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最浪漫的爱情——科研界“神雕侠侣”段镶锋/黄昱夫妇3年13篇Science/Nature

来源：科学10分钟时间：2022-05-05 09:22:03 浏览：2011次

电子系统与不规则的软物体的保形集成对于许多新兴技术来说是必不可少的。

2022年2月24日，加州大学洛杉矶分校段镶锋和黄昱共同通讯在Science 在线发表题为“Highly stretchable van der Waals thin films for adaptable and breathable electronic membranes”的研究论文，该研究报告了范德华薄膜的设计，该薄膜由具有无键范德华界面的交错二维纳米片组成。

这些薄膜在交错的纳米片之间具有滑动和旋转自由度，以确保机械拉伸性和延展性，以及纳米通道的渗透网络以赋予渗透性和透气性。凭借与软生物组织的出色机械匹配，独立式薄膜可以自然地适应局部表面形貌，并与具有高度共形界面的生物体无缝融合，使生物体具有电子功能，包括叶栅晶体管和皮栅晶体管。 皮肤上的晶体管允许对皮肤电位和电生理信号进行高保真监测和局部放大。

另外，2021年9月17日，加州大学洛杉矶分校段镶锋和黄昱共同通讯在Science 在线发表题为“Silver nanoparticles boost charge-extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells”的研究论文，该研究报告了一种合理的策略，通过引入跨膜和外膜银纳米粒子来显著提高希瓦氏菌 MFC 的电荷提取效率。由此产生的 Shewanella-silver MFC 可提供每平方厘米 3.85 毫安的最大电流密度、每平方厘米 0.66 毫瓦的功率密度和每秒 8.6 ×10⁵ 的单细胞周转频率，这些都远高于迄今为止报告最好的 MFC。此外，混合 MFC 具有出色的燃料利用效率，库仑效率为 81%。总之，Shewanella-金属杂化提供了一种有效途径来打破天然细菌的电子转移限制并突破MFC的极限。

2021年11月17日，加州大学洛杉矶分校段镶锋，Justin R. Caram和黄昱多团队合作在Nature 在线发表题为“Approaching the intrinsic exciton physics limit in two-dimensional semiconductor diodes”的研究论文，该研究通过使用具有最小界面无序的范德华接触，抑制了接触引起的肖克利-雷德-霍尔复合，并在二维半导体二极管中实现了几乎固有的光物理决定的器件性能。总之，该研究表明激子扩散限制模型很好地解释了电荷密度相关的短路光电流，扫描光电流显微镜进一步证实了这一结果。因此，该研究证明了激子扩散和两体激子 - 电荷俄歇复合在 2D 器件中的基本作用，并强调了 2D 半导体的本征光物理可用于创建更高效的光电器件。

2021年3月17日，加州大学洛杉矶分校段镶锋，Duan Xidong和黄昱多团队合作在Nature 在线发表题为“High-order superlattices by rolling up van der Waals heterostructures”的研究论文，该研究报告了一种通过卷起 vdW 异质结构来实现高阶 vdW 超晶格的直接方法。该研究表明，毛细管力驱动的卷起工艺可用于从生长衬底上剥离合成的 SnS2/WSe2 vdW 异质结构，并生产具有 WSe2 和 SnS2 交替单层的 SnS2/WSe2 卷起，从而形成高阶 SnS2 /WSe2 vdW 超晶格。这些超晶格的形成调节电子能带结构和维度，导致传输特性从半导体到金属，从二维到一维 (1D) 的转变，具有与角度相关的线性磁阻。这种策略可以扩展到创建不同的 2D/2D vdW 超晶格、更复杂的 2D/2D/2D vdW 超晶格和超 2D 材料，包括三维 (3D) 薄膜材料和一维纳米线，以生成混合维vdW 超晶格，例如 3D/2D、3D/2D/2D、1D/2D 和 1D/3D/2D vdW 超晶格。这项研究展示了一种生产具有广泛可变材料成分、尺寸、手性和拓扑结构的高阶 vdW 超晶格的通用方法，并为基础研究和技术应用定义了一个丰富的材料平台。

提起段镶锋和黄昱，学术圈称颂他们为纳米材料界的“神雕侠侣”。两人曾为中科大师兄妹，又一起到美国哈佛C.M.Lieber课题组深造。攻博期间就已经在Science/Nature 发表多篇文章。后又同在UCLA执教，攻克了大量纳米材料电子器件及能源领域科研难题。据不完全统计，从2018年起，两人共同已在Science/Nature 正刊发表13篇。

电子系统与不规则的软物体的集成对于许多新兴技术来说越来越重要，包括用于物联网的电子学和用于监测动态生物体以及在个性化医疗和远程医疗背景下诊断和治疗人类疾病的生物电子学。一个强大的生物电子系统需要与生物结构密切交互以执行特定操作，例如生物信号记录、放大和提取，以及提供电或化学刺激。

因此，生物电子学的实施取决于许多不寻常的材料和设备特性，包括电子性能；机械柔韧性、可拉伸性或延展性，以确保具有动态演变的微观表面形貌的适形和适应性界面；生物体与其周围环境之间气体和/或营养交换的渗透性或透气性，以减少对自然生物功能的干扰。

传统的硬电子材料在电导率、机械响应、渗透性和环境适应性方面与软生物组织表现出内在的不匹配。硬质无机半导体可以制成超薄膜形式的柔性，但几乎不可拉伸，并且由于其基本的拓扑限制，不能形成具有非零高斯曲率的不规则几何形状的共形界面。由于内在的微观结构，专门设计的变形容错结构的发展，例如褶皱，弯曲，波浪形或蛇形结构，带来了宏观的拉伸性而不是微观的顺应性波动。有机或复合半导体薄膜可以制成可拉伸或保形的，但通常在典型的潮湿生物环境中表现出不足的电子性能或有限的稳定性。

不可拉伸和可拉伸膜的概念比较（图源自Science ）

此外，传统的无机膜或有机薄膜在超薄独立形式中通常表现出有限的机械稳健性，并且需要聚合物 [例如，聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 和聚酰亚胺 (PI)] 基板支撑来保持结构完整性和特定的多孔结构设计达到透气性。聚合物基板通常比细胞膜（~10 nm）厚得多（≫1 μm），具有大的弯曲刚度和较差的顺应性。

受生物组件中范德华 (VDW) 相互作用的启发，该研究利用这些相互作用将二维 (2D) 纳米片组装成独立的 VDW 薄膜 (VDWTF)，与软生物组织具有出色的机械匹配，可以直接适应并与具有超适形和透气膜-组织界面的生物体融合。VDWTFs 在交错的二维纳米片之间具有无键的 VDW 界面，在相邻纳米片之间打开滑动和旋转自由度以赋予不同寻常的机械柔韧性、可拉伸性和延展性。交错的 VDWTF 还具有渗透性或透气性的纳米通道渗透网络。

参考消息：

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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