2019提名国家自然科学奖项目-磁性纳米材料构筑与多功能调控

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提名国家自然科学奖项目公示
项目名称                磁性纳米材料构筑与多功能调控
提名专家/提名单位        教育部
提名单位意见：

磁性纳米材料因其尺寸效应而产生的新颖物理化学性能，使其在高密度信息存储、生物医药和纳米催化领域具有更广泛和重大的应用潜力。而单分散高质量磁性纳米颗粒制备和性能调控存在重大挑战。项目组经过十余年研究，取得如下创新性研究成果：(1)提出了表面能调控机制，构建维度可控的高质量磁性纳米颗粒和不同体系的异质纳米结构；(2)发现磁性碳化物光热效应，构建了系列基于磁性材料的磁共振、光热和光声成像多重诊疗功能的分子探针。(3)提出卤素稳定晶面效应，率先液相获得了单相磁性碳化铁纳米颗粒，表现高催化活性，拓展了磁性材料的多功能应用。
项目8篇代表性论文被SCI他引1411次，其中3篇论文入选ESI高被引论文，1篇论文为2010年中国百篇最具影响国际学术论文，申请国家发明专利6项（已授权5项）。研究成果对于发展磁性纳米及其复合材料，探索其多功能性应用具有重要科学意义和潜在应用价值。部分研究成果获2018年度教育部自然科学奖一等奖。
我单位认真审阅了该项目推荐书及附件材料，确认全部材料真实有效，并按照要求，我单位已对该项目的基本情况进行了公示，目前无异议。
　　提名该项目为国家自然科学奖二等奖。

项目简介：
项目研究成果属于新材料、磁学、纳米技术交叉领域。纳米结构调控是实现磁性材料多功能化应用的重要途径，掌握磁性纳米材料的生长、结构调控规律，优化性能，实现其多功能化具有重大价值。然而由于表面效应和磁偶极相互作用，可控磁性纳米材料的构建存在重大挑战。在973、国家杰出青年基金等项目资助下，项目组深入研究磁性纳米材料的构效关系，发现了晶面稳定规律，提出了卤素稳定晶面效应和表面能调控生长机制策略，建立了磁性纳米材料控制合成理论与技术，发展了单分散、耦合磁体等新材料，构建了生物医学多模态分子探针和费托合成纳米催化剂。主要发现点为：
1、        提出表面能调控策略，构建了系列磁性纳米材料：发现了稳定剂选择吸附晶面的规律，揭示了表面能调控机制，建立了单分散磁性纳米材料的方法，制备了系列可控的磁性纳米材料。进而，发现异质结构的矫顽力/饱和磁化强度增强现象，提出了耦合增强机制，构建了L10-FePt@Co等不同体系异质纳米结构，提供了一种研究纳米尺度交换耦合作用的理想模型，为发展新型高性能永磁磁体和异质结构提供了有效方法。美国Strouse教授评价，“实现了迄今最有意义的研究成果，即通过基于连续离子层吸附和反应的胶体合成方法制备了系列软硬磁核壳结构”。
2、        协同磁性和光热功能，设计了新型多模态分子探针：发现磁性碳化物的光热效应，提出了核磁共振成像（MRI）协同光声成像（PAI）的多模态成像，实现突出的MRI成像效果、光热转换和光声成像功能，可用作肿瘤诊断、选择性治疗和药物传递等多功能，为实现肿瘤早期诊断与诊疗一体化提供了新材料和新方法。美国国立健康研究院分子影像实验室主任X. Chen教授高度评价“…MRI和PAI的结合模式，不仅提供了体积影像而且可实现边界探测，对发展高灵敏和精准的生物成像系统具有重大贡献”。相关研究成果入选2010年中国最具影响国际学术论文。
3、        构建单相碳化物颗粒，拓展了磁性材料多功能应用：提出了卤素稳定晶面效应，阐明了磁性碳化物合成机制，解决了多年来单相碳化物难以合成的科学难题。发现Fe5C2是费托合成催化的活性相，实现其增强催化性能，为探索磁性材料新应用提出了新思路。意大利Manna教授在Chem. Rev.高度评价“…先创性工作由（侯研究组）报道，证实单相Fe5C2的关键在于Br-晶面吸附…”。
项目8篇代表性论文被SCI他引1411次，其中3篇论文入选ESI高引用论文，研究成果被收入8部纳米材料学术专著。制备方法、分子探针和催化特性等成果，申请国家发明专利6项（已授权5项）。近五年培养博士生8人，硕士生4人。1人获国家杰出青年基金并入选教育部长江学者特聘教授。部分研究成果获2018年度教育部自然科学奖一等奖。
研究成果推动了磁性材料理论发展，拓展了磁性材料多功能性，使其在生物医学、纳米催化等领域具有更广泛应用，对相关材料的性能调控亦有重要指导意义。

