集“五院院士”于一身的神级人物，了解一下！

近期关于Charles M. Lieber教授被起诉，涉嫌隐瞒其在中国参与的研究项目和研究经费的事件不仅成为了热搜，还进一步加剧了中美两国在滚球体育 领域的竞争，并对科学界产生消极影响。而就在不久Charles M. Lieber教授刚刚荣升为五院院士。无独有偶，我国的黄维院士也是这样的神级人物。

科学是神圣的、纯粹的，不应该被其他因素所玷污。而院士是国家所设立的科学技术方面的最高学术称号，作为科研工作者，获得院士称号无疑是从事的研究、实践和教育工作都做出卓越贡献的人士。每个国家院士的选取工作不近相同，但评选要求都格外严格，在这种情况下，集“五院院士”于一身的神级人物Charles M. Lieber院士、黄维院士的研究我们怎么能错过欣赏一下。

Charles M.Lieber

国际著名纳米科学家，化学领域全球顶尖化学家。美国艺术与科学院院士、美国国家科学院院士、中国科学院外籍院士、美国国家医学院院士、美国国家工程院院士。其中杨培东 、戴宏杰、张忠菊、段镶锋、崔屹等优秀的华人科学家都曾是他的学生。在Nature（9篇）、Science（10篇）等国际顶尖期刊上已发表论文500余篇，在纳米科学技术领域的研究工作在国际上有着重要的开拓和领军作用，其中论文共被他引100000余次，h-index高达147。2001-2010年全球顶尖一百科学家榜单中，Charles M. Lieber名列第一。

研究领域：

原子力显微镜、隧道扫描电镜对纳米材料的研究，

纳米线可控合成，

纳米线自组装，

纳米材料生物应用（目前集中在纳米生物电子学、脑科学等）

主要贡献

国际上最早开始纳米线的研究，开创性的建立了多种合成及控制一维纳米结构的方法；

开创性地通过微流控方法实现了纳米材料的大规模自组装，该工作被science评为当年的科研重大突破之一；

开创了多种纳米材料的合成和物理性质表征，发展了纳米线的分级组装方法，并将这些材料在纳米电子学、纳米计算、生物化学传感器、神经生物学和纳光子学等领域作了示范性的应用；

近期工作进展

超尺度Ge/Si核壳纳米线中一维空穴气体的高透明接触

半导体-超导体混合系统在新兴的高性能纳米电子和量子器件方面具有突出的潜力。然而，他们成功应用的关键是制造高质量和可再生的半导体-超导体界面。在这里，法国格勒诺布尔高等学院Olivier Buisson教授联合Charles M. Lieber教授等人实现并测量了轴向具有原子精确界面的Al-Ge-Al纳米线异质结构，由超薄外延Si层包裹，进一步表示为Al-Ge/Si- AI纳米线异质结构。该异质结构是由单晶Ge/Si核壳纳米线和铝的热诱导交换反应合成的。应用这种异质结构，使自对准准一维晶体铝引线接触超尺度Ge/Si片的接触透明度大于96%。集成到后置门控场效应器件和超越平版印刷限制的持续扩展，能够充分利用Ge-Si界面上的1D孔气体的高度透明接点的潜力，这导致了对弹道输运以及量子限制效应的观察。低温测量揭示了Ge/Si核壳纳米线的近似诱导超导性，约瑟夫森场效应晶体管的实现能够研究由多次安德烈夫反射引起的子隙结构。最重要的是，量子点体系的缺失表明，从高度透明的接触到一维空穴气体，存在着一个硬的超导缺口，这可能对Majorana零模式的研究很有意义。利用异结构形成技术，可以为量子计算的关键部件如量子门或透射量子比特的发展做出贡献。相关研究以“Highly Transparent Contacts to the 1D Hole Gas in Ultrascaled Ge/Si Core/Shell Nanowires”为题目，发表在ACS NANO上。

