全球問題，如氣候變化和提高制造業(yè)可持續(xù)性，以及技術(shù)機遇，包括人工智能和量子計算，正在推動材料科學研究的前沿。這四位科學家是新一代研究人員中的一員，他們不僅在推動這些領(lǐng)域的進展，還將多樣化的技能帶入其中，確保未來解決方案中涵蓋更多元的視角。
GRACE GU: Composite creator
Grace Gu是一位機械工程師，現(xiàn)任教于加利福尼亞大學伯克利分校。她的研究方向是開發(fā)更強大、適應性更強且成本更低的復合材料，尤其是通過借鑒數(shù)學世界中的“隱藏寶石”來設(shè)計材料。今年早些時候，她聯(lián)合發(fā)表了一篇關(guān)于基于非周期性單形狀（單瓦片）的復合材料設(shè)計論文。單瓦片是一種獨特形狀，可以覆蓋表面而不重復圖案，其設(shè)計比傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)更堅固、更剛性且更耐用。由于圖案分布應力的方式，這種材料對缺陷的容忍度較高，廣泛應用于航天器和衛(wèi)星制造。Gu指出，單一形狀的設(shè)計不僅具有簡潔性，還具備巨大工程應用潛力，能夠降低制造復雜性和成本。她認為，非周期性單瓦片的設(shè)計提供了比傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)更大的靈活性。在研究中，Gu還借鑒了AlphaGo的經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)機器學習可以更高效地預測材料的性能，進而加速復合材料設(shè)計的進程。她采用了圖形基礎(chǔ)和貝塞爾曲線等方法，進一步優(yōu)化了設(shè)計。作為女性科研人員，Gu積極鼓勵和輔導年輕女性，認為自己能成為榜樣并引導下一代實現(xiàn)潛力，是她作為教授最重要的成就之一。她的成就獲得了許多獎項，包括2020年美國制造工程師杰出青年獎和2023年美國機械工程師學會早期職業(yè)獎等。
MARCILEIA ZANATTA: Decarbonization designer
Marcileia Zanatta從八歲起便開始構(gòu)思如何設(shè)計新產(chǎn)品來解決生活中的問題，她的第一個夢想是發(fā)明一種能夠溶解淋浴排水管中頭發(fā)的設(shè)備。后來，她在巴西攻讀工業(yè)化學，并在2012年開始關(guān)注去碳化領(lǐng)域，認為這一領(lǐng)域?qū)θ祟惿钣兄苯佑绊懀钟幸饬x。如今，Zanatta是西班牙海梅一世大學的材料化學家，致力于尋找能源高效的方式，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為可持續(xù)的材料，用于化學品、燃料和其他有用產(chǎn)品。她的工作旨在推動循環(huán)經(jīng)濟和實現(xiàn)凈零排放目標。Zanatta的研究工作變得愈加緊迫，因為她親歷了西班牙和巴西嚴重的洪災，這些災難再次提醒她，僅僅減少碳排放已不足以應對氣候變化的后果。她與團隊發(fā)明了一些方法，將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為如甲酸鹽和環(huán)狀碳酸酯等化合物，這些化合物可用于防凍劑、鉆井液、鋰電池、化妝品和工業(yè)溶劑等。其中，她在環(huán)狀碳酸酯的研究中取得了重大突破，開發(fā)了一種在溫和條件下、高效且低成本的方法，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為這些材料，而這一過程通常需要高溫、高壓和幾個小時才能完成。她還利用3D打印技術(shù)設(shè)計定制反應器，優(yōu)化反應速率。此外，Zanatta還研究了結(jié)合化學和生物反應的去碳化方法，這一方法能夠生產(chǎn)基于CO2的可生物降解材料。她和團隊成功地演示了如何使用化學-生物催化過程，利用捕獲的二氧化碳生產(chǎn)綠色塑料——聚-3-羥基丁酸酯（PHB）。盡管Zanatta獲得了多項榮譽，如被評為2023年《ACS Materials Au》期刊的崛起之星，她也面臨著作為女性科研人員的獨特挑戰(zhàn)。她認為，女性在爭取穩(wěn)定職位時，往往面臨家庭與事業(yè)之間的抉擇，而產(chǎn)假可能對女性的職業(yè)生涯產(chǎn)生重大影響。此外，作為男性主導的領(lǐng)域中的女性，她常常會遭遇性別歧視和“男性解釋”，但她認為要勇敢發(fā)聲，提高意識，并建議年輕女性科研人員：“堅持不懈、保持韌性，展現(xiàn)自己的價值，主動作為，并自信地領(lǐng)導。”
CONG XIAO: Quantum explorer
