□王斌
新材料技术是21世纪最重要的三大科技领域之一，也是我国三大优先发展领域之一。随着不断的发展，新材料研究水平和产业化规模，已经逐渐成为衡量一个国家和地区经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。而先进材料的计算与模拟是新材料技术取得发展与突破的重要途径之一,北京大学工学院先进材料与纳米技术系的孙强教授多年来致力于新材料的计算与模拟,包括能新源材料（储氢材料，太阳能材料， 电池材料）、纳米结构组装材料、磁性半导体材料和纳米生物医学材料及其应用。他在我国新材料领域中所付出的努力和取得的成就，为促进我国该领域的发展作出了重要的贡献。
立足前沿储氢材料研究取得新进展
近半个世纪，人类对资源的消耗以及对环境的破坏几乎相当于有史以来的总和。氢能的开发和利用被视为解决能源问题的一个重要途径而受到广泛关注。对人类来说，氢储量丰富而且容易获得，是理想的能源载体, 但却没有能够在工业能源中广泛应用。其根本的制约就在于氢气存储的问题难以解决。近年来孙强教授研究组在储氢材料的研究方面取得了一系列的研究成果，产生了良好的国际国内影响。他们先后在著名刊物上发表了10多篇研究论文，引起了国际同行的高度关注。2009年在美国”应用物理快报”上连续发表的三篇储氢研究论文均被收入Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology, which covers a focused area of frontier research （http://www.vjnano.org/），其中“Functionalized heterofullerenes for hydrogen storage，Appl. Phys. Lett. 94, 013111 （2009）”被美国物理学会新闻（2009年第5期）所报道。世界著名出版社World Scientific 于2009年出版了氢能源研究专辑“Material Issues in a Hydrogen Economy”，孙强教授为该专辑的Co-editor。从2009年起，他还担任美国物理研联合会（American Institute of Physics）主办Journal of Renewable and Sustainable Energy的副主编。
最近他们还提出了外加电场诱导储氢的新思路。该方法具有以下优点：第一，调节外加电场的强度和衬底材料的结构和成分可以控制氢分子吸附的热力学；第二，关闭外加电场可以很容易实现氢分子的快速释放；第三，不需要金属原子的参与从而避免了材料制备过程中所遇到的上述问题。《美国科学院院刊-PNAS》的编辑高度评价道“This article has broad interest, advances the theoretical study in hydrogen storage significantly, and would be of particular interest to PNAS readership”, 并且在“本期要览”（In This Issue）中编辑对该研究作了重点介绍。
在2009年“美国材料学会春季会议”上，孙强教授在“可再生能源材料”分会上作了45 分钟的邀请报告，就含非饱和配位金属离子材料储氢的物理机理及性能进行了系统分析和详细讲解。2010年3月在旧金山召开的“第239届美国化学学会年会”上，孙强教授又应邀就电场诱导储氢专题作了45分钟的邀请报告。
走向高端 关注国际热点领域
单层石墨烯（graphene）是目前国际上最热点的研究领域之一，它是一种带隙为零的非磁性材料，具有许多新奇的物理特性和广泛的应用前景。为了使graphene具有磁性，科学家提出了各种办法包括将它剪切成具有zigzag构型的零维或一维nano-ribbon结构、或产生缺陷和引入杂质原子等。现有的这些方法不但破坏了graphene的结构完整性，所产生的磁性呈非均匀分布，而且实验上难以控制。孙强教授研究组与其合作者首次提出了通过半氢化的方法在graphene中实现铁磁性的思想，并将半氢化的graphene命名为graphone, 这是在继graphene, graphane 之后所引入的新的结构形态。
孙强教授研究组与其合作者发现当氢原子吸附在石墨烯的部分碳原子上时，石墨烯的π键被破坏，导致每个没有被氢化的碳原子产生一个未配对的2p电子，它们之间长程交换耦合，形成稳定的铁磁性，其居里温度大约在278 ~ 417 K。这比目前已知的方法更具有可控性和可操作性，它不但能保持graphene 骨架结构的完整性和磁性的均匀分布，而且还能避免在组装nano-ribbon 的过程中所引起的磁性的粹灭。该研究成果将拓宽graphene sheet 的应用前景,这种新型二维铁磁性graphone sheet可望应用于自旋电子学和微电子学等多种领域。美国化学学会主办的纳米材料科学的权威杂志《Nano Letters》刊发了这一重要研究成果，其审稿人对这一工作作了高度评价，指出“The manuscript presents nice new scientific ideas and concepts. It certainly will trigger new experiments……”“The ideas are inspiring……”这一工作引发了一系列的单原子层材料的诱导磁性研究。
致力创新组装纳米结构多功能材料
当物质的线度小到纳米尺度时，由于表面效应和量子效应的存在则会产生新型的几何结构和功能特征。目前在纳米科学的研究中，人们致力于组装纳米结构形成多功能材料。要实现可控组装，方向性和选择性是需要考虑的两个重要因素。而纳米结构的各向异性能够为材料的可控组装提供方向性和选择性，怎样才能以简单而可控的方式引入各向异性呢？
孙强教授与其合作者首次提出了利用幻数团簇的稳定性通过掺杂的方式而引入各向异性的机理。他们发现幻数团簇由于其固有的稳定性可以作为生长核而引入各向异性。当在金（Au）纳米团簇中掺入钨（W）杂质时，基于18电子规则，W杂质原子便与Au原子形成一个稳定的Au12W核（Core），其余的Au原子便在核表面上形成补丁结构（patch）。这种core-patch 结构不仅在原子的几何形态分布上引入了各项异性，而且由于Au的电负性大，当W掺入后，W上的电荷将转移到Au并集中于W周围最近临的12个Au原子，而补丁部分几乎无被转移的电荷，从而引起了电荷分布的各向异性。由于水分子中孤对电子的存在，当把水分子引入后，孤对电子与带负电的Au原子之间的库仑排斥作用将使得Au12W 部分表现出疏水性而补丁部分将表现出亲水性。此外，各向异性还表现在其它物理特性方面如振动谱和电子轨道。该研究发表在ACS Nano 2, 341 (2008)，并引起了同行的高度关注。
这一机理可以广泛应用于core-patch 结构的合成，为自组装多孔材料和功能生物材料提供了更多的灵活性。例如由于各向异性的存在，体系中有的原子点位具有更强的化学反应性，这就使得化学的结合具有方向性、选择性和可控性，因而可以合成与常规三维密堆积结构不同的多孔材料和低维材料，它们在催化吸附及光子晶体等领域有着广泛的应用。此外纳米结构所具有的极性，可以在两端加载两种不同而又互补的药物；或者在一端加载能定位病灶或生物组织的分子，而在另一端加载治疗的药物，从而实现药物投放的巡游导航。
用新观念带好新时代的兵是孙强教授团队常打硬仗的关键，做好一个合格将帅的同时，他们密切关注行业发展、关注国际发展最前沿。他们所获得的成就和荣誉，也正如一座座丰碑，与他们的汗水相得益彰。
《科学时报》 (2011-3-7 A7 人物)