客观评价：
项目8篇代表性论文被SCI他引1411次，其中3篇论文入选ESI高引用论文，1篇论文为2010年中国百篇最具影响国际学术论文。申请国家发明专利6项，已授权5项。部分研究成果获2018年度教育部自然科学奖一等奖。论文引用和第三方评价如下：
1、提出了表面能调控机制，构建单分散磁性纳米颗粒和异质结构的工作，被认为“最有意义的研究成果”，阐明了磁性纳米晶成核与生长机制，提供了制备复合磁体的一种新方法。
（1）FePt@M 核壳纳米结构【代表性论文-1，SCI他引51次】发表后，佛罗里达州立大学化学系主任G. F. Strouse教授在【Chem. Mater. 2016, 28, 5480; 代表性引文-1】中高度评价：“迄今最有意义的研究成果（..the most significant results to date…）是通过基于…胶体合成方法制备了系列软硬磁核壳结构…”。
（2）美国新奥尔良大学的杰出教授C. J. O’Connor博士在纳米颗粒合成的重要综述【Chem. Rev. 2004, 104, 3893; 代表性引文-2】中大幅引用相关工作，肯定了相关方法和材料的稳定性，“侯和高报道了十六胺既用作溶剂又用作表面稳定剂，获得单分散纳米颗粒…”【代表性论文-2，SCI他引114次】，解释了表面稳定效应。
（3）美国化学会志（JACS）副主编T. Hyeon教授在其论文【J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 12624–12631; 代表性引文-3】中，引用相关工作【代表性论文-3，他引87次】，阐明了磁性纳米晶成核与生长机制，“还原的铁原子是由油酸铁配合物释放而来，并导致了纳米颗粒随后的成核与生长”。
（4）西班牙物理学家J. A. De Toro博士在【Phy. Rev. Lett. 2015, 115, 057201，见其他附件】中，高度评价了项目组发展的耦合磁体是提高磁晶各向异性常数的主要手段之一， 认为“两个主要的策略被用于提高磁晶各向异性常数，….一是交换耦合磁体，另一个是具有本征高磁晶各向异性常数化合物的使用”。
（6） Wiley 出版社 “Materials Views (China)”专栏【见其他附件】报道了研究团队的工作成果【代表性论文-1，SCI他引51次】。“该研究工作提供了制备复合磁体的一种新方法，有助于理解纳米尺度下的交换耦合作用，从而获得更高性能的永磁体。该方法具有普适性，可拓展到FePd、稀土永磁体系等。而高性能磁体的宏量制备，将会促进其在信息存储、新型电机以及医用器件等领域应用与发展”。
2、发现磁性碳化物光热效应，构建基于磁性的多重诊疗功能分子探针工作，被认为“对于发展高灵敏和精准的生物成像系统具有重大贡献”。
基于磁性材料的核磁共振成像、磁热疗等技术更是研究热点。项目组应邀系统阐述了磁性纳米颗粒的制备、分子探针构建的概念和方法【代表性论文-5，他引795次】，该论文对磁性纳米颗粒的控制基本及其生物医学应用起到了积极的推进作用，引起了学术界的关注，被选为近10年ESI高被引论文，获得2010年“中国百篇最具影响国际学术论文”【见其他附件】。
（1）美国国立健康研究院分子影像和纳米医药实验室主任、著名纳米生物成像专家Xiaoyuan Chen 教授在【Adv. Mater. 2015, 27, 3285, 代表性引文-4】中，高度评价研究团队首次利用碳化铁核壳纳米颗粒为载体构建分子探针的工作【代表性论文-6，他引103次】，“…核磁共振成像（MRI）和光声成像（PAI）的结合模式，不仅提供了体积影像且可实现边界探测，对于发展高灵敏和精准的生物成像系统具有重大贡献(…great contribution…) ”。
（2）香港科技大学唐本忠院士，大段引用项目组的工作【Theranostics 2018, 8, 4925；代表性引文-5】，并高度评价研究团队光热促进药物释放的协同治疗模式的工作【代表性论文-7，他引52次】， “…光热疗可以提高化疗的治疗效率，提出了肿瘤治疗的协同方法（…indicating a synergistic method for cancer therapy,…），因为原位产生的热能够促进细胞摄取药物和/或药物释放。为实现肿瘤精确治疗，多模态影像是常用的策略，据此可避免或减弱单一影像模式的不足”。
（3）新加坡理工Kanyi Pu教授在【J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 9049，见其他附件】中，对项目组的工作予以高度评价，认为“基于纳米颗粒的未修饰神经元的直接热刺激是针对光遗传学的新兴替代方法”。
3、提出卤素晶面选择稳定效应，实现单相碳化物的可控合成，解决了多年的科学难题，拓展了磁性材料在纳米催化领域的新应用。
（1）单相碳化铁纳米颗粒成功制备【代表性论文-4，他引162次】，被中国科学报热点报道【见其他附件】，认为“在我国能源战略中占据非常重要地位的“煤间接液化费托合成”中，该（碳化铁）磁性纳米颗粒初始的反应活性是传统铁基催化剂的两倍。该发现不仅能解决化学上的制备问题，还能推动能源催化科技发展”。著名纳米材料专家，布朗大学Shouheng Sun教授，在纳米颗粒进展【Chem. Rev. 2016, 116, 10473; 代表性引文6】中，高度肯定了卤素效应【代表性论文-4，他引162次】，“卤素效应得以证实，....获得Fe5C2纳米颗粒，进一步表明，Fe纳米颗粒可与适当的碳源形成碳化物用于磁性和催化应用”。
（2）意大利理工大学L. Manna教授在【Chem. Rev. 2014, 5, 5783；代表性引文-7】中，高度评价“机制研究中，开创性的工作（..prior report….）是在2012年由杨（研究团队）等开展，证实了Br-是获得Fe5C2纳米颗粒的关键因素”。   
（3）巴西科学院院士、著名催化专家J. Dupont教授高度评价研究组的工作【代表性论文-8，他引47次】为，“双金属催化剂….，是解决费托合成催化研究中（金属被氧化）问题的一种方法”【J. Phy. Chem. C. 2018, 122, 4641；代表性引文-8】。

