匯聚頂尖科研團(tuán)隊，新國大引領(lǐng)全球材料科學(xué)研究

　　材料科學(xué)的突破不斷塑造著人類文明。歷史上，從石器時代到青銅時代，再到鐵器時代，偉大的物質(zhì)勝利定義了整個人類時代。

　　如今，我們對材料有了更深入的了解，但當(dāng)代尚未有一種可定義整個時代的材料，許多富有前景的材料領(lǐng)域還亟需探索。

　　從氣候危機(jī)到量子計算機(jī)，材料學(xué)研究有望在應(yīng)對一些最緊迫的全球危機(jī)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。為了加快這一重要研究領(lǐng)域進(jìn)展，新加坡國立大學(xué)將材料科學(xué)確定為重點(diǎn)研究領(lǐng)域。

　　在這一重點(diǎn)支持下，新加坡國立大學(xué)在材料研究方面達(dá)到世界一流水平，是全球最多產(chǎn)、最杰出的人才匯聚地之一。

　　最近，在2021年6月30日發(fā)表的《自然》增刊“自然指數(shù)–材料科學(xué)”(Nature Index 2021 Materials Science)中，新國大材料科學(xué)研究產(chǎn)出排名世界第七。

　　這一知名增刊考察研究人員重新探索材料性質(zhì)和潛質(zhì)的能力，從而推動制造、藥物開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。新加坡國立大學(xué)是新加坡唯一入圍榜單前十的大學(xué)。

　　下文中，我們將重點(diǎn)介紹幾位新加坡國立大學(xué)工程學(xué)院、理學(xué)院和新國大各研究機(jī)構(gòu)的先驅(qū)科學(xué)家以及他們的創(chuàng)新研究。

　　科思厗厓教授

　　21世紀(jì)最重要的材料科學(xué)研究進(jìn)展之一是世界上首個二維(2D)材料石墨烯的分離。自產(chǎn)生這一突破以來，二維材料研究蓬勃發(fā)展，在光伏、半導(dǎo)體、電極和凈水等領(lǐng)域均取得了開拓性應(yīng)用。

　　科思厗厓爵士教授(Kostya Novoselov)和安德烈·海姆爵士教授(Andre Geim)因發(fā)現(xiàn)二維材料這一巨大成就獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎�？扑紖唴兘淌诂F(xiàn)任新加坡國立大學(xué)工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系陳振傳百年紀(jì)念教授(Tan Chin Tuan Centennial Professor)。他將繼續(xù)探索這一豐富的研究領(lǐng)域。

　　二維材料僅有一個原子的厚度，達(dá)到了材料所及的最薄程度。如今已預(yù)測出大約700種穩(wěn)定的二維材料，還有許多需要合成。在這一廣闊范圍內(nèi)，“不同二維材料具有不同屬性，可以是金屬、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、鐵磁體等，”科思厗厓教授解釋道。

　　這些顯著屬性意味著二維材料可應(yīng)用于許多領(lǐng)域�！拔覀兊亩�維材料正被投入各種應(yīng)用中，包括能源解決方案、復(fù)合材料、可打印電子產(chǎn)品、光電子等，”他談道。

　　更重要的是，科思厗厓教授的最新研究結(jié)合了二維材料和控制生物物質(zhì)的原則，開發(fā)出具有定制特性的新型功能智能材料。這些受到生物學(xué)啟發(fā)的材料可應(yīng)用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、智能膜等領(lǐng)域。

　　Antonio Castro Neto教授

　　原子級薄材料領(lǐng)域的另一位先驅(qū)是新加坡國立大學(xué)先進(jìn)二維材料研究中心(NUS Centre for Advanced 2D Materials，簡稱CA2DM)主任Antonio Castro Neto教授。新國大先進(jìn)二維材料研究中心成立于2010年，主要研究基于石墨烯等二維晶體的變革性技術(shù)的概念、特征、理論建模和發(fā)展。

　　Castro Neto教授是新加坡國立大學(xué)理學(xué)院物理系、新國大工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系杰出教授，兼任工程學(xué)院電機(jī)與電腦工程系教授，也是石墨烯所有領(lǐng)域的專家。他進(jìn)一步描述了二維材料的獨(dú)特優(yōu)勢，“它們具有正常三維材料不具備的物理和化學(xué)特性，例如極端量子行為。這意味著這些材料中的電子行為像波浪而不是粒子�！�

　　這些極端量子行為將產(chǎn)生具有革命性能力的下一代電子元件。石墨烯等二維材料已用于量子計算機(jī)開發(fā)。

　　Castro Neto教授在解釋材料研究的重要性時表示：“新材料是工業(yè)4.0的基礎(chǔ)。納米技術(shù)、生物技術(shù)、量子計算、人工智能、3D打印和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的發(fā)展都需要新材料。這些新材料進(jìn)一步影響到電子工業(yè)、食品、水、環(huán)境、能源等基本領(lǐng)域�！�

