国家纳米科学中心拟提名2018年度国家科学技术奖项目公示

jiajie

按照国家科学技术奖励工作办公室《关于2018年度国家科学技术奖提名工作的通知》（国科奖字［2017］44号）的具体要求，现对国家纳米科学中心拟提名2018年度国家自然奖的2个项目进行公示，公示内容详见附件，公示时间：2018年1月4日至2018年1月10日。

　　公示期内，任何单位或者个人如对公示内容有异议，请以书面方式向国家纳米科学中心提出，并提供必要的证明材料。为便于核实查证，确保客观公正处理异议，提出异议的单位或者个人应当表明真实身份，并提供有效联系方式。个人提出异议的，须在书面异议材料上签署真实姓名；以单位名义提出异议的，须由单位法定代表人签字并加盖本单位公章。

　　项目公示内容包括：项目名称、提名者及提名单位意见、项目简介、客观评价、代表性论文专著目录、主要完成人情况、完成人合作关系说明、知情同意书。

　　联系人: 张利平

　　电 话:  010-82545553

　　邮 箱:  zhanglp@nanoctr.cn

项目名称: 自组装纳米结构的构建及功能化

提名者：中国科学院

提名意见：该项目围绕自组装纳米材料的构建及功能化开展系统研究，取得系列重要科学发现，可概括为三个方面：

（1）发展了形貌、尺寸及表面性质高度可控的纳米粒子合成方法学。提出了一种通过分离成核和生长过程来调控纳米粒子基元几何形貌及可控构建其组装结构的新方法；针对纳米粒子表面手性结构调控这一科学难题，通过调控纳米粒子表面有机分子的手性，阐明了手性纳米组装基元的结构起源和生长动力学。

（2）推动了纳米粒子组装方法学及组装理论的发展。提出了可适用于多种半导体纳米材料的自限制组装策略，揭示了超级纳米粒子的组装机理；通过将贵金属纳米粒子与手性生物分子复合，构建了具有可逆光学活性的动态自组装体系。

（3）实现了不同类型二元纳米粒子组装体的构建及对其光学性质的调控。通过将不同组装基元有序集成，构建了可擦写光学信息存储复合薄膜器件原型及具有优异光电特性的空心异质结构光阳极材料；制备了以单一无机纳米粒子为核、均一金属有机骨架化合物为壳的核壳结构纳米粒子，实现了对分析物如二氧化碳等的高灵敏光学检测相关研究成果在Nat. Nanotechnol.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等国际权威刊物发表。其中，8 篇代表性论文共被SCI 他引1311 次，最高单篇他引264 次。论文发表后被多种国际知名学术刊物进行专门评述或作为亮点报道。推荐该项目为国家自然科学奖 二 等奖。

项目简介

本项目属于物理化学领域。自组装技术的发展为科学家提供了一条将纳米粒子直接集成为功能材料的、切实可行的途径，意义重大。《Science》在其创刊125 年之际选取了25 个具有普遍意义的世纪难题，其中唯一一个与化学直接相关的即为“我们能将化学自组装推进到多远？”。针对纳米自组装领域中面临的关键科学问题和重大挑战，如：由于合成策略掌握不足，难以实现形貌、尺寸、表面性质高度可控的纳米基元的制备；由于对自组装机理认识的匮乏，难以完成动态可逆及复杂结构组装体的构筑；由于缺乏对能量转移和物质输运规律的深入理解，难以对组装体性能进行调控等。唐智勇及其合作者以自组装纳米结构的构建及功能化为导向，从组装基元的设计入手，通过调控基元间的各种强弱相互作用，实现了特定功能纳米粒子组装体的可控制备，发展了自组装构筑复杂纳米结构的理论，揭示了组装基元间的物质转移和能量传输规律，为实现纳米粒子自组装体的构建、性能优化、功能调控及实际应用提供了理论基础。

主要科学发现如下：

（1）发展了形貌、尺寸及表面性质高度可控的纳米粒子合成方法学。针对化学合成中因为成核速度过快极易导致生成多分散纳米粒子这一挑战，发展了一种分离纳米粒子成核和生长的新方法，实现了不同形貌、尺寸均一金多面体纳米粒子的制备及其自组装结构的可控构筑；针对纳米粒子表面手性结构调控这一科学难题，提出了由半胱氨酸和碲化镉纳米粒子组成的手性双中心拓扑结构模型，扩展了传统晶体生长理论，阐明了手性纳米组装基元的结构起源。

