第158次-- 科学与技术前沿论坛

主题报告

生物可降解高分子材料的基础研究及其产业化
陈学思中国科学院院士中国科学院长春应用化学研究所

全球传统塑料消费量超过5亿吨，但回收率仅为30%左右，且传统塑料废弃物长期埋于地下难以降解，严重污染土壤，焚烧处理方法会产生有害烟雾和有毒气体，严重污染环境。聚乳酸等脂肪族聚酯作为一类重要的可降解高分子材料，在取代传统的石化基塑料材料方面具有重要意义。生物基聚乳酸的原料是从淀粉发酵得到的乳酸出发，经过系列化学化工过程由丙交酯单体聚合生产聚乳酸。在脂肪族聚酯的合成中，环单体开环聚合是目前最常用的合成方法，具有高原子经济性和高可控性的特点。生物可降解聚合物因其良好的生物相容性和可降解性而得到广泛应用，极大地促进了生物医学领域的发展。生物技术和医学技术的发展对生物医用材料提出了更高的要求。新型具有特殊性能的可生物降解嵌段共聚物材料也越来越受到人们的关注。嵌段共聚物具有精致的序列顺序和特殊的功能，自单体多种聚合工艺出现以来，模仿初级结构来生产序列控制嵌段共聚物的人工方法得到重视。最近，我们实现了O-羧基环内酸酐（OCA）与丙交酯的化学选择性开环共聚，将OCA和LA依次转化为聚合物链，形成多嵌段聚酯。电化学切换策略也被开发用于丙交酯、CO2和环氧化物的共聚，产生聚乳酸和聚碳酸酯的多嵌段共聚物。最近的一篇综述报道了这种氧化还原控制的可切换策略用于聚合物的控制合成，并重点介绍了进一步研究的潜在应用和挑战。我们将可生物降解嵌段共聚物至关重要的两个主要部分，即聚酯和聚碳酸酯，它们处理可切换聚合的多种材料，如抗菌、形状记忆、粘合剂等。使用商业salenMn催化剂的可切换催化应用于环交酯、酸酐、环氧化物、CO2和ε-己内酯等混合物的一锅法选择性开环共聚，以精确合成AB、ABA与新型ABC嵌段共聚物或多嵌段共聚物。
绿色印刷自组装及光电器件制备
宋延林研究员中国科学院化学研究所

基于纳米材料制备及功能墨滴图案化的基础研究，发展了系统的绿色印刷制造技术，形成了液滴操控印刷自组装-功能基元图案化-光电器件应用的研究体系，并开展了液滴在图案化表面的动态行为研究。首次实现了液滴碰撞前后运动方式的改变，为解决高精度图案的印刷制备和精确调控提供了新的思路。从液滴操控三维成型出发，用模板诱导液滴在三维空间内自发收缩，实现了单一或多材料的三维微纳结构的快速组装。进一步，利用微模板操控泡沫的演变，克服了气泡图案化控制难题，实现了气泡的反奥斯瓦尔德熟化和印刷气泡图案化，并以此为印刷模板组装多类功能材料。特别地，利用液滴操控纳米绿色印刷微纳制造的优势，首次发现了纳米光子结构散射-衍射转变的临界条件，并发展了光学超材料检测芯片用于新冠病毒、流感病毒、肿瘤标志物的超灵敏快速检测，为功能器件的印刷制备开辟了新的思路。
智能材料与器件的前沿交叉：从发光到光电子http://videozh.cas.cn/masvod/public/2025/09/10/20250910_199332de3fa_r36_1200k.mp4
郝建华教授香港理工大学

