科研選題是科技工作首先需要解決的問題。國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）高度重視科學問題凝練工作，先后實施了明確資助導向、完善面向科學前沿和國家重大需求的科學問題凝練機制等一系列改革舉措。為了通過總結和宣傳我國科學家凝練科學問題的成功經驗，從理念和方法上給科研人員以啟迪和信心，引導科技界更加自覺地探索和運用科學方法不斷提升凝練科學問題的能力和水平，自然科學基金委組織開展凝練科學問題案例編寫工作。

案例以科研人員發現問題、凝練方向、奮勇攀登的心路歷程為主線，由自然科學基金委各科學部工作人員依據科研人員工作實踐調研總結形成，并通過小同行審讀、大同行評閱的方式，進一步提升科學性和可讀性，形成了凝練科學問題案例共81個。以下是案例之一，供參考

1. 科學問題的探索過程

銅是一種具有優良導熱性、導電性和延展性的重要有色金屬，已被廣泛應用于日常生活和工業生產中。與鋁和鎳等金屬不同，銅表面無法形成致密、穩定的鈍化層，致使銅表面會被持續氧化腐蝕。歷史上，銅的大規模使用得益于其抗氧化腐蝕技術（如黃銅、青銅等冶煉技術）的發展。雖然銅合金具有良好的減緩氧化能力，但其導熱和導電性能往往大打折扣。如何開發既有強抗氧化能力又能保持銅優越導電、導熱性能的表面涂層技術，一直是銅抗氧化防腐領域備受關注和亟待解決的挑戰性難題。

通常銅納米材料在空氣中僅能穩定數小時。2017年，研究人員意外發現，在以甲酸鈉為還原劑制備銅納米材料時，所得到的超薄納米片（厚度僅1?nm）具有超強抗氧化能力，可以在空氣中穩定1年以上。這一發現引發了研究人員對使用甲酸鈉能夠提升銅抗氧化能力原因的一番思考。在前期研究中，研究人員已經發現CO、有機胺等配位小分子可以與金屬表面形成特異性配位，進而在金屬納米材料合成中控制其形貌、表面結構并改變它們的性能。因此，研究人員通過紅外、程序升溫脫附-質譜等手段發現，甲酸根不僅是還原劑，還存在于所合成銅納米片的表面，初步推測甲酸根在銅表面的配位是其擁有強抗氧化能力的關鍵。為什么甲酸根的表面配位能夠使銅表面具備強抗氧化能力？一個簡單假設是甲酸根吸附在銅的表面，使銅表面不再吸附活化氧氣。為驗證這一假設，研究人員將清洗處理后的商業銅箔浸泡在甲酸鈉的水溶液中，但無論浸泡多長時間，銅箔的抗氧化能力并沒有得到提升，這意味著甲酸根在銅上絕非簡單的吸附。在否定以上假設后，借鑒甲酸鈉還原制備銅納米片的合成條件，在甲酸鈉水溶液中水熱（200℃）處理銅箔，發現經24 h處理后銅箔展現出很強的抗氧化能力。這一結果展示了甲酸根在銅表面配位的獨特性，銅表面極有可能在甲酸根的配位作用下通過原子遷移重構后才能擁有抗氧化防腐能力。接下來，要解決的首要科學問題是如何在分子層面上表征甲酸根在銅上的表面配位結構，理解相關結構與抗氧化性能的關系。

2. 解決本科學問題面臨的困難

與簡單的金屬配合物和完美的單晶相比，實際應用的金屬材料多不具備分子化合物的組成和結構確定性以及單晶表面的結構規整性，導致科研人員難以用現有的結構表征技術手段去研究有機配體在實際金屬材料表面的鍵合結構，也就很難在分子水平上深入理解表面有機配體層影響金屬材料化學性能的機制。在構筑有機配體保護的超薄/超細金屬納米模型材料體系的基礎上，研究人員通過X射線吸收譜、原位電化學譜學等表征手段提取了一些金屬功能材料表面配位的重要結構信息，并結合理論計算提出了利用有機表面配體優化金屬納米催化性能的“空間位阻”和“界面電子效應”。但是所發展的方法無法在埃級的空間尺度上對配體在納米材料上的鍵合結構進行高分辨表征，難以解開銅抗氧化之謎。

3. 研究本科學問題過程中的創新點

在空間分辨能力上，原子分辨的掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope，STM）和基于qPlus傳感器的非接觸原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）表征是分析甲酸根在銅表面配位結構的理想手段，但通常要求單晶樣品。基于qPlus-AFM表征單晶上水所形成的氫鍵結構方面的工作，研究人員提出將相關技術應用于實際非單晶銅箔樣品的可能性。通過材料制備-結構表征-理論計算的通力合作，發現經甲酸根水熱處理的銅箔表面重構為具有c（6×2）超結構的Cu（110）表面，該表面由甲酸銅二聚體[Cu（µ-HCOO）（OH）₂]₂槳輪狀單元和O^2-共同保護，而這一表面配位鈍化層給Cu（110）表面穿上了嚴實的“防護服”，有效地阻止了O₂與內部金屬銅原子的作用。更為重要的是，在深入理解分子機制的基礎上，通過引入烷基硫醇配體進一步鈍化無甲酸根修飾的臺階或缺陷位點，使銅表面的整體抗氧化性能提升2個數量級，可與銀媲美，為用銅替代銀制備導電電子漿料提供新路徑。

4. 研究本科學問題的意義

本項源于意外發現的原創成果不僅為金屬表面鈍化提供了表面配位全新策略，更為重要的是，深入的基礎研究為實際應用開發打下了堅實基礎，使得所發展銅抗氧化防腐技術可以適用于制備銅箔、銅線、銅納米材料，為銅替代銀制備導電電子漿料提供全新策略。例如，硅太陽能電池正在進行新一代技術的迭代，其中異質結太陽能電池在效率、穩定性、工藝流程上均有明顯優勢，但痛點在于需要用到更多的低溫銀漿，使價格偏高，而上述所開發的銅防腐技術有望解決這一痛點問題，最終推動異質結太陽能電池的規?；瘧谩?/p>