（2）推动了纳米组装方法学及组装理论的发展。提出通过揭示无机纳米粒子的自限制组装机理来认识生物大分子自组装行为的研究思路，并以多种尺寸多分散的无机纳米粒子作为组装基元，通过调控纳米粒子表面稳定剂赋予的库仑排斥力与自身范德华吸引力的平衡，实现了与生物体系相似、具有独特内松外紧类“核-壳”结构单分散超级纳米粒子的自发构建；通过将贵金属纳米粒子与手性生物分子复合，构建了具有可逆光学活性的动态自组装体系，建立了检测DNA 碱基错配的新方法。

（3）实现了不同类型二元纳米粒子组装体的构建及对其光学性质的调控。通过将不同组装基元可控集成控制其能量转移和物质传输，实现组装体光学性质调控。利用荧光共振能量转移实现了对无机团簇和半导体纳米粒子二元组装体光学性质的调控，构建了可擦写光学信息存储的器件原型；发展了一种适用于多种金属/半导体空心异质纳米结构的自组装制备方法，并利用该结构获得了具有优异光电转化效率的光阳极；自组装制备了以单一无机纳米粒子为核、均一金属有机骨架化合物为壳的核壳结构纳米粒子，并实现了对分析物如二氧化碳等的高灵敏光学检测。相关研究成果在国际化学及材料领域的重要刊物如Nat. Nanotechnol.、J . Am.Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等发表，8 篇代表性论文累计SCI 他引1311次，最高单篇他引264 次。

3客观评价

本项目研究成果已在Nat. Nanotechnol.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int.Ed.等权威杂志上发表，8篇代表性论文影响因子均大于10，单篇SCI他引超过100次的7篇。论文被包括Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Nat. Nanotechnol.等国际权威

学术期刊引用并高度评价：

对发现点1 的评价：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王强斌研究员在Chem. Mater. 2013, 25, 1166（附件9）中称“唐等发现手性配体显著影响纳米晶的生长动力学及光学特性239…这一结果对基础研究具有重大意义，将为纳米晶开创新的重要应用”，具体为“Tang et al. reported that the chirality of cappingligands has a distinct effect on both the growth kinetics and the optical properties ofsynthesized NCs239... Such kind of research is of great significance in fundamentalresearch and will open up some new important applications”（239 为代表性论文

1）；中国科学院长春应用化学研究所徐国宝研究员在Nanotoday 2012, 7, 586（附件10）中称“唐等研究了不同形状金纳米晶超结构的组装体行为，并研究了其表面增强拉曼性质98…与八面体和立方体金纳米晶相比，菱形十二面体更容易组装成长程有序和形状明晰的超结构，因此具有最强的表面增强拉曼效应…”，具体为“Tang and co-workers investigated the shape effect on the assembly ofsuperstructures for SERS98…The RD NCs in the superstructures can form long-range ordered arrangements and well-defined profiles more easily; therefore, SERS enhancement factor of RD superstructures is the strongest…”（98 为代表性论文2）。

对发现点2 的评价：美国康奈尔大学化学工程系教授、计算科学与工程研究所主任 Paulette Clancy 在Nat. Nanotechnol. （附件11）上以“自组装发现了它的自限制”（Self-assembly finds its own limits）撰写专文评价：“理解自组装过程的机理目前仍然是一个巨大的挑战，实验与计算相结合或许是解决这个问题的最好方法。这种结合在这个工作中取得了特别的成功”，具体为“Understanding the principles that underlie such self-assembly processes still remains a largely unsolved challenge, but coordinating experimental and computational studies of essentially the

same system is arguably the best way to approach the problem. In this work, this combination is exploited particularly successfully”，并称“这个化学自组装的新方向将促使创造新的、令人兴奋的材料”，具体为“This new direction in spontaneous chemical self-assembly should allow a variety of new and exciting materials to be created.”（代表性论文3）。Sci. Adv. 副主编、加拿大多伦多大学化学系教授Eugenia Kumacheva 在Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 3976（附件12）中称“基于金纳米棒和DNA 的共组装和解组装，可以实现依赖于温度的可逆等离激

元圆二色器件173。这种等离激元圆二色响应的可逆变化有望作为一种新的检测方法实现超灵敏传感”，具体为“Based on the directed co-assembly of gold NRs and ds-DNA, temperature-dependent reversible plasmonic CD device was realized, corresponding to the assembly and disassembly transitions173. This reversible change of plasmonic CD responses can be potentially used as a new detection method to

produce ultrasensitive sensors”（173 为代表性论文4）。香港中文大学教授、Nanoscale 副主编王建方在Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 2679（附件13）中称“在未来超高灵敏检测应用中…有望利用纳米粒子组装体中粒子之间的等离基元耦合来增强圆二色光学信号…唐等人在这个方向上迈出了第一步337…”具体为“Inview of future applications that require ultrasensitive detection, the use of theplasmon coupling in nanocrystal assemblies to enhance CD signals is highly desired. Very recently, Tang et al. made the first step in this direction337…”（337 为代表

