机，将来该领域肯定会被‘卡脖子’。”“中空多壳层结构（HoMS）是我们命名的一种材料结构。”王丹告诉《中国科学报》，“这是一类新型多级孔材料体系，这种类似‘玲珑球’的结构带来了很多‘神奇’的材料性质。”从构成物质的原子结构到形成生命的细胞结构，从人类、地球到云团星系，宇宙万物都可以被看作简单或复杂的HoMS。“同样材料的不同结构形成了不同的材料特性、体现不同的功能。”王丹进一步解释说，桌子、椅子和床，虽然用的材料都是木头，但结构不同，实现的功能也各不相同。在纳米尺度上，HoMS的“玲珑球”结构也表现出许多特异性能。2004年初，王丹回国到过程工程所工作。在进行一种中空单壳层材料研究时，他意外发现这种材料有特殊性质。这引发了王丹的兴趣，开始关注和研究这类材料。过去十几年，材料合成技术进步巨大。科学家从模仿中空单壳层结构合成开始，对传统合成方法进行改进，使其更适合HoMS合成，特别是“次序模板法”的发展，显著提高了HoMS合成方法的普适性和可控性。王丹解释说，“时空顺序性”是物质进入或离开HoMS时遵循时间与空间顺序的独特属性，可用于常规结构难以实现的串联催化、次序吸波和药物次序控释等。此外，通过化学修饰，可赋予HoMS每个空间独立的特性。人们根据应用需求改变其表面或自身结构特性，就可以实现“动态智能行为”。目前，“时空顺序性”和“动态智能行为”已在次序吸光、次序药物释放、药物响应释放等应用中展现了HoMS的不可替代性。“简单来说，HoMS是最前沿的研究之一，其独特性质和功能延伸，将在国家重大需求、社会经济发展和人民生命健康方面得到广泛应用。”王丹说。目前，我国在HoMS可控合成与结构调控方面已走在世界前列，创立了HoMS可控合成新方法，发现了HoMS的时空顺序新属性，证明了HoMS在物质次序转移转化等领域的不可替代性。“在这一领域，我们处于引领地位。”王丹自豪地说，“比如，目前报道的三壳层以上HoMS材料，几乎都采用了我们开创的合成方法。”目前，HoMS的种类极大丰富，金属、非金属及其氧化物、硫化物、磷化物、聚合物以及有机-无机复合物等各种不同的HoMS已被合成出来。“这个过程其实挺困难的，因为当时HoMS研究并非热点。”王丹说，“目前的很多研究热点是国外率先提出的，我们跟踪研究，虽然能发很多文章，但难以真正解决国家重大需求。”多壳层结构类似人脑的沟回， 沟回越多，感受刺激的能力就越强。王丹解释说，当光通过HoMS时，在每一层都被吸收，因此人工智能运用HoMS材料进行训练，一次能起到多重效果。HoMS的多孔结构能发挥“毛细作用”，可以把液体吸进来、排出去，因此可实现物质的吸收、输运、存储和转化，在热、光、电等存储转化领域发挥作用。利用吸附、分离作用，还可实现病毒、污染物处理，进行污水净化、海水淡化和海水提铀。中国科学院高能物理研究所研究员石伟群说：“在微纳尺度上调控材料壳层组成，能显著提升材料选择性、吸附性和其他质量动力学性能。如果开发HoMS应用于海水提铀，有助实现我国海水提铀工程化，让我们走出铀资源贫乏短缺的困境。”“到目前为止，传统药物治疗线粒体相关疾病不甚理想，如果能制备并利用人工细胞或人工细胞器，则意义重大。”华东师范大学教授余承忠说，“细胞有物质传递、能量转化、生物合成、信息交流等功能，而HoMS可轻松实现这些功能。HoMS材料应用于人工细胞器制造，有望媲美甚至超越细胞。因此，HoMS研究将使人工细胞或人工细胞器研究更具活力，为疾病防治提供新技术、新理论。”此外，HoMS能解决材料有效表面与物质传输之间的矛盾，在储能、催化、电磁波吸收、药物传递等应用中展示出优异性能。由于具有大比表面积、丰富的孔隙结构以及可调控的表面性质，其作为催化剂载体，可以提高活性组分的分散度和稳定性，提高催化效率和选择性。更重要的是，这类材料有很多其他结构不能替代的特性。“因此，HoMS很容易形成新技术，建立新的材料体系，形成核心技术。”王丹表示，“HoMS属于最前沿的研究。”目前，全球37个国家和地区的800多个研究小组在该领域跟踪研究，约产出了900多篇研究论文。过去20年，HoMS在合成化学基础研究及能源、催化、环境、生物等领域的应用研究均取得重大进展。在HoMS纳微结构研究领域，我国科研人员在形状、壳层数目、壳层厚度、壳层间距、内核数量与结构、壳层的结晶性和晶面取向等方面均可做到“按需调控”。王丹认为，作为一种新兴功能材料，HoMS仍处于兴起阶段，面临着许多未解决的难题和挑战。“其结构上的层次感和对称感有望形成多种不可替代的应用出口，应用于更多领域。”中国科学院院士、国家纳米科学中心主任唐智勇说，“因此，围绕该领域的前沿基础研究非常必要。”中石化石油化工科学研究院有限公司正高级工程师慕旭宏表示，愿意和科研机构深入合作，将HoMS在石油化工领域的应用落到实处。科学技术部相关负责人认为，HoMS应用场景很多，但还有些科学问题亟待解决。当前重要的是“找准山头”，明确攻关方向，在科学源头、技术根部、科研底座方面着力解决问题。当天，王丹在会场偶然发现一块牌匾，上面镌刻“金阶初步”4个大字，这让他心生感慨。“HoMS 相关研究目前正处于‘金阶初步’阶段，这是条金光大道，前景无限，但仍须继续努力、稳步快行才能达到目标。”王丹说，“我们相信，这一变革性材料未来会发挥重要作用，形成具有自主知识产权的新技术，满足国家重大需求。”《中国科学报》 (2024-11-25 第3版 综合)![]()
