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最浪漫的愛情——科研界“神雕俠侶”段鑲鋒/黃昱夫婦3年13篇Science/Nature

來源：科學10分鐘時間：2022-05-05 09:22:03 瀏覽：3156次

電子系統與不規則的軟物體的保形集成對于許多新興技術來說是必不可少的。

2022年2月24日，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒和黃昱共同通訊在Science 在線發表題為“Highly stretchable van der Waals thin films for adaptable and breathable electronic membranes”的研究論文，該研究報告了范德華薄膜的設計，該薄膜由具有無鍵范德華界面的交錯二維納米片組成。

這些薄膜在交錯的納米片之間具有滑動和旋轉自由度，以確保機械拉伸性和延展性，以及納米通道的滲透網絡以賦予滲透性和透氣性。憑借與軟生物組織的出色機械匹配，獨立式薄膜可以自然地適應局部表面形貌，并與具有高度共形界面的生物體無縫融合，使生物體具有電子功能，包括葉柵晶體管和皮柵晶體管。 皮膚上的晶體管允許對皮膚電位和電生理信號進行高保真監測和局部放大。

另外，2021年9月17日，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒和黃昱共同通訊在Science 在線發表題為“Silver nanoparticles boost charge-extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells”的研究論文，該研究報告了一種合理的策略，通過引入跨膜和外膜銀納米粒子來顯著提高希瓦氏菌 MFC 的電荷提取效率。由此產生的 Shewanella-silver MFC 可提供每平方厘米 3.85 毫安的最大電流密度、每平方厘米 0.66 毫瓦的功率密度和每秒 8.6 ×10⁵ 的單細胞周轉頻率，這些都遠高于迄今為止報告最好的 MFC。此外，混合 MFC 具有出色的燃料利用效率，庫侖效率為 81%。總之，Shewanella-金屬雜化提供了一種有效途徑來打破天然細菌的電子轉移限制并突破MFC的極限。

2021年11月17日，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒，Justin R. Caram和黃昱多團隊合作在Nature 在線發表題為“Approaching the intrinsic exciton physics limit in two-dimensional semiconductor diodes”的研究論文，該研究通過使用具有最小界面無序的范德華接觸，抑制了接觸引起的肖克利-雷德-霍爾復合，并在二維半導體二極管中實現了幾乎固有的光物理決定的器件性能。總之，該研究表明激子擴散限制模型很好地解釋了電荷密度相關的短路光電流，掃描光電流顯微鏡進一步證實了這一結果。因此，該研究證明了激子擴散和兩體激子 - 電荷俄歇復合在 2D 器件中的基本作用，并強調了 2D 半導體的本征光物理可用于創建更高效的光電器件。

2021年3月17日，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒，Duan Xidong和黃昱多團隊合作在Nature 在線發表題為“High-order superlattices by rolling up van der Waals heterostructures”的研究論文，該研究報告了一種通過卷起 vdW 異質結構來實現高階 vdW 超晶格的直接方法。該研究表明，毛細管力驅動的卷起工藝可用于從生長襯底上剝離合成的 SnS2/WSe2 vdW 異質結構，并生產具有 WSe2 和 SnS2 交替單層的 SnS2/WSe2 卷起，從而形成高階 SnS2 /WSe2 vdW 超晶格。這些超晶格的形成調節電子能帶結構和維度，導致傳輸特性從半導體到金屬，從二維到一維 (1D) 的轉變，具有與角度相關的線性磁阻。這種策略可以擴展到創建不同的 2D/2D vdW 超晶格、更復雜的 2D/2D/2D vdW 超晶格和超 2D 材料，包括三維 (3D) 薄膜材料和一維納米線，以生成混合維vdW 超晶格，例如 3D/2D、3D/2D/2D、1D/2D 和 1D/3D/2D vdW 超晶格。這項研究展示了一種生產具有廣泛可變材料成分、尺寸、手性和拓撲結構的高階 vdW 超晶格的通用方法，并為基礎研究和技術應用定義了一個豐富的材料平臺。

提起段鑲鋒和黃昱，學術圈稱頌他們為納米材料界的“神雕俠侶”。兩人曾為中科大師兄妹，又一起到美國哈佛C.M.Lieber課題組深造。攻博期間就已經在Science/Nature 發表多篇文章。后又同在UCLA執教，攻克了大量納米材料電子器件及能源領域科研難題。據不完全統計，從2018年起，兩人共同已在Science/Nature 正刊發表13篇。

電子系統與不規則的軟物體的集成對于許多新興技術來說越來越重要，包括用于物聯網的電子學和用于監測動態生物體以及在個性化醫療和遠程醫療背景下診斷和治療人類疾病的生物電子學。一個強大的生物電子系統需要與生物結構密切交互以執行特定操作，例如生物信號記錄、放大和提取，以及提供電或化學刺激。

因此，生物電子學的實施取決于許多不尋常的材料和設備特性，包括電子性能；機械柔韌性、可拉伸性或延展性，以確保具有動態演變的微觀表面形貌的適形和適應性界面；生物體與其周圍環境之間氣體和/或營養交換的滲透性或透氣性，以減少對自然生物功能的干擾。

傳統的硬電子材料在電導率、機械響應、滲透性和環境適應性方面與軟生物組織表現出內在的不匹配。硬質無機半導體可以制成超薄膜形式的柔性，但幾乎不可拉伸，并且由于其基本的拓撲限制，不能形成具有非零高斯曲率的不規則幾何形狀的共形界面。由于內在的微觀結構，專門設計的變形容錯結構的發展，例如褶皺，彎曲，波浪形或蛇形結構，帶來了宏觀的拉伸性而不是微觀的順應性波動。有機或復合半導體薄膜可以制成可拉伸或保形的，但通常在典型的潮濕生物環境中表現出不足的電子性能或有限的穩定性。

不可拉伸和可拉伸膜的概念比較（圖源自Science ）

此外，傳統的無機膜或有機薄膜在超薄獨立形式中通常表現出有限的機械穩健性，并且需要聚合物 [例如，聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 和聚酰亞胺 (PI)] 基板支撐來保持結構完整性和特定的多孔結構設計達到透氣性。聚合物基板通常比細胞膜（~10 nm）厚得多（?1 μm），具有大的彎曲剛度和較差的順應性。

受生物組件中范德華 (VDW) 相互作用的啟發，該研究利用這些相互作用將二維 (2D) 納米片組裝成獨立的 VDW 薄膜 (VDWTF)，與軟生物組織具有出色的機械匹配，可以直接適應并與具有超適形和透氣膜-組織界面的生物體融合。VDWTFs 在交錯的二維納米片之間具有無鍵的 VDW 界面，在相鄰納米片之間打開滑動和旋轉自由度以賦予不同尋常的機械柔韌性、可拉伸性和延展性。交錯的 VDWTF 還具有滲透性或透氣性的納米通道滲透網絡。

參考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf3427

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03949-7

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03338-0

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8941

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