性论文4）。

对发现点3的评价：吉林大学吴立新教授在J. Mater. Chem. 2011, 21, 69（附件14）中称“由刘和唐等人报导的基于光敏杂多酸K14[Na(H2O)P5W30O110]和发光CdSe@CdS纳米粒子的荧光光可逆转换薄膜在紫外和可见光照射下可表现出优异、可逆、稳定的光学书写/擦除性能6”。具体为“Recently, Liu and Tang prepared a photoswitchable fluorescence hybrid film based on photochromic POM K14[Na(H2O)P5W30O110] and luminescent core shell CdSe@CdS NPs, which exhibited remarkably reversible and stable optical writing/erasing behavior under the control of UV light/visible light irradiation.6”（6为代表性论文6）；韩国梨花女子大学教授、英国皇家化学会会士Dong Ha Kim在Chem. Rev. 2016, 116, 14982（附件15）中称“王和唐等以空心Au@TiO2亚微米球作为燃料敏化太阳能电池的光阳极，在转化效率方面获得了30%的显著增加157”，具体为“The Wang and Tang group used hollow Au@TiO2 submicro spheres as the photoanode of DSSCs and achieved a remarkable increase of 30% in the conversion efficiency157”。（157为代表性论文

7）；美国加州大学伯克利分校教授、James and Neeltje讲座教授、美国材料学会金质奖章得主Omar M. Yaghi在Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3417（附件16）中称“第二类已报道的途径是一步合成 64…该方法可广泛应用于合成类似核壳型MOFs-贵金属粒子结构…值得指出的是，只有壳层厚度为3.2 ± 0.5纳米的Au@MOF-5在暴露于N2/CO2 中时呈现强的表面增强拉曼信号...CO2在薄层MOF-5中的吸附是引起拉曼增强的原因”，具体为“The second approach reported was a one-pot synthesis to produce MOF-5 containing a single Au nanoparticle64…this method can be widely applicable to synthesize similar core-shell type MOFs with noble metal particles… It is worth noting that only Au@MOF-5 (shell thickness of 3.2 ± 0.5 nm) exhibited an intense surface-enhanced Raman scattering (SERS) signal after exposure to N2/CO2 mixture… it is presumed that adsorbed CO2 molecules within the thin layer of MOF-5 contribute the SERS effects”（64为代表性论文8）。

项目名称：微纳界面上的生物化学分析

提名单位：中国科学院

提名意见：

该项目针对分析检测科学中的重大挑战，利用微纳界面的分子工程与设计，拓

展了化学测量科学的新领域，把测量科学中的重要分析性能（如灵敏度、选择性、

可重复性）大大提高，降低了检测时间、样本前处理复杂程度以及对大型仪器的依

赖。该项目研发了检测与分析的新型策略，探讨了其在生物化学分析应用的新原理，

在以下几方面取得了重要创新成果：

发展了一系列微纳米界面表面修饰策略，其中以金纳米颗粒和高分子聚合物静

电纺丝为代表，极大地提高了蛋白质等生物分子检测的灵敏度、选择性、可重复性等分析性能。另一方面，在细胞分析领域，也取得了开拓性的成果。其中，以金膜和高分子聚合物静电纺丝为代表，结合微流控通道，实现了对细胞空间生长的精确分析和调控。并且，把二维芯片上的多细胞组织卷曲与折叠，实现了多种细胞在三维管状结构上的层状分布，可从结构和功能上高度模拟体内血管。将这些“芯片上的器官”用于药物筛选，得到了安全有效的纳米抗生素。

该项目在化学领域国际权威学术期刊发表论文，研究水平处于国际前列，受到

同行的高度评价，8 篇代表性论文被国际著名学术期刊Chem. Rev., Adv.Mater., Chem.Soc. Rev.等引用，产生了显著的学术影响。

我单位认真阅读并讨论了该提名材料，确认提名内容真实有效，同意提名该项

目为国家自然科学奖二等奖。

2项目简介

该项目的研究内容属于分析化学。如何提高化学分析的灵敏度、选择性、可重

复性，降低检测时间、前处理的复杂程度以及对大型仪器的依赖，是分析科学面临的重大挑战。微纳界面的分子调控为解决这些问题提供了有效途径。该项目以微纳界面的化学修饰为中心，建立了一系列新型分析方法和关键技术，探讨其在生化分析的新原理，对临床诊断、环境监测、药物研发等事关国民健康的重大社会问题具有重要意义，同时对化学、生命科学、材料科学等基础学科的前沿探索也起到重要

