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新材料（或称先进材料）是指新近发展或正在发展之中，具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料在发展高新技术、改造和提升传统产业、增强综合国力和国防实力方面起着重要的作用，是经济发展和社会进步的重要物质基础。
在新材料的研发过程中，材料的计算模拟是实现新材料设计的重要途径之一。近年来北京大学孙强教授致力于先进材料的设计与模拟，包括能源材料（储氢材料，太阳能材料和电池材料）、纳米结构组装材料、环境-生物-医学材料等。其多项研究成果被美国物理学会新闻、科学新闻、欧洲化学新闻等报道，引起了国际同行的高度关注；并在今年的第244届美国化学学会年会上组织了“Theory and Simulation in Energy and Fuel Production and Utilization”专场分会，为提升我国在新材料领域的学术地位、推动我国新材料的研究作出了显著的成绩。
关注新能源 攻坚储氢难题
能源危机和环境污染使得储氢材料成为目前科学研究的热点。在自然界中，氢分子以两种方式与物质之间发生相互作用：分子吸附（范德瓦尔斯作用）和原子吸附（化学作用）。前者因相互作用太弱而影响储氢的稳定性和重量百分比；而后者由于物质表面电荷转移到氢分子的反健轨道上，氢分子分解成原子而与物质发生化学作用，这种强的健合作用严重影响了氢释放的动力学特性。因此，为了平衡热力学和动力学，人们所需要的既不是自由状态的分子氢，也不是束缚态的原子氢，而应以准分子的形式被吸附。为了实现准分子态储氢，普遍采用的方法是将金属原子引入衬底材料中，且这些金属原子应满足两个基本条件：离散分布和未饱和配位。然而在材料的制备过程中很难控制金属原子的聚集，并且未饱和配位的金属原子点也很容易被环境中的其它气体分子或原子所占据，从而严重影响了材料的储氢特性。
为此孙强教授研究组与其合作者们提出了采用外加电场的方法来诱导储氢，在外加电场中氢分子和衬底材料被极化，所产生的诱导偶极相互作用为氢分子的吸附提供了物理基础。研究发现该方法具有以下优点：第一，调节外加电场的强度和衬底材料的结构和成分可以控制氢分子吸附的热力学；第二，关闭外加电场可以很容易实现氢分子的快速释放；第三，不需要金属原子的参与从而避免了材料制备过程中所遇到的上述问题。该研究成果发表在美国科学院院刊《PNAS107,2801(2010)》上，并且在“本期要览”中对该研究作了重点介绍。该论文还被评为“2010中国百篇最具影响国际学术论文”。
此外，孙强教授研究组与其合作者们的研究论文“Functionalized heterofullerenes for hydrogen storage”被美国物理学会新闻报道；论文“Sc-phthalocyanine sheet: Promising material for hydrogen storage”被物理新闻所报道；并于2009年在世界科学出版社出版了储氢研究论文集，为推动氢能源的研究作出了不懈的努力。
猎奇新材料
实现石墨烯铁磁性
在新材料的研发过程中，维度已成为调制物质结构和特性的一个重要参数，当材料由三维结构变到二维、一维和零维时，其几何结构和物理化学特性将发生显著的变化。而石墨烯材料的发现打破了二维单层原子晶体不能存在的理论推断，引发了人们对二维单层原子材料的研究热潮。
石墨烯（graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式组成六角型蜂巢状的二维单原子层平面结构，具有奇特的几何结构和奇异的物理化学性质。特别是碳的原子序数小，电子的自旋-轨道相互作用弱，自旋驰豫时间长，有利于自旋极化电子的传输。在石墨烯的研究中，如何实现长程铁磁性是人们所关注的重要课题之一。应用自旋极化的密度泛函理论，孙强教授研究组及其合作者们发现当氢原子吸附在石墨烯的部分碳原子上时，石墨烯的π键被破坏，导致每个没有被氢化的碳原子产生一个未配对的2p电子，它们之间长程交换耦合，形成稳定的铁磁性，其居里温度大约在278～417K。这一方法比目前已知的方法更具有可控性和可操作性，它不但能保持graphene骨架结构的完整性和磁性的均匀分布，而且还能避免在组装nano-ribbon的过程中所引起的磁性的粹灭。在此美国化学学会主办的纳米材料科学的权威杂志《Nano Letters 9, 3867 (2009)》刊发了这一重要研究成果。该研究不但拓广了单层graphene的应用前景，而且还引发了一系列新的实验和理论研究，并启发人们把半氢化的方法作为一种特有的材料改性的手段来实现新材料的功能化修饰。