Cong Xiao對凝聚態(tài)物理學的興趣源自他對電子波函數(shù)的探索，電子波函數(shù)是描述電子在量子力學層面如何行為的數(shù)學工具。他認為，凝聚態(tài)物理學的魅力在于其微觀的量子力學規(guī)律能夠與日常生活中的宏觀設(shè)備相連接，進而推動新型電子設(shè)備的發(fā)展。Xiao在2018到2021年期間作為北京大學的博士生，深入研究了Berry相位——凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的一個重要統(tǒng)一理論，認為這一理論展示了物理學的“力量和美”，并堅定了他從事這一領(lǐng)域的決心。如今，作為澳門大學應用物理與材料工程學院的助理教授，他正在探索量子規(guī)則下的新物理效應，尤其是非線性輸運和自旋電子學領(lǐng)域，研究電子在不同條件下的運動和相互作用。這些研究可能為量子計算機等先進技術(shù)的設(shè)計提供理論支持。盡管Xiao的工作是理論性的，但他認為優(yōu)秀的研究不僅能揭示微觀層面的新原理，還能推動技術(shù)的發(fā)展。例如，他在非線性輸運方面的研究，具有潛力用于整流器等電氣設(shè)備的設(shè)計，這些設(shè)備能將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，廣泛應用于通訊技術(shù)中。Xiao在2021年發(fā)表的一篇重要論文，首次基于第一性原理計算了反鐵磁材料中的非線性霍爾效應。這一發(fā)現(xiàn)為其他研究人員提供了進一步研究磁性系統(tǒng)中非線性輸運的工具，具有潛在的信息技術(shù)應用。Xiao認為，凝聚態(tài)物理學領(lǐng)域的發(fā)展方向有時難以預料，理論研究的最大挑戰(zhàn)是“始終保持在研究的前沿”，因為這一領(lǐng)域的思想和話題變化非常快速。他強調(diào)，持續(xù)學習新的理論技能以幫助理解更廣泛的物理問題是最大的挑戰(zhàn)。在《Nature Index》上，Xiao憑借較高的材料科學相關(guān)研究產(chǎn)出，在2019至2023年間的得分3.53，位列該領(lǐng)域前20名的早期職業(yè)研究者之一。
CAIO OTONI: Biomolecule magician
Caio Otoni是巴西圣保羅坎皮納斯州立大學的研究員，專注于循環(huán)經(jīng)濟領(lǐng)域，特別是將生物廢棄物（如果皮、咖啡殼和殼類動物的外殼）轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品、材料和能源來源。這一方法對巴西尤為重要，因為巴西是糖蔗、咖啡等農(nóng)作物的主要生產(chǎn)國。Otoni及其團隊通過將廢棄物分解為其基本成分（如纖維素、殼聚糖等聚合物），并與其他化合物結(jié)合，創(chuàng)造出具有可降解性和抗菌特性的塑料。例如，他們在2019年的一篇論文中，描述了如何將陽離子化合物（含有正電荷離子的化學物質(zhì)）接枝到回收纖維素上，創(chuàng)造了一種抗菌泡沫材料，廣泛應用于包裝、過濾和衛(wèi)生產(chǎn)品中。該泡沫的陽離子化合物能夠吸附并破壞細菌細胞膜，導致細菌死亡，測試表明其對大腸桿菌的抗菌反應比對照組高出85%。Otoni的植物學家父親對他從小培養(yǎng)了對植物的興趣，而他在美國農(nóng)業(yè)部伯克利研究設(shè)施的交換生經(jīng)歷，進一步堅定了他對可持續(xù)材料的熱情。在那里，他參與了一個項目，意識到將魚皮丟棄回海洋是多么浪費，便發(fā)明了一種方法，將廢棄的魚皮中的膠原蛋白提取出來，轉(zhuǎn)化為明膠并用于生產(chǎn)包裝材料。這是他第一個利用生物可再生資源和廢棄生物質(zhì)作為聚合物來源的項目。在攻讀博士和博士后期間，Otoni繼續(xù)開展基于胡蘿卜、桃子廢料以及糖蔗渣等材料的新型材料研究。他承認，作為年輕科學家，獲得資金支持非常困難，因為與已經(jīng)成名的研究人員競爭，“尤其是在巴西，幾乎一切都需要用美元或歐元支付，匯率波動讓一些關(guān)鍵設(shè)備變得難以負擔。”2020年，他成立了自己的實驗室，這對他來說也是一次陡峭的學習曲線，因為他以前只受過做實驗的訓練，而不是管理團隊和指導學生。他坦言：“這是隨著時間和經(jīng)驗積累的。”Otoni希望能培養(yǎng)更多年輕研究人員，讓他們學習如何將廢棄物轉(zhuǎn)化為有用的資源。他相信自己的循環(huán)塑料研究能夠在減少全球塑料污染方面發(fā)揮重要作用。2023年，Otoni成為唯一一位來自歐洲和北美之外的獲獎?wù)撸@得了《Materials Today》雜志頒發(fā)的“材料科學新星獎”。1. Jung, J., Chen, A., & Gu, G. X. Mater. Today 73, 1–8 (2024).2. Smith, D., Myers, J. S., Kaplan, C. S. & Goodman-Strauss, C. Comb. Theory 4, https://doi.org/10.5070/C64163843 (2024).3. Gu, G. X., Chen, C.-T. & Buehler, M. J. Extreme Mech. Lett.18, 19–28 (2018).4. Bruch, M. et al. Green Chem. https://doi.org/10.1039/D4GC04228J (2024).5. Zanatta, M., García-Verdugo, E. & Sans, V. ACS Sustain. Chem. Eng. 11, 9613–9619 (2023).6. Marchetti, S, et al. Addit. Manuf. 89, 104304 (2024).7. Liu, H. et al. Phys. Rev. Lett. 127, 277202 (2021).8. Otoni, C. G. et al. ACS Appl. Bio Mater. 2, 1975–1986 (2019).