　　最近，他帶領(lǐng)團(tuán)隊開發(fā)出一種新型智能材料。這種材料被稱為“二維電解質(zhì)”(2D-electrolytes)，具有二維材料結(jié)構(gòu)，行為卻像電解質(zhì)。它開辟了在體內(nèi)釋放藥物的新方式及其他令人振奮的應(yīng)用。研究成果于2021年5月12日發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)期刊上。

　　Silvija Grade ak-Garaj教授

　　實現(xiàn)綠色能源生產(chǎn)目標(biāo)是許多材料研究領(lǐng)域努力解決的挑戰(zhàn)。新加坡國立大學(xué)工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系Silvija Grade ak-Garaj教授是“應(yīng)用材料-新加坡國立大學(xué)先進(jìn)材料企業(yè)研究室”(Applied Materials – NUS Advanced Materials Corporate Lab)聯(lián)合主任，也是這一領(lǐng)域的先驅(qū)。

　　她通過理解和控制原子尺度材料來開發(fā)能源應(yīng)用的新材料。Silvija Grade ak-Garaj教授談到：“我的總體研究策略是將獨(dú)立納米級物體及其組裝組合成功能性裝置，用于納米電子學(xué)、納米光子學(xué)以及能量收集和轉(zhuǎn)化�！�

　　“在實驗室里，我們設(shè)計了新方法，以便在材料生長時‘觀察’它們，并在生長過程中就地調(diào)整參數(shù)，以控制生成材料的組成、結(jié)構(gòu)、大小和形態(tài)，”她解釋道。她經(jīng)常從零開始設(shè)計并運(yùn)用新方法來研究這些材料在現(xiàn)實條件、溫度或電能等外部刺激下的行為方式。她談到：“我們通過使用特殊顯微鏡，而不是光來研究原子精度材料�！�

　　比如，Grade ak-Garaj教授最近開發(fā)出具有韌性的半透明太陽能電池，將一系列納米級材料結(jié)合起來，提高太陽能電池的效率。這些納米級材料包括吸收陽光并產(chǎn)生電子的納米粒子、高效收集電子的納米線和導(dǎo)電的石墨烯。

　　“這些設(shè)備具有韌性，不像傳統(tǒng)太陽能電池一樣平坦堅硬，因此可用于大型曲面。此外，由于它們是半透明的，甚至可以用在窗戶上，”她談道。

　　她解釋說：“我們研究的最終目標(biāo)是設(shè)計出方法，更有效地利用能源保護(hù)自然資源，應(yīng)對全球變暖相關(guān)挑戰(zhàn)及新加坡等地都市環(huán)境特有的熱島問題�！�

　　劉斌教授

　　劉斌教授(Liu Bin)是新加坡國立大學(xué)副校長(研究與科技)和新加坡國立大學(xué)工程學(xué)院化學(xué)與生物分子工程系主任，研究領(lǐng)域為與光相互作用的材料。劉教授表示：“我們的目標(biāo)是通過開發(fā)高效有機(jī)半導(dǎo)體催化劑，將太陽能轉(zhuǎn)化為清潔易用的能源燃料或增值產(chǎn)品�！�

　　不僅如此，她的研究還側(cè)重于有機(jī)功能材料的設(shè)計和合成及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。她通過納米制劑將有機(jī)分子和聚合物材料引入液態(tài)介質(zhì)，成功探索了有機(jī)分子和聚合物材料在生物應(yīng)用中的巨大潛力。

　　她解釋說：“我們努力實現(xiàn)關(guān)鍵生物過程的可視化，以及使用生物相容有機(jī)材料對某些疾病進(jìn)行非侵入性治療，尤其是有聚集誘導(dǎo)發(fā)光(aggregation-induced emission)特性的疾病。”

　　基于聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料的獨(dú)特特性，她發(fā)明了高度靈敏、獨(dú)特、耐光、具有生物相容性的聚集誘導(dǎo)發(fā)光成像工具。她談到：“針對研究界未被滿足的需求，我們通過新國大衍生企業(yè)LuminiCell將發(fā)明商業(yè)化，有助于解決全球研究人員面臨的復(fù)雜生物成像問題�！�

　　與現(xiàn)有工具相比，LuminiCell將實時細(xì)胞跟蹤的持續(xù)時間延長3倍，亮度提高10倍。通過LuminiCell，研究人員可以對細(xì)胞行為進(jìn)行成像，為癌癥、傳染病、心血管疾病等提供全新的診斷和治療能力。

　　2021年6月8日，劉教授獲得英國皇家化學(xué)學(xué)會百年獎(Royal Society of Chemistry’s Centenary Prize)。她對有機(jī)分子及納米材料的創(chuàng)新設(shè)計和合成研究推進(jìn)了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，并做出了卓越的學(xué)術(shù)傳播貢獻(xiàn)，因而榮獲這一獎項。

　　校長榮譽(yù)助理教授鄭志強(qiáng)

　　生物醫(yī)藥領(lǐng)域依賴新材料的常規(guī)開發(fā)。這一領(lǐng)域的知名創(chuàng)新者是來自新加坡國立大學(xué)工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系的校長榮譽(yù)助理教授鄭志強(qiáng)(Benjamin Tee)。他正在研究可以感知環(huán)境的先進(jìn)智能電子皮膚材料。

