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在进行自然科学基金申请时最重要的一个环节就是“关键科学问题”的凝练。想必每一位国自然基金的申请人都收到过类似“科学问题不够凝练”这样的专家评语，但却不懂怎么样才叫一个足够凝练的科学问题。为此，国家自然科学基金委员会组织编写了《凝练科学问题案例》一书，按照四种科学问题属性分类，举例并解析了81个科学问题的提出，旨在帮助研究人员进一步理解科学问题的凝练。由于是基金委组织编写的，所以本书可以视作国自然本子撰写的“官方攻略”了。
下面是其中一个科学问题的片段试读，帮助大家了解本书内容：
铜表面抗氧化防腐的分子机制
凝练科学问题的过程及意义
1. 科学问题的探索过程
铜是一种具有优良导热性、导电性和延展性的重要有色金属，已被广泛应用于日常生活和工业生产中。与铝和镍等金属不同，铜表面无法形成致密、稳定的钝化层，致使铜表面会被持续氧化腐蚀。历史上，铜的大规模使用得益于其抗氧化腐蚀技术（如黄铜、青铜等冶炼技术）的发展。虽然铜合金具有良好的减缓氧化能力，但其导热和导电性能往往大打折扣。如何开发既有强抗氧化能力又能保持铜优越导电、导热性能的表面涂层技术，一直是铜抗氧化防腐领域备受关注和亟待解决的挑战性难题。
通常铜纳米材料在空气中仅能稳定数小时。2017年，研究人员意外发现，在以甲酸钠为还原剂制备铜纳米材料时，所得到的超薄纳米片（厚度仅1 nm）具有超强抗氧化能力，可以在空气中稳定1年以上。这一发现引发了研究人员对使用甲酸钠能够提升铜抗氧化能力原因的一番思考。在前期研究中，研究人员已经发现CO、有机胺等配位小分子可以与金属表面形成特异性配位，进而在金属纳米材料合成中控制其形貌、表面结构并改变它们的性能。因此，研究人员通过红外、程序升温脱附-质谱等手段发现，甲酸根不仅是还原剂，还存在于所合成铜纳米片的表面，初步推测甲酸根在铜表面的配位是其拥有强抗氧化能力的关键。为什么甲酸根的表面配位能够使铜表面具备强抗氧化能力？一个简单假设是甲酸根吸附在铜的表面，使铜表面不再吸附活化氧气。为验证这一假设，研究人员将清洗处理后的商业铜箔浸泡在甲酸钠的水溶液中，但无论浸泡多长时间，铜箔的抗氧化能力并没有得到提升，这意味着甲酸根在铜上绝非简单的吸附。在否定以上假设后，借鉴甲酸钠还原制备铜纳米片的合成条件，在甲酸钠水溶液中水热（200℃）处理铜箔，发现经24 h处理后铜箔展现出很强的抗氧化能力。这一结果展示了甲酸根在铜表面配位的独特性，铜表面极有可能在甲酸根的配位作用下通过原子迁移重构后才能拥有抗氧化防腐能力。接下来，要解决的首要科学问题是如何在分子层面上表征甲酸根在铜上的表面配位结构，理解相关结构与抗氧化性能的关系。
2. 解决本科学问题面临的困难
与简单的金属配合物和完美的单晶相比，实际应用的金属材料多不具备分子化合物的组成和结构确定性以及单晶表面的结构规整性，导致科研人员难以用现有的结构表征技术手段去研究有机配体在实际金属材料表面的键合结构，也就很难在分子水平上深入理解表面有机配体层影响金属材料化学性能的机制。在构筑有机配体保护的超薄/超细金属纳米模型材料体系的基础上，研究人员通过X射线吸收谱、原位电化学谱学等表征手段提取了一些金属功能材料表面配位的重要结构信息，并结合理论计算提出了利用有机表面配体优化金属纳米催化性能的“空间位阻”和“界面电子效应”。但是所发展的方法无法在埃级的空间尺度上对配体在纳米材料上的键合结构进行高分辨表征，难以解开铜抗氧化之谜。