智能材料（铁电、压电和磁传感等）在电子元器件、存储、传感、换能和驱动等得到广泛应用。本报告介绍了将材料的智能特性耦合到发光与半导体光电子研究，从而可能催生出新的前沿交叉研究领域。首先，我们在国际上首次将铁电调控手段引入到稀土发光领域，实现了铁电调控发光及其压电多模式超声与光子发射器件。我们提出了“磁场诱导发光”（Magnetic-field-induced Luminescence，MIL）新术语概念，实验展示了MIL 效应。通过这些掺杂离子发光材料与智能材料的耦合，可以发展智能化和多功能化新材料，这对于深入理解发光物理机制和研制新型器件具有重要的意义。此外，将智能材料性质耦合的思路从发光拓展到半导体光电子相关领域，具有极其广阔的研究空间。随着图像识别、自动汽车驾驶和智慧医疗等新型应用场景的不断发展，人工视觉神经形态器件，已吸引了国内外学者的广泛兴趣。相比于传统的图像识别系统，基于类脑器件的人工视觉系统需要集光学感知、逻辑运算和信息存储于一身。近年来我们研究了基于铁电异质结的光电突触器件，在单一器件水平模仿完整的人工视觉系统。利用铁电极化等智能特性，研制的光电突触器件集成了类似于人脑的逻辑和信息存储功能。本研究得到NSFC (52233014)，RGC (PolyU SRFS 2122-5S02)和PolyU (1-CE0H)基金资助。
原子时代的化学带来的机遇与挑战
吴宇恩教授中国科学技术大学

吴宇恩教授课题组近些年来一直专注于催化剂的理性设计及精细调控，并将其应用于能源小分子“化学键”的精准活化。发展了自上而下的合成策略实现了高金属载量、配位结构均一的单原子催化剂的可控制备，实现了对活性中心金属-金属键、配位数等原子结构的精准调控，并将其应用于氧分子等能源小分子的精准活化。利用主客体策略实现了具有双原子中心的燃料电池阴极催化剂合成，解决了非Pt催化剂在酸性条件下不稳定的难题；采用表面缺陷工程策略制备了高效廉价的Ru单原子合金电解水催化剂，相比于商业Ru基催化剂成本和稳定性提升了两个数量级。发展了原子蒸发法，解决了大规模制备中均一性的问题。面向不同的工业应用场景开发了多达200多种单原子催化剂，建立了单原子催化剂的大数据库和年产超1000吨的生产线。开发了一种全新的氧气调控技术——电子氧肺技术，可安全、高效的实现氧气的富集和脱除。未来，我们拟开发面向国防、医疗供氧、粮食储藏、食品保鲜、冶金、化工合成等行业的制氧、除氧、控氧反应器，开发多款针对不用使用场景的以电子氧肺技术为核心的高效氧气调控原型设备。建立了年产超1000吨的单原子催化剂生产线，实现了多项技术成果转化（>1300万元）。开发的单原子饲料添加剂将养殖业饲料中锌的用量降低90%以上，比常规的纳米氧化锌、精油、抗菌肽等替抗类产品具有更强的防治动物细菌性和病毒性腹泻的功能，有效解决高锌所带来的粮食安全和环境残留污染问题，产品销售至天邦、新希望等国内知名养殖企业，目前累计销量突破3000吨。研发单原子铜制剂，大幅度减少农药金属残留（>90%），大幅度减少农药金属残留对土壤的污染，同时有效避免了高铜所带来的药害和混配性问题，改变了高端无机农药被国外（杜邦等）产品垄断的局面施药面积突破200万亩。目前，开发的单原子催化材料系列产品已经应用于能源、催化、农业、医疗等领域，和美的、中国化学工程集团、天邦等企业形成紧密合作关系。
二维碳纳米复合材料孔隙的调控
程群峰教授北京航空航天大学

轻质高强高分子纳米复合材料是解决航空航天领域小型化、轻量化等瓶颈问题的重要材料，石墨烯、碳化钛等二维纳米片具有优异的力学和电学性能，但是其高分子复合材料的性能远低于预期值。我们研究发现影响高分子二维纳米复合材料性能的一个关键因素是孔隙，如何消除孔隙提高纳米复合材料的性能是该研究领域的一个巨大挑战。研究团队采用聚焦离子束-扫描电子显微镜和纳米X射线断层扫描（nano-CT）等技术重构了高分子二维纳米复合材料的结构，颠覆了高分子二维纳米复合材料紧密堆积结构的传统认知。研究团队提出了有效降低孔隙率的有序界面交联和外力诱导取向相结合的策略，大幅提高了二维纳米材料的规整取向、组装密实度以及界面强度，提高了高分子二维纳米复合材料的力学性能，同时提高了复合材料的耐疲劳、抗氧化、抗应力松弛性能，获得了一系列高性能纳米复合材料。

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第158次：新材料与可持续发展