推动作用。微纳界面上的生化分析取得以下重要发现：

1. 微纳界面的分子调控可提高生化检测的灵敏度、选择性和可重复性

把金纳米颗粒的独特光学性质与点击化学相结合，发展了利用点击化学的高灵敏

度、高特异性的现场快速检测铜离子的方法。该方法还可间接用于其他离子、小分子和蛋白质的分析，和免疫检测相结合，使其对生物标志物进行快速、高灵敏度的分析。这些方法可直接用于分析复杂样品，凸显出利用金纳米颗粒和表面修饰相结合用于分析检测的不可取代优势。除了金纳米材料，聚合物静电纺丝形成的纳米材料可与微流芯片相结合，提高生化检测的分析性能。电磁场和化学反应可对静电纺丝的形貌和表面结构进行精准控制。这些纳米纤维形成薄膜在微流芯片对蛋白质等标志物的生物检测，提高了检测的灵敏度和特异性，为微流控芯片的产业化提供了理论基础。

2. 微纳界面的分子调控实现了“芯片上的器官” ，并实现其在药物筛选中的应

用采用化学合成的思路构建“芯片上的器官”，即利用微纳尺度界面技术准确调控多种细胞的表面粘附，其结构和功能上与人体器官非常相近，既可用于基础的生命机制研究，又可用于药物筛选。微流芯片可调控动物细胞在表面的粘附，使其从单细胞到多细胞、从二维组织到三维器官进行精准组装，从而精确构建器官。结合微流芯片和表面化学及光致异构的偶氮苯，实现了光控可逆精确调控细胞的粘附。还实现了对多种细胞生长的时空调控。把上述二维芯片上的多细胞组织卷曲与折叠，实现了多种细胞在三维管状结构上的层状分布，可从结构和功能上高度模拟体内血管。该方法还可用来制备具有复杂结构的管状结构，为组织工程、再生医学等应用领域提供了新材料和新思路。

还利用“芯片上的器官”筛选出高效低毒的新型抗生素。这些抗生素的成功筛选

关键在于“芯片上的器官”可对多种化合物进行快速、高通量地分析和评估。纳米抗生素在应对超级细菌、植入式医疗器械等领域具有广泛的应用前景。

总之，本项目针对生化分析的共性问题，利用微流控研发了检测与分析策略，提高了检测灵敏度、选择性、可重复性，降低了检测时间、前处理的复杂程度以及

对大型仪器的依赖。8 篇代表性论文发表在J. Am. Chem.Soc., Angew.Chem. Int. Ed.,Adv. Mater.等化学领域国际权威学术期刊。SCI 他引1095 次。被国际著名学术期刊Chem. Rev., Chem.Soc. Rev.等引用。多项专利实现技术转化，形成两家初创公司的核心技术，其中体外诊断产品已获多个医疗器械注册证。

3客观评价

他引论文包括Chem. Rev., Chem.Soc. Rev., Small 等高影响期刊论文。对发现点1 的评价：【代表性论文1】美国西北大学教授、美国科学院院士、工程院院士、医学院院士、艺术和自然科学院院士Chad A. Mirkin 教授的论文（附件S9）评价本论文，指出“目前基于金纳米粒比色检测二价铜离子的方法基于两点，其中一点就是铜催化的点击化学使表面修饰叠氮和炔烃的金纳米粒聚集”，具体为

“……the use of Cu2+-catalyzed clickchemistry off the surfaces of alkyne- and

azide-terminated nanoparticles without DNA to aggregate AuNPs.”。韩国高丽大学九老医院的Jin Won Kim 等的论文（附件S10）评价本论文“因为肉眼检测的简单性和易用性，所以可视化的方法非常方便，极具吸引力。 目前基于金纳米粒，利用点击化学的铜传感器对二价铜离子展现出优异的选择性”。具体为“Colorimetric methodsarevery convenient and attractive due to the simplicity and ease of detectionby the naked eye.Recently, gold nanoparticle-based copper sensors using clickchemistry showed excellentselectivity toward Cu2+ ions”。

