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    “可控自組裝體系及其功能化”重大研究計劃取得系列成果

    日期 2020-01-21   來源:化學科學部   作者:高飛雪 陳擁軍 雷驚雷 戴亞飛  【 】   【打印】   【關閉

      近期,國家自然科學基金委資助的“可控自組裝體系及其功能化”重大研究計劃于2019年12月順利通過結題答辯,研究計劃執行成果得到與會專家的高度肯定并獲評優秀。

      一、立項背景及布局

      自組裝是指構筑基元如有機小分子、大分子、生物分子和納米顆粒等在非共價作用下自發形成有序結構的現象和過程。2005年美國科學(Science)雜志在在紀念該刊創辦125周年之際,提出了包括“我們能推動化學自組裝走多遠?”在內的二十一世紀25個重大科學問題,受到世界各國科學家的廣泛關注和重視。本重大研究計劃是國家自然科學基金委員會在 “十一五”期間組織化學與物理、數學、材料、生物、醫學和信息等領域的科學家充分討論和醞釀而提出的一個多學科相互交叉的項目。項目旨在以理論研究為指導、以表征技術為支撐,揭示自組裝過程的本質和規律;發展各種新穎的功能組裝基元,建立多層次多組份的可控自組裝新方法;發展功能導向的自組裝新體系、新技術,實現功能材料的源頭創新,為材料、生物和信息技術提供物質基礎與理論指導。項目利用重大研究計劃的資助機制,建立新的研究范式,通過組織學科間的廣泛交叉、隊伍之間的深度合作,造就一支有國際影響的研究隊伍,催生若干真正的“中國原創”思想,孕育學科新生長點和新前沿,形成一批國際引領性方向,培養優秀人才,造就學術領軍人物,奠定我國在自組裝領域的國際學術地位。

    圖1 “可控自組裝體系及其功能化”總體項目布局

      二、項目執行概況

      該重大研究計劃自2010年7月首次正式發布指南、接受申請,共資助項目137項(其中培育項目103項,重點支持項目19項,集成項目10項,戰略研究項目5項)。資助總經費20000萬元,全部資助項目于2018年底順利結題。

      截止到2019年9月,在本重大研究計劃資助下,共發表論文4776篇,專著9部,批準專利149個,其中在重要的化學、物理和材料、工程等JCR一區國際專業學術期刊上發表研究論文2300余篇,包括:

    表1 重大研究計劃資助下發表論文統計

    Nature

    2

    J. Am. Chem. Soc.

    175

    Science

    1

    Angew. Chem. Int. Ed.

    155

    Nature子刊

    45

    Chem. Rev.

    7

     Sci. Adv.

    7

    Chem. Soc. Rev.

    38

    Proc. Natl. Acad. Sci.

    11

     Acc. Chem. Res.

    28

    Adv. Mater.

    135

       

      在計劃的推進下,我國可控組裝研究取得了長足發展,從論文數量到質量都表明我國的國際影響力顯著提升。

    圖2 Web of Science檢索“Self-assembl*” 關鍵詞的文章數量發展趨勢

      重大研究計劃執行期間始終遵循“有限目標、穩定支持、集成升華、跨越發展”的總體思路,圍繞可控自組裝核心科學問題,通過多學科交叉開展創新性研究。主要包括以下兩個執行階段。

      1. 培育階段。圍繞指南核心問題,面向社會征集項目,引入競爭、激勵機制,以較大的強度資助最具有創新學術思想和科學價值的項目。在培育階段按年度發布包括“培育項目”(3年)和“重點支持項目”(4年)在內的申請指南,申請必須符合項目指南,同時要體現交叉研究的特征以及對解決核心科學問題和實現計劃總體目標的貢獻,確保符合“有限目標”的要求。培育階段收到申請書共計763份,經專家通訊評審和會議評審,正式資助項目122項(其中培育項目103項,重點支持項目19項)。培育階段的四次指南發布前均經過指導專家組討論,根據化學組裝等學科前沿的發展,圍繞化學組裝的核心科學問題,進行增補和調整。在2013年國家自然科學基金委組織的重大研究計劃中期評估中,本重大研究計劃被評為優秀。無論是項目組織實施,還是項目過程管理,均為其他重大研究計劃提供經驗和示范。

      2. 集成階段。為進一步凝練重大科學問題,指導專家組評估培育階段的項目,根據前期研究成果,重點集成,加強資助。專家組從前期資助項目中遴選出完成情況好、并有望有所突破的項目中,提出重點支持方向。對項目進行歸納形成四個集成方向:1)新型相互作用及協同規律;2)新概念的組裝方法學;3)多級次組裝與功能;4)自組裝的增強效應。2014年對以上4個集成方向發布指南,經過申請、函評與會評,從10份申請中遴選了4個項目團隊進行資助: 1)可控自組裝體系中的新型非共價和動態共價相互作用研究;2)催組裝體系的設計、構建與研究; 3)可控多級次組裝體的構筑與功能;4)基于高效電子、質子和能量遷移的功能組裝體。通過組建具有化學、數學、物理、材料、生物等多學科背景的研究團隊,從理論和實驗源頭創新,建立和發展了可控自組裝中所涉及的新概念、新研究范式和新理論模型。

