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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：2643次

電子系統(tǒng)與不規(guī)則的軟物體的保形集成對于許多新興技術(shù)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(fā)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(shè)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(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)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(jiān)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(fā)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)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(xiàn)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(guān)的短路光電流，掃描光電流顯微鏡進一步證實了這一結(jié)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(diào)了 2D 半導體的本征光物理可用于創(chuàng)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(fā)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(zhì)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高階 vdW 超晶格的直接方法。該研究表明，毛細管力驅(qū)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(zhì)結(jié)構(gòu)，并生產(chǎn)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(diào)節(jié)電子能帶結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變，具有與角度相關(guān)的線性磁阻。這種策略可以擴展到創(chuàng)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(chǎn)具有廣泛可變材料成分、尺寸、手性和拓撲結(jié)構(gòu)的高階 vdW 超晶格的通用方法，并為基礎(chǔ)研究和技術(shù)應用定義了一個豐富的材料平臺。

提起段鑲鋒和黃昱，學術(shù)圈稱頌他們?yōu)榧{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(jīng)在Science/Nature 發(fā)表多篇文章。后又同在UCLA執(zhí)教，攻克了大量納米材料電子器件及能源領(lǐng)域科研難題。據(jù)不完全統(tǒng)計，從2018年起，兩人共同已在Science/Nature 正刊發(fā)表13篇。

電子系統(tǒng)與不規(guī)則的軟物體的集成對于許多新興技術(shù)來說越來越重要，包括用于物聯(lián)網(wǎng)的電子學和用于監(jiān)測動態(tài)生物體以及在個性化醫(yī)療和遠程醫(yī)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(tǒng)需要與生物結(jié)構(gòu)密切交互以執(zhí)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(shè)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(tài)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(huán)境之間氣體和/或營養(yǎng)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(tǒng)的硬電子材料在電導率、機械響應、滲透性和環(huán)境適應性方面與軟生物組織表現(xiàn)出內(nèi)在的不匹配。硬質(zhì)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(guī)則幾何形狀的共形界面。由于內(nèi)在的微觀結(jié)構(gòu)，專門設(shè)計的變形容錯結(jié)構(gòu)的發(fā)展，例如褶皺，彎曲，波浪形或蛇形結(jié)構(gòu)，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(huán)境中表現(xiàn)出不足的電子性能或有限的穩(wěn)定性。

不可拉伸和可拉伸膜的概念比較（圖源自Science ）

此外，傳統(tǒng)的無機膜或有機薄膜在超薄獨立形式中通常表現(xiàn)出有限的機械穩(wěn)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(jié)構(gòu)完整性和特定的多孔結(jié)構(gòu)設(shè)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(fā)，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(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)。

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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