2024年化学新材料领域“科学探索奖”获奖人介绍

代表性成果

相较于碳纤维，二维碳纳米材料在力学和电学性能上高出2-3个数量级，预示着其未来有可能取代碳纤维在航空航天领域的应用。然而，如何将二维碳纳米材料有效组装成高性能复合材料，仍是该研究领域面临的重大挑战。程群峰团队揭示了提升二维碳纳米复合材料性能的关键科学问题，他们发现，由于毛细收缩效应导致的“孔隙”缺陷是影响复合材料性能的主要原因。针对这一问题，他们提出了一种新颖的组装策略以消除这些“孔隙”，成功实现了纳米复合材料的致密化和规整取向，从而研制出了高性能的二维碳纳米复合材料。进一步研究二维纳米材料间的载荷传递机制，将有助于开发出满足航空航天需求的新型轻量化材料。

未来研究方向

将继续深入研究纳米材料界面的桥联载荷传递机制，并开发新的界面桥联设计与构筑策略。他们的目标是充分发挥纳米材料的本征性能，创制在力学和电学性能上满足未来航空航天领域轻量化材料需求的复合材料。此外，他们还打算进一步探索这些材料在航空航天领域的实际应用潜力。

代表性成果

太阳能光催化反应，既可用于分解水产生氢气（绿氢），又能助力二氧化碳还原生成太阳燃料，是国际科学前沿的重大课题，也是实现碳中和的重要途径。光生电荷在光催化剂中的转移、运输，及其从内部到表面反应位点的过程，是决定光催化效率的关键。这一过程跨越了从飞秒到秒的时间尺度和从原子到微米的空间尺度，因此揭示其微观机制极具挑战性。范峰滔团队通过发展“时空接力相机”方法，在时空全域内（即从飞秒到秒的时间尺度和从体相到表面的空间尺度）接力式地追踪了纳米单颗粒光催化剂中光生电荷的分离和转移演化全过程。他们发现，光催化剂中普遍存在的各向异性晶面和缺陷态直接影响光生电荷的动力学行为。光生电子在亚皮秒时间尺度内通过准弹道传输机制实现晶面间的超快传输，表现出量子特征，这与经典电磁学理论预测的漂移扩散机制有所不同。而光生空穴在纳秒到微秒尺度上演化，实现在不同晶面上的分离。他们的工作在单粒子尺度上实现了高时空分辨的电荷转移和分布追踪，为光催化过程的研究建立了全新的技术和理论方法，将极大促进光催化领域基础科学的发展，为解决光催化微观过程的瓶颈问题及发展高效光催化剂带来希望。

未来研究方向

将致力于深入探索液相及反应条件下光催化电荷转移与注入化学键的全时空动态过程，力求精确识别并解决电荷转移效率的关键瓶颈问题。太阳能向化学能的高效转化依赖于光生电荷成功跨越界面，并被精准注入催化位点，进而在固液界面高效促进化学键转化，完成液相化学反应——这一过程是人工光合成的核心环节及“最终挑战”。当前研究面临的一大困境在于缺乏在复杂液相及反应环境中对该过程进行有效成像的技术手段。因此，范峰滔未来研究将聚焦于时间、空间和能量的多维度分析，采用创新的全时空域原位动态表征技术，对太阳能光催化的完整机制进行系统成像研究，尤其强调固液界面的液相成像技术突破，以实现从太阳能捕获至化学能释放全链条的可视化研究。研究将精确诊断光催化过程中电荷利用低效的瓶颈环节，为打通电荷传输至催化反应的关键路径、加速高效光催化剂的研发提供强有力支持，并以这一重大科学问题为引领，激发对更高精度、更快响应、更强功能探测技术的迫切需求，进而推动高端科研仪器的革新与发展。

代表性成果

放射性影像引导的肿瘤靶向激活策略。放射性技术具有独特的组织穿透力和靶向性，然而如何利用放射性实现体内精准的化学调控。刘志博团队发展了一类新型的肿瘤靶向含硼氨基酸探针，该探针在动物模型和脑瘤患者中均展现出优异的肿瘤靶向性，目前已获得中美临床批件，预计明年进入三期临床。基于这一探针，他们进一步发现其可以驱动活体内的脱硅断键反应，并在放射性影像引导下，结合双重靶向策略，实现了肿瘤细胞内特定蛋白的精准激活。由此，他们在国际上首次揭示了细胞焦亡的抗肿瘤免疫活性。这一系列工作为癌症治疗提供了新策略，并为抗体偶联药物等前药及载药体系的发展提供了新思路，开辟了放射性药物研究的新方向。放射性直接驱动的药物靶向释放。传统化疗药物因缺乏肿瘤靶向性，常伴随强烈的毒副作用。能否借助靶向性好的放疗射线在肿瘤内选择性的释放药物分子，降低全身毒副作用，是一个关键的科学问题。刘志博团队首次报道了由核辐射驱动的活体断键反应，并提出了放疗响应前药的理念。2024年进一步发现了目前为止效率最高的辐射响应基团，实现了在肿瘤内，由放疗射线选择性释放临床广泛使用的顺铂类药物。这系列成果为化疗药物的精准递送提供了新的策略，有望显著降低化疗的毒副作用，提高治疗效果。基于邻近化学发展SuFEx共价核药。