立足新热点
探索二维单原子层多孔材料
石墨烯的发现不仅成为纳米科学领域中产生新知识的重要源头之一，而且为研制高性能功能纳米材料和器件提供了契机。人们一直梦想能在这些单原子层材料中有规且离散地引入过渡金属原子以构成新型的单原子层磁性材料、催化材料和气体吸附材料，但由于过渡金属原子容易聚集，这一梦想一直未能在石墨烯和BN单原子层中实现。
针对这些挑战性问题，基于一些最新的实验结果和酞菁分子（Pc）组装的灵活性，孙强教授研究组利用第一性原理、平均场理论和蒙特卡罗模拟系统研究了一系列含有过渡金属原子（Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn）的二维多孔单原子酞菁结构。在这些结构中，金属原子均匀地分散在酞菁孔中，具有稳定的几何构型。研究发现，二维的NiPc和ZnPc是非磁的，二维的MPc (M=Cr，Fe，Co，Cu）呈反铁磁性，而在二维的单层MnPc中，由于存在有效的p-d交换相互作用，使得体系具有长程铁磁性，其居里温度约为150K左右，可与目前实验上合成的具有最高居里温度的(Ga，Mn)As稀磁半导体相媲美。该研究不仅深化了人们对过渡金属原子在二维酞菁结构中磁耦合相互作用的认识，而且将传统的稀磁半导体材料拓展到二维有机单原子层结构。此外，与石墨烯和单层BN相比，二维多孔金属有机单原子层结构具有更灵活的配位成键和更丰富、更可控的结构与功能。该研究发表在美国化学学会会刊《JACS 133, 15113(2011）》上，并引起了理论和实验工作者们的广泛关注，有些实验研究组已经开始合成他们所设计的金属-有机多孔单原子层磁性材料，并期望在磁性、能源、环境和催化等领域有广泛的应用前景。
累累的硕果是与无数个日日夜夜的辛勤努力和积极创新分不开的，然而新材料研究领域中还有更多的未知和挑战等待他们去发掘和探索。孙强教授将继续带领他的研究团队站在科学的前沿，积极开拓进取，在新材料的海洋中遨游，探寻一串串的新奇和惊喜。
在新材料的研发过程中，材料的计算模拟是实现新材料设计的重要途径之一。近年来北京大学孙强教授致力于先进材料的设计与模拟，包括能源材料（储氢材料，太阳能材料和电池材料）、纳米结构组装材料、环境-生物-医学材料等。其多项研究成果被美国物理学会新闻、科学新闻、欧洲化学新闻等报道，引起了国际同行的高度关注；并在今年的第244届美国化学学会年会上组织了“Theory and Simulation in Energy and Fuel Production and Utilization”专场分会，为提升我国在新材料领域的学术地位、推动我国新材料的研究作出了显著的成绩。
关注新能源 攻坚储氢难题
能源危机和环境污染使得储氢材料成为目前科学研究的热点。在自然界中，氢分子以两种方式与物质之间发生相互作用：分子吸附（范德瓦尔斯作用）和原子吸附（化学作用）。前者因相互作用太弱而影响储氢的稳定性和重量百分比；而后者由于物质表面电荷转移到氢分子的反健轨道上，氢分子分解成原子而与物质发生化学作用，这种强的健合作用严重影响了氢释放的动力学特性。因此，为了平衡热力学和动力学，人们所需要的既不是自由状态的分子氢，也不是束缚态的原子氢，而应以准分子的形式被吸附。为了实现准分子态储氢，普遍采用的方法是将金属原子引入衬底材料中，且这些金属原子应满足两个基本条件：离散分布和未饱和配位。然而在材料的制备过程中很难控制金属原子的聚集，并且未饱和配位的金属原子点也很容易被环境中的其它气体分子或原子所占据，从而严重影响了材料的储氢特性。
为此孙强教授研究组与其合作者们提出了采用外加电场的方法来诱导储氢，在外加电场中氢分子和衬底材料被极化，所产生的诱导偶极相互作用为氢分子的吸附提供了物理基础。研究发现该方法具有以下优点：第一，调节外加电场的强度和衬底材料的结构和成分可以控制氢分子吸附的热力学；第二，关闭外加电场可以很容易实现氢分子的快速释放；第三，不需要金属原子的参与从而避免了材料制备过程中所遇到的上述问题。该研究成果发表在美国科学院院刊《PNAS107,2801(2010)》上，并且在“本期要览”中对该研究作了重点介绍。该论文还被评为“2010中国百篇最具影响国际学术论文”。