3. 研究本科学问题过程中的创新点
在空间分辨能力上，原子分辨的扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）和基于qPlus传感器的非接触原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）表征是分析甲酸根在铜表面配位结构的理想手段，但通常要求单晶样品。基于qPlus-AFM表征单晶上水所形成的氢键结构方面的工作，研究人员提出将相关技术应用于实际非单晶铜箔样品的可能性。通过材料制备-结构表征-理论计算的通力合作，发现经甲酸根水热处理的铜箔表面重构为具有c(6×2)超结构的Cu(110)表面，该表面由甲酸铜二聚体[Cu(µ-HCOO)(OH)2]2桨轮状单元和O2-共同保护，而这一表面配位钝化层给Cu(110)表面穿上了严实的“防护服”，有效地阻止了O2与内部金属铜原子的作用。更为重要的是，在深入理解分子机制的基础上，通过引入烷基硫醇配体进一步钝化无甲酸根修饰的台阶或缺陷位点，使铜表面的整体抗氧化性能提升2个数量级，可与银媲美，为用铜替代银制备导电电子浆料提供新路径。
4. 研究本科学问题的意义
本项源于意外发现的原创成果不仅为金属表面钝化提供了表面配位全新策略，更为重要的是，深入的基础研究为实际应用开发打下了坚实基础，使得所发展铜抗氧化防腐技术可以适用于制备铜箔、铜线、铜纳米材料，为铜替代银制备导电电子浆料提供全新策略。例如，硅太阳能电池正在进行新一代技术的迭代，其中异质结太阳能电池在效率、稳定性、工艺流程上均有明显优势，但痛点在于需要用到更多的低温银浆，使价格偏高，而上述所开发的铜防腐技术有望解决这一痛点问题，最终推动异质结太阳能电池的规模化应用。
案例点评
金属铜的抗氧化在氧化防腐领域备受业内关注。如何开发既有强抗氧化能力又能保持铜优越导电、导热性能的表面涂层技术，一直是业内具有挑战性的难题。近期，研究人员在以甲酸钠为还原剂制备铜纳米材料时，意外发现所得到的超薄纳米片（厚度仅1 nm）具有超强抗氧化能力，且可以在空气中稳定1年以上。为了对这个意外发现给出机理上的深入理解，研究人员通过材料制备-结构表征-理论计算的通力合作，确认经甲酸根水热处理的铜箔表面发生重构，形成具有c(6×2)超结构的Cu(110)表面。该表面由甲酸铜二聚体[Cu(µ-HCOO)(OH)2]2桨轮状单元和O2-共同保护，有效地阻止了O2与内部金属铜原子的作用。在深入理解分子机制的基础上，研究人员通过引入烷基硫醇配体进一步钝化无甲酸根修饰的台阶或缺陷位点，使铜表面的整体抗氧化性能提升2个数量级。这项原创性研究成果不仅为金属表面钝化提供了表面配位全新策略，也为进一步的实际应用开发打下了坚实基础，为用铜替代银制备导电电子浆料提供新路径。
案例供稿部门：化学科学部化学科学三处
附上本书目录，帮助判断本书是否对您有益
第一篇 鼓励探索 突出原创
一、结构超滑
二、暗物质粒子的实验研究
三、正反原子核物质的不对称性
四、单原子催化
五、铜表面抗氧化防腐的分子机制
六、地质新时代的人类世：时限、征与影响
七、钒同位素高温下的分馏机制、储库组成及重要应用
八、深部原位岩石力学理论和技术
九、面向软件开发的群体智能调控机理
十、*鱼吸附机理及其仿生
十一、血液肿瘤的细胞异质性及其演化研究
十二、病证结合的生物网络基础研究
第二篇 聚焦前沿 独辟蹊径
一、拟周期驱动的双系统的动力学结构
二、数据与机理的融合计算