代表性论文专著目录：

1        Building Nanocomposite Magnets by Coating a Hard Magnetic Core with a Soft Magnetic Shell/ ANGEWANDTE CHEMIE- INTERNATIONAL EDITION/ Liu, Fei; Zhu, Jinghan;Yang, Wenlong; Dongunhe; Hou,Yanglong; ......         2014,53(8), 2176-2180        2014-1-21        侯仰龙; Shouheng Sun        刘飞        刘飞， 朱静菡, 杨文龙, 董云鹤,侯仰龙, 张辰振, 尹涵        51        64        是
2        Monodisperse nickel nanoparticles prepared from a monosurfactant system and their magnetic properties/ JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY/Hou, YL;Gao, S        2003,13(7),1510-1512        2003-5-1，        高松        侯仰龙        侯仰龙，高松
3        One-pot synthesis of Fe3O4 nanoprisms with controlled electrochemical properties/ CHEMICAL COMMUNICATIONS/Zeng, Yao; Hao, Rui; Xing, Bengang; Hou, Yanglong; Xu, Zhichuan        2010,46(22),3920-3922        2010-4-28         侯仰龙Xu, Zhichuan        曾瑶        曾瑶，郝瑞，侯仰龙
4        Fe5C2 Nanoparticles: A Facile Bromide-Induced Synthesis and as an Active Phase for Fischer-Tropsch Synthesis/ JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY/ Yang, Ce; Zhao, Huabo; Hou, Yanglong; Ma, Ding        2012, 134(38),15814-15821        2012-8-31,         侯仰龙，马丁        杨策        杨策，赵华博，侯仰龙，马丁
5        Synthesis, Functionalization, and Biomedical Applications of Multifunctional Magnetic Nanoparticles /ADVANCED MATERIALS/Hao, Rui; Xing, Ruijun;Xu, Zhichuan;Hou, Yanglong;Gao, Song; ......         2010, 22(25), 2729-2742         2010-7-07         侯仰龙; Sun, Shouheng;        郝瑞        郝瑞，邢瑞君，侯仰龙，高松       
6        Multifunctional Fe5C2 Nanoparticles: A Targeted Theranostic Platform for Magnetic Resonance Imaging and Photoacoustic Tomography-Guided Photothermal Therapy/ ADVANCED MATERIALS/ Yu, Jing; Yang, Ce; Li, Jingdingsha; Ding, Yichen;Zhang, Lei; ...... Hou, Yanglong        2014, 26(24), 4114-4120        2014-3-26，         侯仰龙，赵凌云         余靓        余靓，杨策，李景丁莎，丁翼晨，章雷，Muhammad Zubair Yousaf，林坚，庞瑞，魏兰镔，徐莉莉，盛复庚，李长辉，李功杰，赵凌云，侯仰龙       
7        Multistimuli-Regulated Photochemothermal Cancer Therapy Remotely Controlled via Fe5C2 Nanoparticles/ ACS NANO /Yu, Jing;Ju, Yanmin;Zhao, Lingyun;Chu, Xin;Yang, Wenlong; ...... Hou, Yanglong        2016, 10(1), 159-169        2015-11- 25         侯仰龙，赵凌云         余靓        余靓，鞠艳敏，赵凌云，
储鑫，杨文龙，田永路, 盛复庚，林坚，刘飞，董云鹤，侯仰龙       
8        Platinum-Modulated Cobalt Nanocatalysts for Low-Temperature Aqueous-Phase Fischer-Tropsch Synthesis/ JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY/Wang, Hang; Zhou, Wu; Liu, Jin Xun; Si, Rui; Sun, Geng; ......         2013, 135(10), 4149-4158        2013-2- 21         李微雪，寇元，马丁        王航        王航，刘进勋，孙耿, 钟孟琦,苏海燕, 赵华博，李微雪，寇元，马丁