文献链接：DOI: 10.1021/acsnano.9b06809

图1轴向Al-Ge-Al NW异质结构示意图及SEM、STEM图像

用于细胞内记录的可伸缩的超细三维纳米线晶体管探针

细胞内电生理学的新工具，在降低侵入性的同时，突破了时空分辨率的限制，可以对组织中的电原细胞及其网络提供更深入的了解，并推动人类与机器的界面的进展。尽管在开发用于细胞内探针的纳米设备方面取得了重大进展，但目前的方法在设备可伸缩性和记录振幅之间存在权衡。Charles M. Lieber教授等人通过结合确定形状控制的纳米线转移和空间定义的半导体到金属的转换来解决这一难题，从而实现可伸缩的纳米线场效应晶体管探针阵列，具有可控的尖端几何形状和传感器大小，能够记录来自主要神经元的高达100 mV的细胞内动作电位。对神经元和心肌细胞的系统研究表明，控制设备的曲率和传感器的大小是实现细胞内高振幅记录的关键。此外，这种设备的设计允许从单个细胞和细胞网络的多路记录，并可能在未来研究动态的大脑和其他组织。相关研究以“Scalable ultrasmall three-dimensional nanowire transistor probes for intracellular recording”为题目，发表在Nature Nanotechnology上。

文献链接：DOI: 10.1038/s41565-019-0478-y

图2 超细U-NWFET探针作为电生理学的一种新方法

仿生类神经元电子

作为功能性生物材料的重要应用，神经探针为研究大脑做出了重要贡献。尽管前几代探针与其神经元靶标在结构和机械方面存在差异，导致神经元丢失，神经炎性反应和测量不稳定，但生物启发和仿生策略已开始应用于神经探针的开发。哈佛大学的Charles M. Lieber等人介绍了一种针对神经探针的生物启发性设计-类神经元电子（NeuE）-其中的关键构件模拟了神经元的亚细胞结构特征和机械特性。植入的NeuE-脑接口的完整三维映射突出了NeuE和神经元的结构不可区分性和紧密的互穿性。时间依赖性的组织学和电生理学研究进一步揭示了植入后不久与神经元和神经胶质网络的结构和功能稳定的接口，从而为下一代脑机接口提供了机会。NeuE亚细胞结构特征显示出促进内源性神经祖细胞的迁移，从而有望成为无移植再生医学的电活性平台。相关研究以“Bioinspired neuron-like electronics”为题目，发表在Nature Materials

文献链接：10.1038/s41563-019-0292-9

图3 Neue的设计与表征，以及其神经界面的三维映射

Ge/Si纳米线中形成的栅极调谐空穴电荷量子与微波光子的耦合

可控和一致的光物质界面是可扩展量子信息处理器的基本要素。在各种电子量子点系统中已经实现了与内腔的强耦合，但在空穴系统中很少进行探索。在这里，Charles M. Lieber教授演示了一种混合结构，包括微波传输线、可控耦合到Ge/Si纳米线(NW)中的空穴电荷量子位的谐振器。这种天然的一维空穴气体，具有很强的自旋-轨道相互作用(SOI)，并且缺乏核自旋散射，可能使电子方式快速自旋操作和长相干时间成为可能。电荷量子位建立在一个由局部电门定义的双量子点上。量子位跃迁能独立调谐电化学电位差和隧道相邻点之间的耦合,打开横向(σx)和纵向(σz)自由度量子位操作和交互。当量子位元能量扫过光子能级时，与谐振器的耦合就会被打开和关闭，这是由谐振器透射光谱检测到的。这一结果为今后Ge/Si纳米线中相干空穴-光子相互作用的研究提供了启示。相关研究以“Gate Tunable Hole Charge Qubit Formed in a Ge/Si Nanowire Double Quantum Dot Coupled to Microwave Photons”为题目，发表在Nano Letters上。