三、分布式微剂量CT创研中的科学问题与解决
四、软材料与生物软组织
五、致密天体快速变化的天体物理机制
六、宇宙学距离的几何测量
七、双星演化的基本过程
八、精确求解量子多体问题
九、自由基化学反应的机制与功能
十、新型无机倍频晶体材料的化学创制
十一、神经元兼容的活体化学测量
十二、全新回声定位哺乳动物类群猪尾鼠的发现及其适应机制
十三、机械力感受与离子通道门控机制
十四、锰元素，天然免疫的“传令兵”—锰元素调节免疫应答的发现与应用探索
十五、活细胞糖代谢的高时空分辨探测及解析技术
十六、基于植物群落功能性状的生态系统生产力时空变异预测
十七、细菌耐药性的形成机制与控制原理
十八、青藏高原冰川消融输出汞的过程通量及其环境效应
十九、土壤-水稻系统镉同位素分馏征及迁移转化机理模型
二十、石墨烯纤维结构功能一体化
二十一、全光谱太阳能梯级耦合利用方法
二十二、场调控拓扑磁性材料、物理和器件原理研究
二十三、大规模移动边缘网络智能协同感知-接入-处理理论与方法
二十四、阿秒脉冲的产生及应用
二十五、交换移植效率的非渐近分析
二十六、基于中国情境的实物期权公司估值理论：理论重构与现实应用
二十七、资源分配中的虚拟价格机制
二十八、自噬绑定化合物异性降解生物大分子及细胞器
二十九、基于三维微流控芯片平台定量检测肿瘤异性外泌体
三十、动脉粥样硬化性心血管疾病系统流行病学研究
三十一、石墨烯大面积制备
第三篇 需求牵引 突破瓶颈
一、大型可展开柔性空间结构的动力学与控制
二、基于铌酸锂导电畴壁的pn结及其光探测应用
三、分布式X射线源静态CT成像及其安检应用研究
四、生命过程中外源污染物的识别与追踪
五、益生菌对食品中有害重金属的生物减除机制分析
六、草莓果形调控的分子机制研究
七、GNSS高精度定位质量控制理论与方法
八、如何解决数值化学天气预报中的关键科学与技术难题
九 目标观测算法研究及其在海洋观测系统设计中的应用
十、涂层/基体异质界面相容性实现方法及作用机制
十一、高密度高可靠电子封装中多物理场耦合的应力-应变演化规律
十二、强多径、快时变海洋信道下可靠水声通信理论与方法
十三、医用可交互数字模型构建问题
十四、Ge沟道CMOS迁移率增强机制和方法
十五、不正常航班恢复问题
十六、慢性病管理个性化筛查、预测与控制
十七、经济系统中的能源效率测度问题
十八、多灾种耦合的非线性风险量化问题
十九、生物大分子药物体内高效递释系统
二十、人体肺部结构和功能的无损、定量、精准的医学影像研究
二十一、环境机体应激与防护策略
二十二、动态博弈情况下无人集群系统的协同决策与控制
二十三、航空光电成像的运动补偿与控制
二十四、跨介质仿生机器人机构/结构/表面融合设计理论
二十五、网络化视频信号的资源受限编码原理与适配协作传输机制
第四篇 共性导向 交叉融通
一、纳米粒子-细胞界面作用的物理机制和调控策略研究
二、生物大分子动态修饰与化学干预
三、电化学合成氨中的氮气活化和竞争反应的抑制
四、基于生物电/磁性和铁/钙代谢研究电磁场对骨重建作用的生物电磁学机制
五、肿瘤耐药的系统动力学机制
六、城市交通时空韧性标度律
七、基于pre-gB结构及其受体互作的EB病毒新型疫苗设计
八、框架核酸分子机器
九、物理本质和计算机体系结构中局部性的统一建模
十、濒危药材独疗效物质研究
十一、生理和病理状态下运动系统组织细胞亚群和微环境构成及其互作
十二、复杂人机紧耦合系统人因安全的影响机制与保障原理
十三、海岸带环境变迁与文化文明演替