【代表性论文2】韩国科学院院士、梨花女子大学化学与纳米科学学院教授Juyoung Yoon 院士的综述论文（附件S20）评价本论文“发展能够识别生物和环境中目标物的传感器的方法在化学领域具有重要意义”，具体为“the developmentof methods to recognize and sense biologically andenvironmentally important species has emerged as asignificant target in the field of chemical sensors.”。

【代表性论文3】中国科学院院士、中国科学院理化技术研究所江雷研究员的论

文（附件S11）对本论文进行评价，指出“通过磁场控制，提供了一种简单有效地制备平行纤维和多层网格的方法，能够精确地控制聚合物纤维的沉积方向，实现纤维阵列的多角度收集”，具体为“Theydemonstrated a facile method to effectively produce parallel fibers and multilayered grids controlled by amagnetic field. The magnetic field has been provedto accurately control the deposition detection of the polymeric fibers over large areas. Interestingly since the resultant fiberscould be transferred onto substrates from differentangles, structures with greater complexity have been generated rather than just parallel lines, indicating the flexiblecontrollability of nanofibers by the magnetic

field.”。 德国University of Bayreuth 的Axel H. E. Müller 教授的综述论文（附件S21）评价本论文“这种简单且廉价的方法对于制备具有特定性能的高分子纤维十分有价值”，具体为“Magnetic manipulationrepresents a simple and straight-forward method that can be performed independent of the medium. A magneticelectrospinning (MES) method was reported tobe able to fabricate well-aligned arrays and multilayer grids of fiber.”。美国乔治亚理工学院生物医学工程系的夏幼南教授的综述论文（附件S12）对本论文进行了评价，指出“加入少量的磁性纳米颗粒使聚合物溶液磁化，通过磁场协助静电纺纳米纤维有序排列，形成一个单轴排列的阵列”强调了此方法的可行性。具体为

“Jiang and co-workers demonstrated thatmagnetized poly(vinyl alcohol) (PVA) fibers could be stretched into parallelfibers over large areas (more than 5 cm × 5 cm) using a magnetic field. ……Theauthors concluded that the magnetic field could assist alignment of electrospunnanofibers, but only when electrospinning a magnetizable solution in a magneticfield.”

【代表性论文4】首都医科大学教授、北京世纪坛医院李文斌医师等的论文（附

件S13，Lap Chip, 2012,12, 2423）对本论文进行评价，指出“特有的基底材料吸附蛋白、PDMS 微流控芯片可高灵敏度检测HIV”，具体为“Highly sensitive detection of HIV and other antigens from multiple samples can beachieved in parallel through PDMS slabs withmicrochannels and proper substrate material for protein adsorption”。对发现点2 的评价：【代表性论文5】诺贝尔化学奖获得者（2016）、荷兰皇家科学院院士Ben L. Feringa 的综述论文（附件S14）对本论文进行了评价，指出“这是第一个将偶氮苯作为有机小分子修饰到自组装单层膜来动态控制细胞可逆黏附的实例”，具体为“This is thefirst example where an azobenzene switching unit is used in a SAM to gain dynamic control of the cell adhesiveness of asurface.”。

【代表性论文6】中国科学院院士、南京大学陈洪渊教授的论文（附件S15）评

价本论文“在微流控体系中，通过电化学解吸形成自组装层的方法实现对多种类型的细胞图案化”，具体为“Jiang et al.reported a method for patterning multiple types of adherent cells on gold substrate by electrochemicaldesorption of SAMs in local areas defined by amicrofluidic system.”。

【代表性论文7】东南大学生物科学与医学工程学院院长生物电子学国家重点实

验室主任顾忠泽教授的综述文章（附件S22）评价本论文“新的自卷曲膜技术能构建与生物管状组织高度相似的结构”，具体为“ Jiang andco-workers demonstrated a new stress inducedrolling membrane (SIRM) technique that enable construction of a table tubular tissue with highly structural similarity tobiological tubular tissues.”。

【代表性论文8】美国麻省理工学院教授、美国科学院院士、工程院院士、医学

院院士Robert Langer 教授发表综述文章（附件S16）评价本论文“本身无抗菌活性的氨基取代嘧啶修饰的金纳米颗粒对临床分离的多药耐药菌株表现出强烈的抗菌活性，且诱导细菌耐药性比常规抗生素更加缓慢”，具体为“……afterconjugation on an Au nanoparticle surface,amino-substituted pyrimidine that is completely inactive by itself,exhibitedstrong antibacterial activity against MDR clinical isolates and inducedbacterialresistance more slowly than conventional antibiotics.”。