      2015年繼續根據2014年指南布局的重點方向進行補充集成,形成三個重要集成方向:1)新型組裝基元及弱鍵協同作用;2)表面多級次組裝及功能化;3)生物組分的多層級自組裝及功能化。發布指南后,特邀國內新成長起來的一些優秀青年科學家參與申請,最終形成6個集成課題:1)主客體識別驅動的自組裝及功能;2)基于生物大分子可編程多層級自組裝特性,構建新型生物催化組裝體;3)組裝調控表面反應及其應用;4)初級組裝體模塊化組裝、功能集成與仿生應用;5)基于糖的大分子精確自組裝及生物學功能;6)多級可控組裝模擬生物體系的功能。通過組建多學科背景、優勢互補的青年科研攻關團隊,實現在若干方向的跨越式發展。

      本重大研究計劃實施過程中,充分發揮指導專家組的頂層設計作用,充分體現了化學與物理、數學、材料、生物、醫學和信息等多學科的相互交叉。針對項目總體目標和具體領域的申請資助情況,進行指導和動態調整。例如,計劃實施開始階段,針對新組裝方法方向風險大,申請項目較少的情況,指導專家組經過認真調研、討論,以“命題作文”的形式,鼓勵進行原創性、探索性研究,先后通過布局“空間定位的功能基團誘導自組裝新方法研究”、“催組裝”等重點及培育項目的方式啟動了相關方向的研究。中期之后,又根據項目的突破情況進行了優化調整,最后形成了“多級次自組裝”集成方法,在組裝方法、組裝體功能與應用等多個方向的突破。

      三、本重大研究計劃實現總體科學目標

      通過十年多的努力,本重大研究計劃圓滿地完成了既定任務,實現了總體科學目標,如表2所示,重大研究計劃在組裝基元/組裝驅動力,組裝新方法,組裝體的功能與應用,組裝理論與模擬等方面取得了重要進展,使我國自組裝研究在多個方面系統地實現了從跟隨到原創的跨越式發展,總體實現了與國際同步,部分方向處于國際領先水平,全面推動了我國化學自組裝研究走向國際舞臺中心。具體如下:

      1. 組裝基元的跨越式發展:發展了全新的、具有“中國標簽”的功能組裝基元與驅動力,如“陰離子-π”、“Se-N動態共價鍵”等;設計與合成了新型多臂單體基元,實現了具中國特色的超分子有機框架(SOF)結構的構筑。

      2. 組裝方法的跨越式發展:建立了有中國特色的自組裝新方法,在國際上首次引入“超分子單體”的新概念,實現了可調控的超分子聚合;系統地界定了“催組裝”的科學內涵并探索了其研究新范式;提出了普適性的“框架誘導自組裝”新策略,實現不同形狀、尺寸單分散的組裝體的高效制備;發展了新型第五階密度泛函XYG3系列和新型組合模型XO等高精度、高效率的計算方法,提出了“軌道靜電作用”新理論。揭示了多層次自組裝體系的功能,為自組裝功能體系的設計帶來了新思路,在發現新功能和提升性能方面取得了重要突破,實現了若干國際最高的性能指標。

      3. 在自組裝功能體系研究中,實現了從無到有的跨越式發展,在多個方向上取得了國際領先優勢,如:發展了多級次自組裝新策略,建立了仿生光合作用組裝體系,實現了可見光催化制氫的世界最高效率;提出了超分子化療新策略,為常規化療藥物的減毒增效提供了新思路;在世界上首次實現了自組裝DNA分子機器在哺乳動物活體腫瘤治療中的應用。

      4. 人才隊伍培養的跨越式發展:本重大研究計劃的開展,極大地推動了我國分子組裝領域專門人才的培養。目前,我國已經培養、造就了一支具有很強的交叉研究背景的可控自組裝研究隊伍,擁有一批具有較高水平的學術帶頭人,培養了一批富有朝氣的青年人才。重大研究計劃執行期間,5名項目承擔專家當選中國科學院化學部院士,其他項目承擔人獲得長江學者獎勵教授12人次,杰出青年基金獲得者26人次,優秀青年基金獲得者34人次,青年拔尖人才14人次,萬人計劃學者12人次。自本重大計劃執行以來,已有7支研究團隊獲得了國家自然科學基金委創新研究群體,成為我國分子組裝研究隊伍中極富創造力的學術群體。

    表2 重大研究計劃執行前后對比

    國際

    國內

    啟動時

    結束時

    組裝基元/組裝驅動力

    不斷開發非共價相互作用模式

    種類很多

    模仿為主

    創制多種組裝新基元,證實陰離子-π等弱相互作用

    組裝新方法

    重視發展高效

    可控方法

    幾乎空白

    超分子聚合、多級組裝、催組裝等多點突破

    組裝體的

    功能與應用

    追求功能多樣

    突破高指標

    缺乏引領性工作和指標

    在光解水制氫、光電材料等方向具有最高性能指標

    組裝理論

    與模擬

    缺乏系統性

    幾乎空白

    新量子化學計算方法

    高效組裝分子模擬方法

     

      四、結語

      本重大研究計劃充分發揮化學、數理、材料、生命等多學科交叉合作的優勢,從理論和實驗源頭創新,圍繞“可控自組裝體系及其功能化”中“可控”這一關鍵內容進行合理的項目布局并展開深入研究。以理論研究和表征技術為支撐,深入揭示自組裝過程的本質和規律,推動相關研究領域的發展。研究工作契合了國際上分子組裝和功能材料領域發展的新方向和趨勢,更加突出了我國在系統性開拓認識多種新型弱相互作用力、發展多種具有“中國標簽”的新組裝基元,建立類似于有機“人名反應”的組裝新方法,實現了多組分、多層次組裝體功能,發展催組裝新概念等領域的特色和優勢。項目系統地實現從跟隨到原創的跨越式發展,總體實現了與國際同步,部分方向上處于國際領先水平,全面推動了我國化學自組裝研究走向國際舞臺的中心。




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