高分子领域优秀成果推介|国家自然科学基金资助项目优秀成果选编（六）
《国家自然科学基金资助项目优秀成果选编》是国家自然科学基金委员会在历年国家自然基金资助项目成果中，遴选的具有重要应用前景和创新性成果，能够为解决我国经济发展中关键科学问题和提高我国自主创新能力提供科技动力和智力支持的基础研究成果集，每5年评选一次，编辑成册向国内外发行，已连续出版六部。
国家自然科学基金资助项目优秀成果选编（六）推介高分子领域优秀成果如下：
创建低温溶解机理及构筑天然高分子基新材料
New Mechanism of Dissolution at Low Temperature andConstruction of the Natural Polymer Based Novel Materials
武汉大学张俐娜教授在国家自然科学基金（批准 号：21334005，30530850，59933070，20874079，20474048）等的资助下，进行了天然高分子结构、分子尺寸和链构象表征以及天然高分子基新材料构筑的系统研究，并已取得原始创新性和具有实用价值的科研成果。例如，开创崭新的低温溶解法，实现难溶性纤维素、甲壳素、甚至聚苯胺在 NaOH/ 尿素水溶液等体系中低温溶解，并提出低温下大分子与溶剂形成氢键配体导致溶解的新机理。同时，利用低温溶解的纤维素、甲壳素、壳聚糖和聚苯胺溶液通过物理再生方法构建出一系列新材料（光、电、磁功能材料、储能材料、生物医用材料、分离与吸附材料等），由此打开了利用可再生的生物质资源构建环境友好材料的“绿色”新途径，并揭示其结构与性能之间的构效关系。
2011 ～ 2015 年张俐娜教授获 2011 年度美国化学会安塞姆·佩恩奖（国际纤维素与可再生资源材料领域最高奖），评价为：“这是纤维素加工技术上的里程碑”；获 2012年度国家自然科学奖二等奖、2012 年度教育部高等学校十大科技进展和 2013 年度武汉市科技重大贡献奖。此外，发表论文约 100 篇、申请发明专利34 项、主编《天然高分子基新材料》系列丛书（共十册）。
美国化学会安塞姆·佩恩奖奖章、国家自然科学奖二等奖证书、教育部高等学校十大科技进展证书和武汉市科技重大贡献奖证书（从左至右）
可控聚合及其工业化新技术
Controlled Polymerization and Its Industrial Applications
合成橡胶是国际公认的战略物资，我国是世界上第一大合成橡胶生产国。掌握合成橡胶的关键核心技术——引发 / 催化剂体系及可控聚合技术，为使将来成为世界合成橡胶强国奠定科学与技术基础。
北京化工大学吴一弦教授在国家自然科学基金（批准号：20204001，20934001，51221002）的资助下，在引发 / 催化体系构筑、活性中心的活性与稳定性、聚合方法及聚合新工艺方面开展系统研究，并将高分子化学与无机化学、有机化学、化学工程等学科交叉融合，从科学研究、技术创新到产业应用，取得了重要进展：1. 发明了新引发体系及异丁烯可控聚合方法，揭示了可控引发、可控链增长及聚合特征转化的机理，实现了原位调控聚合物微观结构参数，研究成果已成功应用于我国丁基橡胶工业化生产。2. 发展了水相正离子聚合新方法及非极性烯烃单体在极性水相介质中低温聚合绿色工艺，突破了关键科学与技术难题，改变了传统认识。3. 发明了高活性、高定向性的稀土催化剂及其制备方法，实现了烯烃立构聚合与活性聚合的统一，发明了聚合体系彻底终止 / 降黏技术。进一步与中国石化企业合作开展工程化研究，建成中国石化第一套稀土顺丁橡胶工业装置（规模：3 万吨 / 年），实现了研究成果向产业转化。
相关研究已获授权发明专利 37 项（其中，国际发明专利 12 项），多项专利技术已在工业化生产中实施应用。共发表学术论文 24 篇。获中国石油化工集团公司科技进步奖一等奖 1 项和二等奖 1 项、中国青年科技奖 1项和中国青年女科学家奖 1项，入选国家百千万人才工程 1 项。
稀土催化丁二烯聚合制备高性能顺丁橡胶工业化装置（3 万吨 / 年）
新型纤维状能源器件
Novel Fiber-shaped Energy Conversion and Storage Devices
刚性的块状或板状结构已成为能源器件进一步发展的瓶颈问题，如可穿戴设备被认为是下一个全球科技革命的突破口，但目前相对笨重的供能系统无法满足其轻质、柔性、可集成等综合性能要求。