主要完成人情况：
1.        姓名：侯仰龙
排名：1
行政职务：无
技术职称：教授
工作单位：北京大学
完成项目时所在单位：北京大学
对本项目主要学术贡献：本项目成果是侯仰龙教授研究组和高松院士研究组共同合作完成。 侯仰龙教授是项目总负责人，负责2007年以后研究工作的总体方向，项目方案、技术路线的确定及具体实施。提出晶面选择性稳定机制，建立了高质量磁性纳米材料制备方法，构建了多模态分子探针和拓展了其催化性能等。对于本项目发现点一、二、三的工作均有关键贡献，是代表性论文1-7的通讯联系人或第一作者和相关专利的发明人。

2.        姓名：高松
排名：2
行政职务：校长
技术职称：教授
工作单位：华南理工大学
完成项目时所在单位：北京大学
对本项目主要学术贡献：高松院士是项目的主要负责人，特别是2000-2002年的工作是在高松院士整体设计与指导下完成，此后与第一完成人组建的研究组继续开展稀土耦合磁体和各向异性纳米结构等方面研究，对于本项目发现点一、二的工作，即单分散材料制备方法以及多模态分子探针设计方面均有关键贡献，是代表性论文2, 5的通讯联系人或共同作者。

3.        姓名：余靓
排名：3
行政职务：无
技术职称：副教授
工作单位：浙江工业大学
完成项目时所在单位：北京大学
对本项目主要学术贡献：余靓博士设计了磁性颗粒的表面修饰方法，构建了多模态分子探针并开展动物学实验评价研究。实现磁性碳化物的多功能化，即核磁共振成像（MRI）和光声成像（PAI）协同的多模态成像， 对于本项目发现点二的工作有关键贡献，是代表性论文6,7的第一作者和相关专利的发明人。

4.        姓名：马丁
排名：4
行政职务：无
技术职称：研究员
工作单位：北京大学
完成项目时所在单位：北京大学
对本项目主要学术贡献：马丁教授与第一完成人合作培养了杨策（第五完成人），开展了磁性纳米材料的能源催化研究，研究了Fe5C2纳米颗粒的费托合成催化性能以及 PtCo在水相费托合成反应中的反应活性及机制。对本项目发现点三有关键贡献，是代表性论文4, 8的共同通讯联系人。

5.        姓名：杨策
排名：5
行政职务：无
技术职称：无
工作单位：橡树岭国家实验室
完成项目时所在单位：北京大学
对本项目主要学术贡献：杨策博士发现了溴化物对单相碳化铁颗粒成相的稳定作用，成功制备单相Fe5C2纳米颗粒，证实其为费托合成的活性相。对于本项目发现点三的工作有重要贡献，是代表性论文4,6的通讯联系人或第一作者和相关专利的共同发明人。(备注：该完成人目前在美国橡树岭国家实验室从事博士后工作)


完成人合作关系说明：

第一完成人侯仰龙教授于2000-2002年跟随第二完成人高松院士进行博士后研究工作，2002年10月出国留学。2007年12月回国加入北京大学工学院，与高松院士团队继续开展密切合作研究。双方共同立项国家自然科学基金重大项目，共同发表论文、共同获奖等，包括1项国家自然科技基金重大项目“低维磁性晶体的构筑和性质研究”(90922033)，在Adv. Mater., J. Mater. Chem.等期刊合作发表论文，共同获得了2018年度教育部自然科学奖一等奖“磁性纳米材料的化学设计、控制合成及其应用基础研究” 。
第三完成人余靓博士曾为侯仰龙教授的博士生，2015年毕业后进入浙江工业大学，现任副教授，在北京大学读博期间完成的成果为代表作6和7。
自2010年起，和第四完成人马丁教授团队密切合作，联合培养第五完成人杨策，共同开展费托合成催化剂研究，合作研究成果发表在J. Am. Chem. Soc.发表。共同获得了教育部自然科学一等奖“磁性纳米材料的化学设计、控制合成及其应用基础研究” 。
第五完成人杨策博士曾为侯仰龙教授的博士生，2014年毕业后在马丁教授课题组从事博士后研究，现在美国橡树岭国家实验室从事博士后研究，在北京大学读博期间完成的成果为代表作4，6。