全球问题，如气候变化和提高制造业可持续性，以及技术机遇，包括人工智能和量子计算，正在推动材料科学研究的前沿。这四位科学家是新一代研究人员中的一员，他们不仅在推动这些领域的进展，还将多样化的技能带入其中，确保未来解决方案中涵盖更多元的视角。
GRACE GU: Composite creator
Grace Gu是一位机械工程师，现任教于加利福尼亚大学伯克利分校。她的研究方向是开发更强大、适应性更强且成本更低的复合材料，尤其是通过借鉴数学世界中的“隐藏宝石”来设计材料。今年早些时候，她联合发表了一篇关于基于非周期性单形状（单瓦片）的复合材料设计论文。单瓦片是一种独特形状，可以覆盖表面而不重复图案，其设计比传统的蜂窝结构更坚固、更刚性且更耐用。由于图案分布应力的方式，这种材料对缺陷的容忍度较高，广泛应用于航天器和卫星制造。Gu指出，单一形状的设计不仅具有简洁性，还具备巨大工程应用潜力，能够降低制造复杂性和成本。她认为，非周期性单瓦片的设计提供了比传统蜂窝结构更大的灵活性。在研究中，Gu还借鉴了AlphaGo的经验，发现机器学习可以更高效地预测材料的性能，进而加速复合材料设计的进程。她采用了图形基础和贝塞尔曲线等方法，进一步优化了设计。作为女性科研人员，Gu积极鼓励和辅导年轻女性，认为自己能成为榜样并引导下一代实现潜力，是她作为教授最重要的成就之一。她的成就获得了许多奖项，包括2020年美国制造工程师杰出青年奖和2023年美国机械工程师学会早期职业奖等。
MARCILEIA ZANATTA: Decarbonization designer
Marcileia Zanatta从八岁起便开始构思如何设计新产品来解决生活中的问题，她的第一个梦想是发明一种能够溶解淋浴排水管中头发的设备。后来，她在巴西攻读工业化学，并在2012年开始关注去碳化领域，认为这一领域对人类生活有着直接影响，十分有意义。如今，Zanatta是西班牙海梅一世大学的材料化学家，致力于寻找能源高效的方式，将二氧化碳转化为可持续的材料，用于化学品、燃料和其他有用产品。她的工作旨在推动循环经济和实现净零排放目标。Zanatta的研究工作变得愈加紧迫，因为她亲历了西班牙和巴西严重的洪灾，这些灾难再次提醒她，仅仅减少碳排放已不足以应对气候变化的后果。她与团队发明了一些方法，将大气中的二氧化碳转化为如甲酸盐和环状碳酸酯等化合物，这些化合物可用于防冻剂、钻井液、锂电池、化妆品和工业溶剂等。其中，她在环状碳酸酯的研究中取得了重大突破，开发了一种在温和条件下、高效且低成本的方法，将二氧化碳转化为这些材料，而这一过程通常需要高温、高压和几个小时才能完成。她还利用3D打印技术设计定制反应器，优化反应速率。此外，Zanatta还研究了结合化学和生物反应的去碳化方法，这一方法能够生产基于CO2的可生物降解材料。她和团队成功地演示了如何使用化学-生物催化过程，利用捕获的二氧化碳生产绿色塑料——聚-3-羟基丁酸酯（PHB）。尽管Zanatta获得了多项荣誉，如被评为2023年《ACS Materials Au》期刊的崛起之星，她也面临着作为女性科研人员的独特挑战。她认为，女性在争取稳定职位时，往往面临家庭与事业之间的抉择，而产假可能对女性的职业生涯产生重大影响。此外，作为男性主导的领域中的女性，她常常会遭遇性别歧视和“男性解释”，但她认为要勇敢发声，提高意识，并建议年轻女性科研人员：“坚持不懈、保持韧性，展现自己的价值，主动作为，并自信地领导。”
CONG XIAO: Quantum explorer