复旦大学彭慧胜教授在国家自然科学基金（批准号：20904006，21225417，51573027，91027025）的资助下，在国际上提出并发展出新型纤维状的太阳能电池、锂离子电池和超级电容器，与通常的平面结构相比具有质量轻、柔性好、可集成等优点，并可通过低成本的纺织技术实现规模化生产，在新能源领域发展了一个新方向。可望带来新的科技革命，改变人们的生活方式。
彭慧胜教授以通讯作者发表论文 90 多篇，包括 1 篇Nature Nanotech.、1 篇 NaturePhoton.、21 篇 Angew. Chem.Int. Ed.、2 篇 J. Am. Chem.Soc. 和 25 篇 Adv. Mater.。 成果 2 次 被 Science 和 5 次 被Nature 以“研究亮点”等报道，2011 年被 Nature 集团评为月度“亚太地区十大研究亮点”。应邀出版专著 Fiber-shaped energy harvestingand storage devices（Springer）。授权发明专利 40 多项，其中 30 项实现了转让。获得国内外学术荣誉 19 项，包括英国皇家化学会 Fellow、美国杜邦教授奖、教育部长江学者特聘教授、中国青年科技奖等。指导的 1 名毕业生因为博士学位论文获得国际纯粹与应用化学联合会国际青年化学家奖、2 名博士生获得美国材料研究学会优秀博士生奖。
2015年 NatureNanotechnology 以封面报道新型纤维状材料与器件
启动剪切下缠结高分子流体的非线性流变学
Non-linear Rheology of Entangled Polymer Fluids duringStartup Shear
中国科学院长春应用化学研究所安立佳研究员等在国家自然科学基金（批准号：21120102037）的资助下，发展和建立了一整套研究缠结高分子流体的Brown 动力学模拟和分析方法，发现在剪切速率高于松弛时间倒数且低于 Rouse松弛时间倒数的启动剪切下，①缠结的分子链不仅发生了取向，而且显著地被拉伸，说明分子链的运动不服从 Rouse动力学。②缠结的分子链确实发生了解缠结，在启动剪切初期，被拉伸的“缠结网络”能够抑制分子链解缠结，说明即使“管子”存在，也不是一条光滑、无势垒的管道。③应力过冲与取向贡献的应力无关，只与衡量分子链拉伸和回缩的超额应力相关，且应力极大值与轮廓长度极大值对应的应变基本一致，说明应力过冲的分子机理是被拉伸的分子链发生了回缩，而不是“管子模型”预言的分子链过度取向。
以上研究结果首次在分子水平上质疑了学术界普遍使用的“管子模型”基本假定和物理图像的有效性。在此基础上，他们还提出了“缠结高分子流体剪切抑制解缠结”的新概念，用于描述传统理论无法理解的缠结高分子流体非线性流变学行为，为重新构建缠结高分子流体非线性流变学理论和发展高分子材料加工新技术提供了清晰的物理图像。
快速启动剪切下，缠结高分子流体分子图像、轮廓长度与剪切应力的“管子模型”预测与 Brown 动力学模拟的比较
NT3-壳聚糖支架激活内源性神经发生修复脊髓损伤
NT3-chitosan Scaffold Activates Robust Endogenous NeurogenesistoEnable Functional Recovery after Spinal Cord Injury
北京航空航天大学与首都医科大学双聘教授李晓光团队在国家自然科学基金（批 准 号：31130022，31320103903）的资助下，在国际上首次证明，采用无生命的生物材料激活自体内源性干细胞修复脊髓损伤，向修复中枢神经损伤迈出了重要一步。2015 年 10 月 12 日，国际著名期刊《美国科学院院刊》（PNAS）同期发表了该团队“神经营养因子 3- 壳聚糖通过诱发大鼠内源性神经新生修复受损脊髓功能”和“通过转录组分析揭示脊髓损伤后功能修复的潜在分子机制”的两篇论文。脊髓损伤（SCI）也称截瘫，不但造成患者终身残疾，而且会给家庭和社会带来沉重的负担，是世界医学界尚未解决的重大难题。
这项成果的创新性在于利用生物材料激活动物内源性神经干细胞修复脊髓损伤，避免了伦理纠纷、免疫排斥和发生肿瘤的风险，为治疗截瘫开创了全新思路。如果临床治疗有效，将会破解百年来“中枢神经不能再生”的世界重大医学难题，其社会效益、经济效益及历史意义是不可估量的。2013 年诺贝尔生理或医学奖获得者、美国斯坦福大学的 SüDHOF Thomas C教授在《中国科学》发表评论文章，对这项研究成果进行高度评价。路透社也对这项成果进行了报道，目前国外同行也对该项成果进行关注，纷纷表达合作的意愿。
术后 6 个月NT-3-壳聚糖支架内新生的脊髓组织，其上分布有清晰的血管网络。壳聚糖支架的分子结构由棍棒图显示