文献链接：DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b04343

图4 纳米线-谐振器混合装置

可注射电子器件的一维和二维网状设计

独特的结构和机械性能的注射器网状电子技术，使无缝组织整合和稳定的长期记录同一神经元的活动。在这里，哈佛大学Charles M. Lieber等报告了一系列结构和机械网状电子设计变化的研究，这些变化允许使用比先前报道的至少小4倍的针进行注射，以最小化减少电子在软物质和组织中的注射足迹。新型超柔韧性二维（2D）和一维（1D）探针的特性表明，可通过内径小至100μm的针头以可减小的注射量，实现可重复注射的网状电子设计。体外水凝胶和体内小鼠大脑研究表明，经过缩小直径的针头移植后，超弹性2D和1D探针在注射后仍保持其结构完整性和构象。此外，对注射后网格横截面变化的分析表明，随着针径的减小，组织的变形和松弛程度减小。通过更小直径的针头，可以实现网状电子探针的合理设计，这一能力将为基础和转化研究中电子与组织和软物质的整合开辟新的机会。相关研究以“Advanced One- and Two-Dimensional Mesh Designs for InjectableElectronics”为题目，发表在Nano Letters上。

文献链接：DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01727

图5 分析和制造先进的网状电子设计

黄维

中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院院士，我国有机电子学科和柔性电子学科的奠基人与开拓者，在构建有机光电子学科的理论体系框架、实现有机半导体的高性能化与多功能化、推进滚球体育 成果转化与战略性新兴产业方面做了大量富有开拓性、创新性和系统性的研究工作。在Nature、Nature Materials、Nature Photonics、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society等SCI学术期刊发表研究论文千余篇，H因子为117，同行引用逾60000余次。

研究领域：

有机光电、纳米光电、生物电子、先进能源材料与器件

主要贡献：

培养了包括4名中国教育部“长江学者”特聘教授、5名中国国家“杰出青年科学基金获得者”、5名中国“973”首席科学家、4名中国国家“优秀青年科学基金获得者”和12名中国教育部“新世纪优秀人才”等

金属有机半导体的结构设计、性能调控与光电应用”项目荣获2018年度国家自然科学奖二等奖

基于“高效钙钛矿发光器件研究”项目入选2016年度“中国高等学校十大滚球体育 进展”

基于 “有机半导体的设计原理、高效制备与光电器件”项目获2014年度国家自然科学奖二等奖。

近期工作进展

高效稳定层状钙钛矿太阳能电池

与传统的三维（3D）卤化物钙钛矿太阳能电池材料相比，二维Ruddlesden–Popper（2DRP）层状钙钛矿具有更好的光稳定性和环境稳定性。然而，对于体积庞大的烷基化合物与2DRP钙钛矿骨架之间的相互作用，仍存在一些基本问题。黄维院士团队、陈永华教授等人实验研究和理论模拟相结合，通过创新性地引入一种含S原子的有机胺，通过S元素之间的相互作用实现层间相互作用有效调控，探究了其对2DRP层状钙钛矿薄膜结晶动力学、稳定性、以及电荷传输特性的影响规律，构建了高效稳定的2DRP层状钙钛矿太阳能电池。该电池具有18.06%高功率转换效率，同时具有1512h的耐湿性(70%湿度条件下), 375h(85°C)的热稳定性和连续光应力下的稳定性。相关研究以“Efficient and stable Ruddlesden-Popper perovskite solar cell with tailored interlayer molecular interaction”为题目，发表在Nature Photonics上。

