功能納米材料研究進展—唐智勇研究員及其團隊專訪

《物理化學學報》編輯部

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

功能納米材料是化學、物理、生物和材料科學多學科交叉的前沿，是納米科技發展的基礎。功能納米材料集中體現了小尺寸、精準控制、高集成度和強相互作用等現代科學技術發展的特點，是將量子力學效應工程化或技術化的最好載體之一，呈現獨特的光、電、磁、機械和催化等性質，在物理、生物、化學和材料學領域中都有廣泛的研究和應用前景。

我們有幸采訪了功能納米材料專家，《物理化學學報》“精準納米合成”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歷及功能納米材料在國內外的現狀、應用、發展方向等，并對功能納米材料領域面臨的一些重要問題進行了分析。

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

問題2：請介紹一下您的課題組在功能納米材料領域取得的主要成果？

回答：我的課題組長期從事功能無機納米粒子組裝體的設計、構筑、功能調控及應用研究。主要研究成果包括：1)組裝基元的設計：制備了形貌各向異性的納米粒子，實現了對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控：通過調節納米粒子的庫侖排斥與范德華吸引力的平衡，在溶液中實現了多種由多分散無機納米粒子構建的超級納米粒子組裝體的可控制備；3)組裝體的構筑及應用：構建了多種類、大尺寸、復雜結構、具有特殊光學、電學、催化和機械性質的納米粒子組裝體，為納米粒子材料在催化、能源等領域的最終應用提供新的思路和理論依據。

問題3：請您簡單回顧一下功能納米材料領域最近幾年的重要進展？

回答：最近幾年功能納米材料的發展非常迅速，已由早期的合成出不同尺寸大小和形貌的納米材料向“精細化”合成轉變，研究人員可以在原子和分子水平的精準構筑納米結構單元，實現對其功能的設計、剪裁和優化，而且在能源、催化、生物和環境等領域的應用不斷出現新的研究成果。如納米催化方面提出了單原子/限域催化的概念，生物方面提出構筑智能響應型納米機器人的概念，能源方面利用冷凍電鏡觀測電池材料和界面原子結構等等。

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，我國納米科技發展迅速，成果顯著。在全方位、分層次的戰略布局情況下，經過多年來長期的奮斗，我國功能納米材料領域已形成了一支高水平的基礎研究隊伍，取得了一批國際上有影響的成果，整體研究水平已進入世界先進行列。以二維碳納米材料的研究為例，中國科學院化學研究所李玉良老師原創性地提出了石墨炔的概念，在石墨烯的應用方面北京大學化學與分子工程學院劉忠范老師的團隊走在了世界的最前列。

問題5：功能納米材料領域有迫切需要突破的卡脖子技術嗎？并分析功能納米材料領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驗室中進行毫克級別制備，產量比較小，不能滿足實際應用的需求，需要發展納米材料的規模化制備技術，提高其生產能力。然而，采用一些放大的實驗設備進行合成時，對應的反應環境會與微型反應器有很大差異，導致合成出的功能納米材料的尺寸、形貌、維度等可能會發生很大的變化，進而導致其性能發生明顯的變化。因而，功能納米材料的規模化制備技術成為限制其實際應用的一個瓶頸問題。

功能納米材料領域面臨的一些重要問題如下：1)如何實現微觀和宏觀的關聯、物理化學性質的跨尺度效應、非線性行為、多自由度耦合和調控？2)如何能夠將納米尺度的特性繼續在宏觀材料中保持并得到優化？3)如何使這些性能長時間的發揮而不失效？4)功能納米材料的結構與性能之間構效關系的研究不夠深入，缺乏一些原位的表征技術。5)功能納米材料的基礎研究已經取得了較高水平的成果，但與企業的早期聯系不夠，企業的早期介入不夠，導致以應用為導向發展納米科技的力度不夠，與產業界脫離較遠，成果轉化較為緩慢。

問題6：功能納米材料在哪些方面獲得了實際應用？

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

問題7：您可否預測和分析一下功能納米材料的現狀、發展方向？

回答：隨著合成化學的快速發展，人們根據需求可以設計和可控合成出具有不同尺寸、維度、化學組分、形貌、功能的納米材料，已取得一系列的基礎研究成果，而且在實際應用中也有了一些初步的嘗試。未來的發展需要集中納米科技領域的優勢研究力量，圍繞功能納米材料、納米表征與標準、納米器件與制造、納米催化、納米生物與醫學等重點領域系統布局，對有優勢和引領作用的研究方向強化支持，解決納米材料中若干重大共性和基礎性問題。面向能源、環境、健康等可持續發展領域，充分發揮功能納米材料在經濟、社會發展中的引領作用，從基礎研究產生變革性技術，帶動和支撐相關產業的發展。

問題8：您對功能納米材料的學科發展有哪些期望？

回答：我對于功能納米材料學科的發展有如下幾點期望：1)功能納米材料研究逐步由主要集中在基礎研究逐漸向基礎研究、應用研究及產業化并舉轉變；2)由單一學科向多學科交叉和融合的方向發展；3)由獨立工作向集成化和國際化方向發展；4)更加重視關鍵裝備的研發；5)以材料為基礎向催化、能源、生物等方面的應用發展。

問題9：您對準備從事功能納米材料研究的青年學者有何建議？

回答：我對準備從事功能納米材料研究的青年學者的建議如下：1)選準研究方向。功能納米材料是一個涉及化學、物理、生物和材料科學多學科交叉的前沿方向，青年學者應該系統深入地了解該領域的國際前沿，掌握功能納米材料精準構筑及其應用中的重要進展、面臨的難點和挑戰性問題，選定自己感興趣的研究方向。2)勤奮努力。青年學者應該在自己的研究方向能夠長期堅持不懈的努力，耐得住寂寞，保持與同行、學生間的交流，提升自己對研究領域中涉及的關鍵科學問題的更好理解。3)不盲從熱點。大家在了解國際前沿的發展的時候，能夠客觀評價相關方向的發展，不要盲目追尋科研中的熱點方向，保持科研之初心。4)瞄準重大需求。從長遠來看，科研在推動科學不斷發展和完善的同時，能否將其應用于實際生活，把自己的研究成果寫作祖國的大地上，服務于社會，是大家需要不斷關注和思考的問題。