此外，孙强教授研究组与其合作者们的研究论文“Functionalized heterofullerenes for hydrogen storage”被美国物理学会新闻报道；论文“Sc-phthalocyanine sheet: Promising material for hydrogen storage”被物理新闻所报道；并于2009年在世界科学出版社出版了储氢研究论文集，为推动氢能源的研究作出了不懈的努力。
猎奇新材料
实现石墨烯铁磁性
在新材料的研发过程中，维度已成为调制物质结构和特性的一个重要参数，当材料由三维结构变到二维、一维和零维时，其几何结构和物理化学特性将发生显著的变化。而石墨烯材料的发现打破了二维单层原子晶体不能存在的理论推断，引发了人们对二维单层原子材料的研究热潮。
石墨烯（graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式组成六角型蜂巢状的二维单原子层平面结构，具有奇特的几何结构和奇异的物理化学性质。特别是碳的原子序数小，电子的自旋-轨道相互作用弱，自旋驰豫时间长，有利于自旋极化电子的传输。在石墨烯的研究中，如何实现长程铁磁性是人们所关注的重要课题之一。应用自旋极化的密度泛函理论，孙强教授研究组及其合作者们发现当氢原子吸附在石墨烯的部分碳原子上时，石墨烯的π键被破坏，导致每个没有被氢化的碳原子产生一个未配对的2p电子，它们之间长程交换耦合，形成稳定的铁磁性，其居里温度大约在278～417K。这一方法比目前已知的方法更具有可控性和可操作性，它不但能保持graphene骨架结构的完整性和磁性的均匀分布，而且还能避免在组装nano-ribbon的过程中所引起的磁性的粹灭。在此美国化学学会主办的纳米材料科学的权威杂志《Nano Letters 9, 3867 (2009)》刊发了这一重要研究成果。该研究不但拓广了单层graphene的应用前景，而且还引发了一系列新的实验和理论研究，并启发人们把半氢化的方法作为一种特有的材料改性的手段来实现新材料的功能化修饰。
立足新热点
探索二维单原子层多孔材料
石墨烯的发现不仅成为纳米科学领域中产生新知识的重要源头之一，而且为研制高性能功能纳米材料和器件提供了契机。人们一直梦想能在这些单原子层材料中有规且离散地引入过渡金属原子以构成新型的单原子层磁性材料、催化材料和气体吸附材料，但由于过渡金属原子容易聚集，这一梦想一直未能在石墨烯和BN单原子层中实现。
针对这些挑战性问题，基于一些最新的实验结果和酞菁分子（Pc）组装的灵活性，孙强教授研究组利用第一性原理、平均场理论和蒙特卡罗模拟系统研究了一系列含有过渡金属原子（Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn）的二维多孔单原子酞菁结构。在这些结构中，金属原子均匀地分散在酞菁孔中，具有稳定的几何构型。研究发现，二维的NiPc和ZnPc是非磁的，二维的MPc (M=Cr，Fe，Co，Cu）呈反铁磁性，而在二维的单层MnPc中，由于存在有效的p-d交换相互作用，使得体系具有长程铁磁性，其居里温度约为150K左右，可与目前实验上合成的具有最高居里温度的(Ga，Mn)As稀磁半导体相媲美。该研究不仅深化了人们对过渡金属原子在二维酞菁结构中磁耦合相互作用的认识，而且将传统的稀磁半导体材料拓展到二维有机单原子层结构。此外，与石墨烯和单层BN相比，二维多孔金属有机单原子层结构具有更灵活的配位成键和更丰富、更可控的结构与功能。该研究发表在美国化学学会会刊《JACS 133, 15113(2011）》上，并引起了理论和实验工作者们的广泛关注，有些实验研究组已经开始合成他们所设计的金属-有机多孔单原子层磁性材料，并期望在磁性、能源、环境和催化等领域有广泛的应用前景。
累累的硕果是与无数个日日夜夜的辛勤努力和积极创新分不开的，然而新材料研究领域中还有更多的未知和挑战等待他们去发掘和探索。孙强教授将继续带领他的研究团队站在科学的前沿，积极开拓进取，在新材料的海洋中遨游，探寻一串串的新奇和惊喜。