借助WGCNA分析揭示了脊髓损伤 /再生过程中的相关基因表达模块
航空航天用高性能碳 / 碳复合材料基础理论与应用
Theory and Application of High-performance Carbon/CarbonComposites Applied in Aerospace
西北工业大学李贺军教授及其团队在国家自然科学基金（批准号：50225210，50372050，50572091，50072019，90716024）等的资助下，在航空航天用高性能碳 / 碳复合材料基础理论与应用方面取得了重要成果。
碳 / 碳复合材料属战略性高技术材料，是先进空天飞行器及其动力系统不可或缺的关键材料。近年来，高技术武器装备的跨代发展尤其是多个国家重大专项对碳 / 碳复合材料提出了更高温度、更抗冲刷、更长时间的严酷环境使用要求。研究团队针对影响该材料应用的一系列关键科学问题，揭示了不同织构热解炭形成机制，实现了基体热解炭的微结构精细调控，以 T300 碳纤维预制体制备出室温弯曲强度超过 500MPa、1700℃弯曲强度达800MPa 的碳 / 碳复合材料。揭示了原位定向纳米管 / 线结构形貌控制与增强增韧机理，发展了微纳多尺度增强增韧方法，实现了材料强度与韧性的同步提高，满足了航空航天领域特殊热结构件的苛刻性能要求。揭示了涂层高温防护、自愈合与氧化失效机理，开拓了多相镶嵌、自愈合及纳米线增韧等多种涂层体系设计及制备方法，解决了涂层与基体界面相容性难题，使涂层在空气环境中防护寿命达 1500℃、1480h，1600℃、900h，在 1600℃燃气风洞冲刷环境下的防护寿命超过 300h，为该材料在航空航天热结构热防护部件上的应用奠定了基础。
研究成果得到了国内外同行的高度评价：Mater. Res. Lett. 主编，美国 Y T Zhu教授评价认为：“碳纳米管的引入显著提高了碳 / 碳复合材料的性能”。ScriptaMaterialia 前主编、美国工程院院士 J HPerepezko 教授认为：“制备的涂层具有良好的抗氧化和抗热震性能”。南洋理工大学纳米材料专家 K Zhou 教授在论文（Pro.Mater. Sci.，IF 27.417）中大篇幅评价认为：“纳米线拔出、桥连与诱导裂纹转向增韧机制显著提高了涂层氧化保护效果。研究成果获 2008 年度国家技术发明奖二等奖、2008 年陕西省科学技术奖一等奖及 2013年度教育部技术发明奖一等奖；获全国百篇优秀博士学位论文 1 篇。相关理论成果已应用于兵器XX 系列远程火箭 弹、XX 超 音速导弹发动机等陆海空军的多种高新武器装备及重点型号，为国防高技术武器装备的跨代发展提供了有力支撑。
抗氧化碳 / 碳喷管1600℃燃气风洞试验考核
节油轮胎用高性能橡胶纳米复合材料的设计及制备
Design and Preparation of High Performance RubberNanocomposites toward Fuel-efficient Passenger Tyres
“节 油、 安 全” 已 成 为 汽 车 轮 胎的发展趋势，高性能橡胶纳米复合材料（RNC）是发展节油安全轮胎的关键。发展新型无机纳米填料的低成本纳米分散方法解决纳米填料的分散与界面调控难题，一直是困扰橡胶纳米复合材料规模化制备及应用的瓶颈。
北京化工大学张立群教授研究团队在国家自然科学基金（批准号：50303002，50403029，50673010，50725310，51073009）等的长期资助下，在节油轮胎用 RNC 的设计与制备方面取得了重要成果。团队率先将分子模拟方法引入到复杂的橡胶复合材料体系的研究中，在纳米填料的分散与聚集、纳米复合材料的界面及非线性黏弹性等方面取得了重要的理论成果；发明了水相纳米解离 - 改性 - 乳液共混共凝聚技术，开发了原位改性熔体分散技术，解决了不同纳米填料在橡胶中的纳米分散与界面调控的难题，进而开发了高性能的轮胎气密层用层状硅酸盐 RNC、胎面用高填充纳米二氧化硅 RNC、钢丝圈三角胶用纳米短纤维RNC，实现了规模化制备，研制出达到国际最好水平的节油安全轮胎 (B/A 级 )，产品 80% 以上出口。国际权威汽车杂志德国 AUTO BILD 对全球 50 个著名品牌轮胎测评，采用本成果生产的节油轮胎与米西林轮胎同获“最优”评价。本成果为我国轮胎行业应对欧盟轮胎标签法、各种贸易技术壁垒具有重要的支撑引领作用。
