设为首页|加入收藏

科研动态

首页 > 科研动态 > 正文

材料科学与工程学院王前教授荣获国际先进材料协会奖

发布者:  时间:2021-06-15 08:25:14  浏览:

近日北京大学材料科学与工程学院王前教授荣获国际先进材料协会(International Association of Advanced Materials, IAAM)颁发的IAAM Medal,以表彰她在碳材料领域所做出的贡献。

国际先进材料协会(IAAM)是一个由全球先进材料领域研究人员组成的国际组织,致力于为先进材料科学、工程和技术在世界范围内的快速发展提供平台。IAAM Medal是IAAM授予在材料科学、工程与技术领域从事研究工作至少10年,并做出重大贡献的科学家和研究人员,以激励并认可他们的开创性贡献“ground-breaking contributions”。


新型碳材料的计算模拟及其应用研究是王前课题组的主要研究方向之一。2011年王前教授入职北大后,获批的第一个国家自然科学基金面上项目是“2p电子的磁性”。王前课题组系统地研究了低维碳基材料磁性,提出了多孔化对铁磁耦合的调控机理和构建二维磁性结构的基本模式:将磁性结构单元用磁性链接体有效组装。以实验上已合成的石墨烯纳米片、1,3,5-苯三基等为结构单元,利用数学上的Kagome点阵模型等,构建了多种稳定的二维碳基磁性材料晶体结构;系统地研究了这类体系中由2p电子产生的磁性,阐明了结构单元间的磁耦合机制,做出了一系列原创性工作,得到了国际同行的认可和广泛引用【如Nat. Comm.7, 1148(2016); Chem. Rev.116, 7159(2016); Advanced Mater.27, 2150(2015); Angew. Chem. Int. Ed. 53 7248(2014)等】,为实验研究与合成碳基磁性材料提供了理论支撑。

2013年王前课题组从理论上证明了常温常压下金属碳的存在【PNAS 110, 18809 (2013)】。这种三维金属碳,由于其费米面处的电子态密度高,表现出新奇的物理化学特性。国内外诸多科学媒体纷纷撰评,《科技日报》发表了总编辑圈点,认为这一发现将极大丰富人们对碳材料的特性的认识并拓宽其应用领域,纽约时报《The New York Times》科学记者对王前进行了采访,并在美国科学院院刊PNAS的“Journal Club”栏目以“Predicted new form of carbon is metal” 为题发表了评述。这一发现开启了人们后续对碳的金属相及拓扑半金属相的研究。王前课题组在2017年从理论上发现了碳的新二维金属相ψ-Graphene【JPCL,8, 3234 (2017)】。

2015年王前课题组提出了五边形石墨烯【PNAS 112, 2372 (2015)】。基于1918年德国数学家莱茵哈特提出的“如何用五边形无缝密铺二维空间” 数学命题,王前课题组通过计算模拟,提出了一种仅由五元碳环构成的二维结构-五边形石墨烯,从材料的角度实现了近百年来数学家们所追求的数学模型。五边形石墨烯由于其新颖的结构和独特的性质,起了学术界和科学媒体的广泛关注,美国物理学会的Physics Today(Predicting pentagonal graphene),英国皇家化学学会的Chemistry World (Calculations predict pentagonal graphene),世界著名出版公司Elsevier的Materials Today (Flat-packed pentagonal carbon),德国WILEY-VCH科学出版社的Chemistry Views(Penta-graphene)等国际著名学术机构对该工作进行了专题报道;诸多科学媒体和网站如:Science Daily, Science Newsline, Science Alert, Physics News, Phys.org, New Materials News, Daily Nano News等对此工作进行了新闻报道。2016年在科协组织的“2015年中国重大科学、技术、工程进展30项”评选活动中,五边形石墨烯入选“2015年中国重大科学进展(10项)” 【《科学导报》2016,34(3)13】。2020年“揭秘五边形石墨烯”载入中国数字科技馆。

五边形石墨烯的提出打破了传统富勒烯科学中“孤立五边形原则”。一直以来,科学界普遍认为在碳材料家族中,虽然五元碳环和六元碳环都是基本的结构单元,但五元碳环不能单独地构成稳定的富勒烯笼状结构,这一规律被总结为“孤立五边形原则”。王前课题组证明了只用碳五元环也可以构成稳定的二维碳结构-五边形石墨烯。

更为重要的是五边形石墨烯为二维新材料的研发提供了新的原子结构模型。受五边形石墨烯的启发,数以百计的仅以五边形为结构单元的二维新材料被理论预言或实验合成(如五边形硅烯纳米带、五边形二硒化钯等成功合成)。这类材料由于其特殊的原子构型,因而具有诸多新颖的物理、化学特性,如s-p能带反转、高载流子迁移率、铁磁性、拓扑半金属性、拓扑半绝缘等,在纳米电子学器件、光催化水分解、二氧化碳的催化转化、超级电容器、金属离子电池等方面表现出广泛的应用前景。王前课题组建立了五边形二维材料数据库,并对已发现的102种不同晶体结构的二维五边形材料进行了分类研究(如下图所示)。五边形型石墨烯的发现有力地推动了新型二维材料的研发。

3EDAF

此外,王前课题组在高导热碳、低导热碳、压电性碳基材料、负泊松比碳基材料以及金属碳、拓扑半金属碳作为锂、钠离子电池负极材料等方面也做出了多项原创性工作,多篇论文被选入美国科学院院刊PNAS,德国应用化学Angew. Chem. Int. Ed., Nanoscale, J. Chem. Phys.等国际学术期刊封面论文,研究工作得到国内外同行的广泛认可。由于“在新型碳材料的计算模拟和自旋电子学材料磁性的理论研究方面取得具有国际影响的研究成果”,王前教授获2016-2017年度谢希德物理奖(每两年1-2名),2016年获亚洲计算材料协会ACCMS颁发的杰出贡献奖。自2014年连续入选爱思唯尔“中国高被引学者”榜单;入选2020全球前2%顶尖科学家“生涯影响力”榜单。