十二五期间国家自然科学基金资助项目优秀成果选编（高分子方向）

国家自然科学基金委员会在成立三十周年之际，编辑出版了《国家自然科学基金资 助项目优秀成果选编（六）》。 本书以照片及简练的文字对部分获国家自然科学基金资助项目的优秀成果进行了 介绍。

本文节选 化学科学部 和 工程与材料科学部 中的 高分子方向优秀成果 如下：

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）。

▲ 图为美国化学会安塞姆·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）

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。

▲ 图为稀土催化丁 二 烯聚合制备高性能顺丁橡胶工业化装置（3 万吨 / 年）

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 Nature Photon.、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 harvesting and 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。

▲ 图为2015 年 Nature Nanotechnology 以 封面报道新型纤维状材料与器件

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。

▲ 图为快速启动剪切 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

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”。Scripta Materialia 前主编、美国工程院院士 J H Perepezko 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.