文献链接：DOI: 10.1038/S41566-019-0572-6

图6 2DRP钙钛矿的晶体结构和DFT计算

钙钛矿二极管实现双向光信号传输

将光信号的产生和接收集成到一个设备中，从而允许在两个相同的设备之间进行双向光信号传输，这对于开发小型化和集成的光电子设备是有价值的。然而，传统的可溶解可加工半导体有其固有的材料和设计限制，使其无法用于制造高性能的半导体器件。瑞典林雪平大学高峰、深圳大学张文静和黄维院士等人报道了一种能够同时在发光和检测模式下工作的溶液处理钙钛矿基二极管。该器件可以通过改变偏置方向在不同模式之间切换，并且它显示出光发射，外部量子效率超过21%，两种功能的运行速度都可以达到几十兆赫。得益于钙钛矿的小斯托克斯位移，我们的二极管在峰值发射(约804nm)时表现出高的比灵敏度(大于2×10¹²Jones)，这使得两个相同的二极管之间可以进行光信号交换。为了说明双功能二极管的潜力，它可以用来创建一个单片脉冲传感器和双向光通信系统。相关研究以“Bidirectional optical signal transmission between two identical devices using perovskite diodes”为题目，发表在Nature Electronics 上。

文献链接：DOI: 10.1038/s41928-020-0382-3

图7 双功能钙钛矿二极管用作发光和检测设备的原理图

金属夹层气凝胶混合材料使智能传感器具有柔韧性和延展性

随着柔性应变传感器在人机界面、软式机器人、医疗监护等领域的快速发展，柔性应变传感器得到了广泛的研究。黄维教授等人报道了一种新的金属气凝胶混合材料的原位催化策略，它是由氮化钒(VN)纳米片与具有良好定义的垂直排列的碳纳米管阵列组合而成(VN/CNTs)。在这种结构中，以二维VN纳米片为主要骨结构的柔性器件在重复变形过程中具有良好的结构相容性。此外，夹层气凝胶杂化体形成高导电性的三维网络，对应变响应行为具有突出的敏感性。此外,基于VN/CNTs的柔性应变传感器，在10%的小应变范围内，其测量系数高达386，响应速度快，且具有非凡的耐久性。另外，介绍了物理信号的监测和基于传感器的实时人机控制系统。相关研究以“Metallic Sandwiched-Aerogel Hybrids Enabling Flexible and Stretchable Intelligent Sensor”为题目，发表在Naono Letters上。

文献链接：DOI: 10.1021/ACS.NANOLETT.0C00372

图8 VN/CNTs应变传感器在手指运动检测中的应用

局域电子为超快电化学储能增强离子传输

电化学储能的速率决定过程在很大程度上是由电极材料中的离子输运决定的。离子迁移率的提高除了缩短离子扩散距离外，对离子迁移率的提高也起着至关重要的作用。黄维教授团队联合新加坡国立大学Xiaogang Liu教授通过理论计算和分析表明，固有缺陷可以引起高度局域电子，离子的迁移势垒明显减小。提出了一种局域电子增强离子输运机制，以促进超快储能的离子迁移率。实验结果一致表明，这一机制使Li/Na离子扩散率提高了两个数量级。在10 mg cm⁻²的高质量负载和10 C的高速率下，可获得高达190 mAh g⁻¹的可逆能量存储能力，这比同等尺寸的商业晶体可达到的存储能力大10倍。相关研究以“Localized Electrons Enhanced Ion Transport for Ultrafast Electrochemical Energy Storage”为题目，发表在AM上。

文献链接：DOI: 10.1002/ADMA.201905578

图9增强离子输运的力学解释

一种多组分共聚物的超长有机室温磷光

显示可调发射和长寿命发光的功能材料近年来已成为信息加密、有机电子和生物电子领域的有力工具。在此，我们提出了一种设计策略，通过自由基多组分交联共聚来实现聚合物中的超长有机室温磷光(UOP)。实验表明，在环境条件下，通过改变激发波长从254到370 nm，这些聚合物显示出从蓝色到黄色的多色发光，寿命长1.2 s，最大磷光量子产率为37.5%。此外，还探讨了基于UOP的这些聚合物在基于颜色可调的多级信息加密中的应用。这一策略为开发多色生物标签和在室温下长寿命发光的智能发光材料奠定了基础。相关研究以“Color-tunable ultralong organic room temperature phosphorescence from a multicomponent copolymer”为题目，发表在Nature Communications上。

文献链接：DOI: 10.1038/s41467-020-14792-1

图10 颜色可调UOP多组分共聚物

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