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國(guó)際先進(jìn)材料協(xié)會(huì)（IAAM）是一個(gè)由全球先進(jìn)材料領(lǐng)域研究人員組成的國(guó)際組織，致力于為先進(jìn)材料科學(xué)、工程和技術(shù)在世界范圍內(nèi)的快速發(fā)展提供平臺(tái)。IAAM Medal是IAAM授予在材料科學(xué)、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(xiàn)的科學(xué)家和研究人員，以激勵(lì)并認(rèn)可他們的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)“ground-breaking contributions”。

新型碳材料的計(jì)算模擬及其應(yīng)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(gè)國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)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(duì)鐵磁耦合的調(diào)控機(jī)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(shí)驗(yàn)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(xué)上的Kagome點(diǎn)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(jī)制，做出了一系列原創(chuàng)性工作，得到了國(guó)際同行的認(rèn)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(shí)驗(yàn)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(fèi)米面處的電子態(tài)密度高，表現(xiàn)出新奇的物理化學(xué)特性。國(guó)內(nèi)外諸多科學(xué)媒體紛紛撰評(píng)，《科技日?qǐng)?bào)》發(fā)表了總編輯圈點(diǎn)，認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)將極大豐富人們對(duì)碳材料的特性的認(rèn)識(shí)并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，紐約時(shí)報(bào)（The New York Times）科學(xué)記者對(duì)王前進(jìn)行了采訪，并在美國(guó)科學(xué)院院刊PNAS的“Journal Club”欄目以“Predicted new form of carbon is metal” 為題發(fā)表了評(píng)述。這一發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了人們后續(xù)對(duì)碳的金屬相及拓?fù)浒虢饘傧嗟难芯?。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(guó)數(shù)學(xué)家萊茵哈特提出的“如何用五邊形無(wú)縫密鋪二維空間” 數(shù)學(xué)命題，王前課題組通過(guò)計(jì)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(shí)現(xiàn)了近百年來(lái)數(shù)學(xué)家們所追求的數(shù)學(xué)模型。五邊形石墨烯由于其新穎的結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的性質(zhì)，起了學(xué)術(shù)界和科學(xué)媒體的廣泛關(guān)注，美國(guó)物理學(xué)會(huì)的Physics Today（Predicting pentagonal graphene），英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)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(guó)WILEY-VCH科學(xué)出版社的Chemistry Views（Penta-graphene）等國(guó)際著名學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)該工作進(jìn)行了專題報(bào)道；諸多科學(xué)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(duì)此工作進(jìn)行了新聞報(bào)道。2016年在科協(xié)組織的“2015年中國(guó)重大科學(xué)、技術(shù)、工程進(jìn)展30項(xiàng)”評(píng)選活動(dòng)中，五邊形石墨烯入選“2015年中國(guó)重大科學(xué)進(jìn)展（10項(xiàng)）” 【《科學(xué)導(dǎo)報(bào)》2016，34（3）13】。2020年“揭秘五邊形石墨烯”載入中國(guó)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(xué)中“孤立五邊形原則”。一直以來(lái)，科學(xué)界普遍認(rèn)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(dú)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(jì)的僅以五邊形為結(jié)構(gòu)單元的二維新材料被理論預(yù)言或?qū)嶒?yàn)合成（如五邊形硅烯納米帶、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(xué)特性，如s-p能帶反轉(zhuǎn)、高載流子遷移率、鐵磁性、拓?fù)浒虢饘傩?、拓?fù)浒虢^緣等，在納米電子學(xué)器件、光催化水分解、二氧化碳的催化轉(zhuǎn)化、超級(jí)電容器、金屬離子電池等方面表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。王前課題組建立了五邊形二維材料數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)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(jìn)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(dòng)了新型二維材料的研發(fā)。

此外，王前課題組在高導(dǎo)熱碳、低導(dǎo)熱碳、壓電性碳基材料、負(fù)泊松比碳基材料以及金屬碳、拓?fù)浒虢饘偬甲鳛殇嚒⑩c離子電池負(fù)極材料等方面也做出了多項(xiàng)原創(chuàng)性工作，多篇論文被選入美國(guó)科學(xué)院院刊PNAS，德國(guó)應(yīng)用化學(xué)Angew. Chem. Int. Ed., Nanoscale, J. Chem. Phys.等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊封面論文，研究工作得到國(guó)內(nèi)外同行的廣泛認(rèn)可。由于“在新型碳材料的計(jì)算模擬和自旋電子學(xué)材料磁性的理論研究方面取得具有國(guó)際影響的研究成果”，王前教授獲2016-2017年度謝希德物理獎(jiǎng)（每?jī)赡?-2名），2016年獲亞洲計(jì)算材料協(xié)會(huì)ACCMS頒發(fā)的杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。自2014年連續(xù)入選愛(ài)思唯爾“中國(guó)高被引學(xué)者”榜單；入選2020全球前2%頂尖科學(xué)家“生涯影響力”榜單。

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