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國際先進材料協(xié)會（IAAM）是一個由全球先進材料領(lǐng)域研究人員組成的國際組織，致力于為先進材料科學、工程和技術(shù)在世界范圍內(nèi)的快速發(fā)展提供平臺。IAAM Medal是IAAM授予在材料科學、工程與技術(shù)領(lǐng)域從事研究工作至少10年，并作出重大貢獻的科學家和研究人員，以激勵并認可他們的開創(chuàng)性貢獻“ground-breaking contributions”。

新型碳材料的計算模擬及其應用研究是王前課題組的主要研究方向之一。2011年王前入職北大后，獲批的第一個國家自然科學基金面上項目是“2p電子的磁性”。王前課題組系統(tǒng)地研究了低維碳基材料磁性，提出了多孔化對鐵磁耦合的調(diào)控機理和構(gòu)建二維磁性結(jié)構(gòu)的基本模式：將磁性結(jié)構(gòu)單元用磁性鏈接體有效組裝。以實驗上已合成的石墨烯納米片、1,3,5-苯三基等為結(jié)構(gòu)單元，利用數(shù)學上的Kagome點陣模型等，構(gòu)建了多種穩(wěn)定的二維碳基磁性材料晶體結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)地研究了這類體系中由2p電子產(chǎn)生的磁性，闡明了結(jié)構(gòu)單元間的磁耦合機制，做出了一系列原創(chuàng)性工作，得到了國際同行的認可和廣泛引用【如Nat. Comm.7, 1148(2016); Chem. Rev.116, 7159(2016); Advanced Mater.27, 2150(2015); Angew. Chem. Int. Ed. 53 7248(2014)等】，為實驗研究與合成碳基磁性材料提供了理論支撐。

2013年王前課題組從理論上證明了常溫常壓下金屬碳的存在【PNAS 110, 18809 (2013)】。這種三維金屬碳，由于其費米面處的電子態(tài)密度高，表現(xiàn)出新奇的物理化學特性。國內(nèi)外諸多科學媒體紛紛撰評，《科技日報》發(fā)表了總編輯圈點，認為這一發(fā)現(xiàn)將極大豐富人們對碳材料的特性的認識并拓寬其應用領(lǐng)域，紐約時報（The New York Times）科學記者對王前進行了采訪，并在美國科學院院刊PNAS的“Journal Club”欄目以“Predicted new form of carbon is metal” 為題發(fā)表了評述。這一發(fā)現(xiàn)開啟了人們后續(xù)對碳的金屬相及拓撲半金屬相的研究。王前課題組在2017年從理論上發(fā)現(xiàn)了碳的新二維金屬相ψ-Graphene【JPCL，8, 3234 (2017)】。

2015年王前課題組提出了五邊形石墨烯【PNAS 112, 2372 (2015)】?；?918年德國數(shù)學家萊茵哈特提出的“如何用五邊形無縫密鋪二維空間” 數(shù)學命題，王前課題組通過計算模擬，提出了一種僅由五元碳環(huán)構(gòu)成的二維結(jié)構(gòu)-五邊形石墨烯，從材料的角度實現(xiàn)了近百年來數(shù)學家們所追求的數(shù)學模型。五邊形石墨烯由于其新穎的結(jié)構(gòu)和獨特的性質(zhì)，起了學術(shù)界和科學媒體的廣泛關(guān)注，美國物理學會的Physics Today（Predicting pentagonal graphene），英國皇家化學學會的Chemistry World （Calculations predict pentagonal graphene），世界著名出版公司Elsevier的Materials Today （Flat-packed pentagonal carbon），德國WILEY-VCH科學出版社的Chemistry Views（Penta-graphene）等國際著名學術(shù)機構(gòu)對該工作進行了專題報道；諸多科學媒體和網(wǎng)站如：Science Daily，Science Newsline，Science Alert，Physics News，Phys.org，New Materials News，Daily Nano News等對此工作進行了新聞報道。2016年在科協(xié)組織的“2015年中國重大科學、技術(shù)、工程進展30項”評選活動中，五邊形石墨烯入選“2015年中國重大科學進展（10項）” 【《科學導報》2016，34（3）13】。2020年“揭秘五邊形石墨烯”載入中國數(shù)字科技館。

五邊形石墨烯的提出打破了傳統(tǒng)富勒烯科學中“孤立五邊形原則”。一直以來，科學界普遍認為在碳材料家族中，雖然五元碳環(huán)和六元碳環(huán)都是基本的結(jié)構(gòu)單元，但五元碳環(huán)不能單獨地構(gòu)成穩(wěn)定的富勒烯籠狀結(jié)構(gòu)，這一規(guī)律被總結(jié)為“孤立五邊形原則”。王前課題組證明了只用碳五元環(huán)也可以構(gòu)成穩(wěn)定的二維碳結(jié)構(gòu)-五邊形石墨烯。

更為重要的是五邊形石墨烯為二維新材料的研發(fā)提供了新的原子結(jié)構(gòu)模型。受五邊形石墨烯的啟發(fā)，數(shù)以百計的僅以五邊形為結(jié)構(gòu)單元的二維新材料被理論預言或?qū)嶒灪铣桑ㄈ缥暹呅喂柘┘{米帶、五邊形二硒化鈀等成功合成）。這類材料由于其特殊的原子構(gòu)型，因而具有諸多新穎的物理、化學特性，如s-p能帶反轉(zhuǎn)、高載流子遷移率、鐵磁性、拓撲半金屬性、拓撲半絕緣等，在納米電子學器件、光催化水分解、二氧化碳的催化轉(zhuǎn)化、超級電容器、金屬離子電池等方面表現(xiàn)出廣泛的應用前景。王前課題組建立了五邊形二維材料數(shù)據(jù)庫，并對已發(fā)現(xiàn)的102種不同晶體結(jié)構(gòu)的二維五邊形材料進行了分類研究（如下圖所示）。五邊形型石墨烯的發(fā)現(xiàn)有力地推動了新型二維材料的研發(fā)。

此外，王前課題組在高導熱碳、低導熱碳、壓電性碳基材料、負泊松比碳基材料以及金屬碳、拓撲半金屬碳作為鋰、鈉離子電池負極材料等方面也做出了多項原創(chuàng)性工作，多篇論文被選入美國科學院院刊PNAS，德國應用化學Angew. Chem. Int. Ed., Nanoscale, J. Chem. Phys.等國際學術(shù)期刊封面論文，研究工作得到國內(nèi)外同行的廣泛認可。由于“在新型碳材料的計算模擬和自旋電子學材料磁性的理論研究方面取得具有國際影響的研究成果”，王前教授獲2016-2017年度謝希德物理獎（每兩年1-2名），2016年獲亞洲計算材料協(xié)會ACCMS頒發(fā)的杰出貢獻獎。自2014年連續(xù)入選愛思唯爾“中國高被引學者”榜單；入選2020全球前2%頂尖科學家“生涯影響力”榜單。

參考資料：https://news.pku.edu.cn/xwzh/0db54233d27542d9809c868e9910d87a.htm