Cong Xiao对凝聚态物理学的兴趣源自他对电子波函数的探索，电子波函数是描述电子在量子力学层面如何行为的数学工具。他认为，凝聚态物理学的魅力在于其微观的量子力学规律能够与日常生活中的宏观设备相连接，进而推动新型电子设备的发展。Xiao在2018到2021年期间作为北京大学的博士生，深入研究了Berry相位——凝聚态物理领域中的一个重要统一理论，认为这一理论展示了物理学的“力量和美”，并坚定了他从事这一领域的决心。如今，作为澳门大学应用物理与材料工程学院的助理教授，他正在探索量子规则下的新物理效应，尤其是非线性输运和自旋电子学领域，研究电子在不同条件下的运动和相互作用。这些研究可能为量子计算机等先进技术的设计提供理论支持。尽管Xiao的工作是理论性的，但他认为优秀的研究不仅能揭示微观层面的新原理，还能推动技术的发展。例如，他在非线性输运方面的研究，具有潜力用于整流器等电气设备的设计，这些设备能将交流电转化为直流电，广泛应用于通讯技术中。Xiao在2021年发表的一篇重要论文，首次基于第一性原理计算了反铁磁材料中的非线性霍尔效应。这一发现为其他研究人员提供了进一步研究磁性系统中非线性输运的工具，具有潜在的信息技术应用。Xiao认为，凝聚态物理学领域的发展方向有时难以预料，理论研究的最大挑战是“始终保持在研究的前沿”，因为这一领域的思想和话题变化非常快速。他强调，持续学习新的理论技能以帮助理解更广泛的物理问题是最大的挑战。在《Nature Index》上，Xiao凭借较高的材料科学相关研究产出，在2019至2023年间的得分3.53，位列该领域前20名的早期职业研究者之一。
CAIO OTONI: Biomolecule magician
Caio Otoni是巴西圣保罗坎皮纳斯州立大学的研究员，专注于循环经济领域，特别是将生物废弃物（如果皮、咖啡壳和壳类动物的外壳）转化为新产品、材料和能源来源。这一方法对巴西尤为重要，因为巴西是糖蔗、咖啡等农作物的主要生产国。Otoni及其团队通过将废弃物分解为其基本成分（如纤维素、壳聚糖等聚合物），并与其他化合物结合，创造出具有可降解性和抗菌特性的塑料。例如，他们在2019年的一篇论文中，描述了如何将阳离子化合物（含有正电荷离子的化学物质）接枝到回收纤维素上，创造了一种抗菌泡沫材料，广泛应用于包装、过滤和卫生产品中。该泡沫的阳离子化合物能够吸附并破坏细菌细胞膜，导致细菌死亡，测试表明其对大肠杆菌的抗菌反应比对照组高出85%。Otoni的植物学家父亲对他从小培养了对植物的兴趣，而他在美国农业部伯克利研究设施的交换生经历，进一步坚定了他对可持续材料的热情。在那里，他参与了一个项目，意识到将鱼皮丢弃回海洋是多么浪费，便发明了一种方法，将废弃的鱼皮中的胶原蛋白提取出来，转化为明胶并用于生产包装材料。这是他第一个利用生物可再生资源和废弃生物质作为聚合物来源的项目。在攻读博士和博士后期间，Otoni继续开展基于胡萝卜、桃子废料以及糖蔗渣等材料的新型材料研究。他承认，作为年轻科学家，获得资金支持非常困难，因为与已经成名的研究人员竞争，“尤其是在巴西，几乎一切都需要用美元或欧元支付，汇率波动让一些关键设备变得难以负担。”2020年，他成立了自己的实验室，这对他来说也是一次陡峭的学习曲线，因为他以前只受过做实验的训练，而不是管理团队和指导学生。他坦言：“这是随着时间和经验积累的。”Otoni希望能培养更多年轻研究人员，让他们学习如何将废弃物转化为有用的资源。他相信自己的循环塑料研究能够在减少全球塑料污染方面发挥重要作用。2023年，Otoni成为唯一一位来自欧洲和北美之外的获奖者，获得了《Materials Today》杂志颁发的“材料科学新星奖”。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).
