王健君，現(xiàn)為中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員。2010年，他回國到中國科學(xué)院化學(xué)研究所工作，致力于控冰材料基礎(chǔ)研究，在結(jié)冰機(jī)理、防覆冰涂層材料、細(xì)胞/組織的凍存材料等方面取得了一系列創(chuàng)新性成果。他主持了國家自然科學(xué)基金委員會(huì)杰出青年項(xiàng)目、JKW創(chuàng)新專題項(xiàng)目及松山湖材料實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新樣板工廠等項(xiàng)目。研究成果發(fā)表于《Nature》《Science Advances》《JACS》和《PNAS》等國際知名期刊，在仿生控冰凍存材料和防覆冰涂層材料領(lǐng)域申請了系列專利包。
在冰晶成核、生長機(jī)制方面突破
在交通、通訊、電力、航空、軍事等領(lǐng)域，結(jié)冰與結(jié)霜現(xiàn)象普遍存在，經(jīng)常給人們的生活與生產(chǎn)帶來極大不便，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致災(zāi)害，甚至造成生命和經(jīng)濟(jì)損失。細(xì)胞和組織的冷凍保存是組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域不可或缺的支撐，目前存在凍存后復(fù)蘇率低或者不能凍存的問題。王健君面向控冰材料應(yīng)用需求，從基礎(chǔ)原理突破入手，開展了系列的原創(chuàng)性研究工作，取得了具有重要影響的成果。
水結(jié)冰是典型的結(jié)晶過程，形成晶核是其中的關(guān)鍵步驟。“經(jīng)典成核理論”預(yù)測：只有當(dāng)偶然形成的晶核尺寸超過臨界尺寸后，冰晶才能自發(fā)形成。以往的大量研究工作已經(jīng)證實(shí)了經(jīng)典成核理論的許多推論，但是對其核心概念“臨界冰核”的認(rèn)識(shí)長期停留在理論階段，始終沒有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。王健君團(tuán)隊(duì)利用納米顆粒對臨界冰核的邊界效應(yīng)，首次實(shí)驗(yàn)探測到隨機(jī)、瞬間存在的納米臨界冰核，闡明了臨界冰核的形成機(jī)制，驗(yàn)證了經(jīng)典成核理論的普適性（Nature 2019,576,437-441）。通過定向固定抗凍蛋白，選擇性研究能控制冰晶生長的抗凍蛋白不同面對冰晶生長的控制作用，發(fā)現(xiàn)抗凍蛋白具有既親冰又親水的特性（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.,2016,113,14739-14744），進(jìn)一步首次提出控冰材料在冰水界面充分鋪展性是實(shí)現(xiàn)高效控冰性能的分子機(jī)制（Sci. China Chem.2019,62(7),909-915），為控冰材料的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。
制備超低冰黏附防覆冰涂層材料
傳統(tǒng)防覆冰方法具有高能耗、低效率及耐久性差與污染環(huán)境等問題。受自然界中霧凇現(xiàn)象啟發(fā)，王健君在表面引入促進(jìn)冰晶成核的納米顆粒，實(shí)現(xiàn)冰晶形成由氣-液-固到氣-固的轉(zhuǎn)變，發(fā)現(xiàn)冰晶在固體表面具有緊貼表面生長與離開表面生長兩種模式。他通過模仿天然霧凇的疏松型冰晶結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了誘導(dǎo)冰晶離開表面生長的仿霧凇防覆冰涂層表面，在實(shí)現(xiàn)材料持久防冰的同時(shí)具有超低冰粘附效應(yīng)，其使表面附著的冰在微風(fēng)作用下得以脫落（Proc. Natl. Acad. Sci. USA,2017,114,11285-11290）。《Nature》在2017年10月11日的Research Highlights中以“Watching how surface properties affect ice growth”為題亮點(diǎn)報(bào)道了構(gòu)建可控冰晶生長超低冰粘附表面的防冰新策略，指出：“王健君等對于冰晶生長模式的新發(fā)現(xiàn)為防冰材料的設(shè)計(jì)提供了新的思路”。同時(shí)，王健君提出了具有可再生固體層的超低冰粘附防覆冰涂層材料（Adv.Mater.(2017,29,1700865)）。研究成果受Nature Reviews Materials(2017,2,17035)亮點(diǎn)報(bào)道：“王健君等提出的具有可再生固體層材料解決了液體潤滑層耐久性差的問題”。開發(fā)了系列防覆冰涂層，于2021年對貴州、陜西兩地的大型風(fēng)機(jī)進(jìn)行了防覆冰技改，技改的大型風(fēng)機(jī)在2021年冬季每臺(tái)約增發(fā)十萬度電。
創(chuàng)制新型凍存試劑
生物材料的冷凍保存是指將細(xì)胞、組織甚至器官等保存于超低溫狀態(tài)下，使其新陳代謝減慢甚至停止，恢復(fù)正常生理溫度后又能繼續(xù)發(fā)育的技術(shù)。該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞與組織等長期存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程輸運(yùn)的前提，是干細(xì)胞治療、再生醫(yī)學(xué)及組織工程等領(lǐng)域不可或缺的支撐。冷凍保存試劑可以控制保存體系中冰晶的形成，使細(xì)胞和組織等免受冰凍損傷，是冷凍保存的關(guān)鍵物質(zhì)基礎(chǔ)。王健君針對卵母細(xì)胞凍存液中含有大量的、不易除去的具有毒性的二甲基亞砜等小分子，導(dǎo)致凍存后細(xì)胞復(fù)蘇率低、功能大大降低等問題，設(shè)計(jì)制備了系列可生物降解的高分子控冰材料。王健君與北京大學(xué)第三醫(yī)院的生殖醫(yī)學(xué)中心合作，首次研制出二甲基亞砜零含量的新型控冰冷凍保存試劑，實(shí)現(xiàn)凍存后的小鼠卵母細(xì)胞復(fù)蘇率大于99%，線粒體等細(xì)胞器的功能也得以大大提高，研究結(jié)果發(fā)表于Angew.Chem.Int.Ed.,2017,56,11436和J.Am.Chem.Soc.,2017,139,12517等期刊中。創(chuàng)制的新型控冰凍存材料用于細(xì)胞與組織的深低溫冷凍保存，部分新型控冰凍存試劑實(shí)現(xiàn)商品化，部分專利實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)讓。
同時(shí)，王健君作為控冰材料課題的負(fù)責(zé)人參與了北京分子科學(xué)交叉研究平臺(tái)的建設(shè)。北京分子科學(xué)交叉研究平臺(tái)旨在圍繞化學(xué)與生命、化學(xué)與材料、化學(xué)與能源和環(huán)境交叉領(lǐng)域的重大科學(xué)問題、面向國家重大需求，集中力量、重點(diǎn)突破，實(shí)現(xiàn)高端實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與前沿科學(xué)研究的無縫對接和相互發(fā)展。控冰材料課題建設(shè)將為航空、軍事等領(lǐng)域的防覆冰與生物細(xì)胞、組織的冷凍保存提供不可或缺的技術(shù)支持。