研究成果发表 SCI 收录论文 134 篇，SCI 他引 1672 次，受到国际同行高度评价。参编 4 部英文专著，授权发明专利20 项。在大型国际会议上作邀请报告和大会报告 20 余次。有关研究论文分别在澳大利亚第五届国际复合材料会议上获Klaus Friedrich 最好论文奖，以及获英国材料、矿物和采矿学会 Alan GlanvillAward 最好论文奖。相关成果获 2015 年度国家技术发明奖二等奖。还获得中国石油和化学工业协会科技进步奖一等奖2 项，中国产学研促进会中国产学研合作创新成果奖 1 项。
节油轮胎关键部件用橡胶纳米复合材料
实现高效率有机 / 聚合物太阳电池的新型聚合物材料及器件结构
Realization of High-efficiency Organic/Polymer Solar Cells ThroughNovel Semiconducting Polymers and Device Structures
有机 / 聚合物太阳电池是一种极具发展前景的太阳能利用技术，其大规模应用的关键在于大幅提高器件的能量转换效率。
华南理工大学曹镛教授团队在国家自然科学基金（批准号：50433030，50990065，51010003，51225301，91333206）的资助下，面向我国在新能源领域的重大需求，在推动本领域的发展中做出了若干原创性的贡献。团队设计和合成了几类兼具高载流子迁移率、宽吸收光谱、合适能级、可溶液加工等诸多优良特性的聚合物光伏材料；研制出新型水 /醇溶性共轭聚合物作为太阳电池电极 / 活性层界面调控层 , 开辟了一种实现器件开路电压及整体性能大幅提升的新途径。团队在国际上率先相继将单结聚合物太阳电池的能量转换效率提高到 8%、9% 以上，并在 2015 年公开报道了 10% 以上的效率。相关成果得到国际国内同行的高度评价并引起大量的跟进研究，研究团队也因此成为本研究领域国际领先团队之一。
近五年团队发表相关 SCI 论文 116篇，其中 19 篇为 SCI 高被引论文。20篇核心论文被他引达 5000 次。单篇论文最高他引 1800 余次 , 并在 2005 ～ 2015年我国被引次数最高的 10 篇论文中排名第二，在物理学科高被引论文中排名第一。研究成果获 2015 年度国家自然科学奖二等奖并入选 2012 年度中国科学十大进展。
研 究团队公开报道国际上首个能量转化效率达到 9% 的聚合物单结太阳电池的伏安特性图（NaturePhoton.，2012，6591-6595）
通用高分子材料的无卤阻燃高性能化
Halogen-free Flame Retardation of Polymeric Materials
要赋予通用高分子材料阻燃性能，需要在其体系中引入阻燃剂或可产生阻燃作用的结构，但这会导致材料力学性能的恶化，而且一些高效的含卤阻燃剂因具有毒性或环境危害而被限用。因此，在通用高分子材料的阻燃中，迫切需要发展环境友好的无卤阻燃体系，解决材料阻燃性能与高性能之间的矛盾。
四川大学王玉忠教授在国家自然科学基金（批 准 号：50525309，50933005，51073106，51320105011）的资助下，通过阻燃机理及构效关系研究，提出和发展了一些新的阻燃原理和技术。例如：提出了液晶高分子材料原位成纤增强阻燃的学术思想，发明了同时实现阻燃与增强的全新阻燃技术，解决了添加传统阻燃剂会导致高分子材料力学性能下降的难题；提出了炭源和气源一体化的膨胀阻燃体系设计思想 , 发明了含氮超支化成炭剂及其构成的新型膨胀协同阻燃体系，解决了难炭化高分子材料体系的无卤阻燃高效化难题；发现了次膦 / 磷酸盐取代基影响其阻燃作用的规律与机制，据此发明的复合与杂化协同阻燃体系用于纤维增强复合材料体系的阻燃，在通过对本体的气相 / 凝聚相阻燃作用的同时，还会在纤维表面形成凹凸不平炭化层阻止纤维导流作用，从而解决了“烛芯效应”难题。
相关工作已发表 SCI 论文 130 余篇，SCI 他 引 2800 余 次，特邀英文综述 / 专著 6 篇 /章，境外国际会议 Plenary和 Keynote 邀请报告 9 次；获得授权发明专利 31 项，并在多家国内外企业实施应用，取得了显著经济效益。获 2010 年度国家技术发明奖二等奖和 2015 年度四川省科技进步奖（技术发明类）一等奖。
液晶高分子阻燃剂的阻燃增强技术
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来源：国家自然科学基金委
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