未来研究方向

将继续面向实际临床需求，开发新型化学工具与调控手段，发展更具普适性的共价核药物以及更高效的药物递释系统，突破核药物靶点受限、释药体系效率不足的瓶颈。这些新颖的化学工具将有望推动国内创新药物的快速发展，助力恶性肿瘤等重大疾病的精准诊断与高效治疗。

代表性成果

轴手性是围绕轴成对的两组基团呈非平面排列所产生的手性，它是配体和催化剂的优势载体，为不对称催化的发展提供了原始驱动力，极大地提升了人类获取单一构型手性物质的效率。然而，轴手性领域长期以来一直面临高效方法稀缺、优势骨架有限、核心结构昂贵等主要问题。谭斌团队面向轴手性骨架的系统不对称构建，创新了有机催化模式、发展了新型芳烃化学并开发了芳基-烯烃、1,3-二烯等多种新型骨架。研究成果不仅解决了部分联芳基骨架的来源问题，也极大地丰富了优势骨架的类型，开辟了新研究方向。同时，有别于经典教科书的新型芳烃化学突破了有机催化对惰性底物活性不足的瓶颈，为普通芳烃的活化与高价值不对称转化提供了新思路。此外，基于自主知识产权的轴手性骨架建立了催化剂库并商品化开发，为多类挑战性不对称转化的攻克奠定了基础。

未来研究方向

将针对有机催化非活化不饱和烃的不对称转化展开深入探索，包括新型芳烃化学的拓展、催化模式的创新及新催化剂的开发。由于缺乏有效的相互作用位点，有机催化对于廉价易得的不饱和烃的活化与不对称转化充满挑战，极大地限制了领域的进一步发展。广谱的新型芳烃化学将为普通芳烃的有机催化活化与不对称转化提供一种通用策略；催化模式的创新和能量转移新催化剂的开发将挑战有机催化活化能力的极限，从根本上扩展有机催化的应用范围。相关研究将为非活化不饱和烃的高附加值不对称转化提供新途径，助力手性药物及功能材料的开发。

代表性成果

氢能是我国能源结构向绿色低碳转型的重要载体。质子交换膜燃料电池是氢能利用的关键环节。发展中温燃料电池，即将燃料电池的工作温度提高到100 ℃以上，可以增强催化剂反应动力学、简化水/热管理、提高对于广谱氢来源的宽容度，具有极为重要的应用价值。然而，传统依赖水进行质子转运的质子导体，在“中温”条件下会由于失水导致质子传输通道阻断，传导能力大幅下降，为中温质子交换膜燃料电池的发展带来了极大的挑战。因此，如何“锁住”水分子并确保气体渗透成为燃料电池在中温条件下能否正常工作甚至提高性能的关键问题。受高温嗜热菌的生存策略启发，其依赖于通过细胞膜进行气体交换以及渗透物（如脯氨酸、异亮氨酸和甜菜碱等，均具有α-氨基酮基团）维持细胞内的水合作用，王博团队首次设计了基于α-氨基酮连接的仿生开放框架（BOF）。他们通过将BOF与商用离聚体Nafion编织在一起，构筑了> 100 ℃条件下“会呼吸”的质子导体。这一突破创造了一个微妙的环境，即不仅提升催化层“锁住”水分子能力，加速了质子传导，还保证气体的渗透性，模仿了高温嗜热菌的生存策略。以商用铂碳为催化剂，引入BOF离聚体的燃料电池在105 ℃工作温度下额定功率密度相比以纯Nafion作为离聚体的燃料电池提高了1.9倍。

未来研究方向

将发展分子仿生策略，仿照生物分子结构，利用离子、小分子和纳米晶体的节点结构导向性，构建并组装具有局部有序、孔道自适应、刚柔并济的仿生开放框架膜。同时，他们将致力于构筑新型孔内环境高度仿生的限域传质与催化通道，发展复杂孔道化学和物理环境的新限域传质理论与模型，揭示仿生框架内活性位点的空间分布、动态局域运动与催化性能的构效关系。他们计划系统性地提出仿生开放框架膜材料的理性设计思路和可控合成方法，揭示在限域纳米通道内与三相界面处的传质与催化机理，并加深对生物体中超快选择性传质与高效催化过程的理解与认知，从而实现对生物体内复杂物质传输与代谢过程的模拟。预期研究成果将为在分子尺度上达到接近人类器官内关键传质和催化性能提供有效途径，为核心能源材料与人工器官材料的产业化奠定基础，并为疾病治疗提供更为精准、高效的材料选择，助力清洁能源技术与医用材料领域的发展。