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“功能导向晶态材料的结构设计和可控制备”重大研究计划推动我国晶态材料研究再攀高峰
2020年12月10日    作者: 付雪峰 邹国红 康强 杨俊林    发布 : 化学科学部

2020年1月7日,国家自然科学基金委员会批准“功能导向晶态材料的结构设计和可控制备”重大研究计划实施结束。该重大研究计划自2009年1月首次发布指南以来,共资助项目158项,其中培育项目124项,重点支持项目29项,集成项目3项,战略项目2项,总研究经费为1.88亿元。项目涉及国家自然科学基金委员会化学、工程与材料、数理和信息等四个科学部。资助项目于2018年底全部顺利结题。

晶态材料作为固态材料的主体,具有结构有序稳定、本征特性多样、构效关系明确、易于复合调控的特点,可实现功能导向的结构设计与可控制备,在众多领域发挥着重要作用。当前材料科学与信息科学、环境和能源科学、生命科学等学科的交叉融合成为材料发展的重要趋势和驱动力。该重大研究计划通过多学科交叉,对决定晶态材料性能的最基本组成和结构基础——“功能基元”进行深入的研究,发现了晶态材料的光、电、磁及其复合性能与空间结构以及电子结构之间的内在关系规律,揭示决定晶态材料宏观功能的功能基元及其在空间的集成方式,为实现功能导向晶态材料的结构设计和可控制备提供理论基础,提升我国化学、材料科学基础研究的创新能力、为解决国家重大需求的相关问题提供科学支撑。该重大研究计划在多个前沿研究方向取得重要突破,并发展成为在国际上并行、领跑的研究领域;继续保持并扩大我国在功能晶体领域的领先优势,有力促进了化学、材料、数理以及信息等学科高度交叉。

该计划自实施以来,发展了功能基元设计理论,建立了晶态材料的可控合成及组装、功能基元的探测与表征、材料性能的模拟与预测等研究方法,研制出一批具有国际影响、且对相关技术及产业具有引领作用的晶态材料,取得了以下主要创新性研究成果:

(1)分子基材料研究步入国际居高点:率先设计合成出一系列高性能单分子磁体、单离子磁体、单链磁体、低温磁制冷分子晶体;首次观察到铁电畴和发现铁磁与铁电有序共存现象,并提出对称性破缺产生铁电性磁-电耦合材料新理论。

(2)非线性光学材料研究引领国际:发展了新型非线性光学晶体理论;实验证实了不对称单元偶极相互作用增强的机制;提出了晶界工程和多晶微结构新理论;晶态透明陶瓷激光材料取得重大突破使我国成为继美国之后第二个实现多片叠加万瓦激光输出的国家。

(3)能量转换材料研究取得重大突破:发现系列具有优良性能的新型锑基结构热电材料以及系列新型铁硒基超导体材料,在国际上产生了重大影响。

该计划执行以来在Science、Nature及双刊子刊等重要国际期刊发表论文近400篇;授权国际国内专利308项;获得国家自然科学奖二等奖10项、国家技术发明奖二等奖2项、发展中国家科学院化学奖1项,1项研究成果入选中国科学十大进展。

该计划实施以来,在晶态材料研究领域培养了一批具有国际水准的优秀科学家。专家指导委员会成员或项目承担人中有8人当选中国科学院院士。项目承担人中有23人在项目实施期间获得国家杰出青年科学基金项目资助、6人获得优秀青年科学基金项目资助,为我国晶态材料研究领域创新能力的全面提升和可持续发展提供了重要的人才保证。

该重大研究计划始终遵循“有限目标、稳定支持、集成升华、跨越发展”的总体思路,通过加强顶层设计,不断凝炼科学目标,积极促进学科交叉。在实施过程中,指导专家组和管理工作组各司其职、合理推进,充分发挥了专家学术管理与项目资助管理相结合的管理模式,确保项目研究的针对性、项目资助的公正性和项目完成的质量。该计划的顺利实施极大提高了我国在晶态材料领域的研究水平,确保我国在晶态材料研究领域保持国际领先地位。

经综合评估专家组讨论投票,该重大研究计划全面完成了既定任务,达到了预定科学目标,评估结论为优秀。

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图1准线性配位的茂镝单分子磁体

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图2 两相共晶调控晶格应变产生的巨极化晶态铁电薄膜材料

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