　　感知壓力、溫度和濕度這些環(huán)境變化是人類的自然能力，但如今機(jī)器要做到這一點(diǎn)還比較困難。

　　“我們的皮膚天生就很堅韌，能適應(yīng)許多不同的環(huán)境條件。相比之下，大多數(shù)材料沒有這種靈活性，因為許多傳感材料是由脆性元素(如硅或金屬)制成的，”同時在新國大工程學(xué)院電機(jī)與電腦工程系及新國大醫(yī)療健康創(chuàng)新與科技研究院(iHealthtech)任職的鄭志強(qiáng)助理教授解釋道。因此，他正在探索和開發(fā)傳感能力更強(qiáng)的靈活可拉伸新型材料。

　　此外，這些靈活的“電子皮膚”能像真正的皮膚一樣自我愈合。這種自我修復(fù)能力為電子設(shè)備承受損壞提供了新思路�！叭绻�手機(jī)屏幕由自我修復(fù)材料制成，手機(jī)摔到堅硬的人行道上后，破裂的屏幕會神奇地自我愈合，你就不需要冒著泄露數(shù)據(jù)的風(fēng)險去找維修店了，”鄭志強(qiáng)助理教授談道。

　　他對電子皮膚的研究也有助于制造出環(huán)境敏感型假肢設(shè)備。這將減少喪失肢體帶來的幻肢疼痛，假肢裝置也會給人更自然和智能的感覺。“這能幫助患者回歸正常生活，恢復(fù)行動能力和信心，”他表示。

　　鄭志強(qiáng)助理教授最近帶領(lǐng)團(tuán)隊開發(fā)出一種被稱為仿生人工神經(jīng)支配泡沫(artificially innervated foam, 簡稱AiFoam)的新材料。這種材料模擬人類觸覺，無需實際接觸即可感應(yīng)到附近的物體，并能在出現(xiàn)損壞時自我修復(fù)。

　　林水德教授

　　生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的另一位世界級專家是新加坡國立大學(xué)醫(yī)療健康創(chuàng)新與科技研究院院長林水德教授(Lim Chwee Teck)，他也是新加坡國立大學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系的國大協(xié)會講座教授。

　　“眾所周知，癌細(xì)胞能改變其生物特性，變得更易變形，更少附著。這些變化很重要，會導(dǎo)致癌轉(zhuǎn)移、嚴(yán)重病理學(xué)后果甚至最終導(dǎo)致死亡，”林教授談道。

　　因此，他使用微觀和納米力學(xué)工具研究在循環(huán)癌細(xì)胞中發(fā)生這種生物力學(xué)變化的原因和方式，從而更好地了解它們對癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的作用——癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移是患者死亡的主要原因。他希望這項研究不僅有助于設(shè)計出更有效的癌癥檢測和診斷技術(shù)，也能更好地制定抗癌策略。

　　根據(jù)研究結(jié)果，林教授開發(fā)出一種微流體癌癥生物芯片，可以檢測和分離患者血液中的循環(huán)腫瘤細(xì)胞(被稱為液體活檢)。這項技術(shù)已被Biolidics Limited公司商業(yè)化，在美國和中國獲得食品藥品監(jiān)督管理局認(rèn)證，并在全球90多地投入使用。

　　今年，他帶領(lǐng)研究小組開發(fā)出一種技術(shù)，運(yùn)用人工智能分析單個細(xì)胞的pH率來確定細(xì)胞是健康還是癌變。每次癌癥測試可在35分鐘內(nèi)完成，單個細(xì)胞的分類準(zhǔn)確率超過95%。該研究于2021年3月16日首次發(fā)表在《APL生物工程》(APL Bioengineering)期刊上。

　　Gui Bazan教授

　　除了生物醫(yī)學(xué)設(shè)備之外，全球關(guān)注的另一大材料學(xué)主要研究領(lǐng)域就是活性復(fù)合材料。復(fù)合材料由兩種或兩種以上不同類型材料組成，具備單一材料無法提供的物理特性。Gui Bazan教授是新加坡國立大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系教務(wù)長講座教授，負(fù)責(zé)該領(lǐng)域的創(chuàng)新研究。

　　Gui Bazan教授表示：“自從7000多年前人類將稻草或稻殼添加到泥磚中使之更加堅固以來，我們就意識到了復(fù)合材料的存在�！彪m然復(fù)合材料歷史悠久，以生物系統(tǒng)為基本要素的復(fù)合材料卻少之又少。

　　這正是他在這一研究領(lǐng)域首開先河的原因�！拔覀儓F(tuán)隊正在研究含有微生物的活性‘生物復(fù)合物’以及具有金屬特性的聚合物水凝膠基質(zhì)，”他談道。

　　Gui Bazan教授的研究結(jié)合了化學(xué)合成、材料工程、軟電子物質(zhì)和電微生物學(xué)等領(lǐng)域的原理，為促進(jìn)和理解合成元素與微生物群落之間的電子通信奠定了基礎(chǔ)�！盎钚晕⑸�物復(fù)合物為我們提供了利用細(xì)菌非凡多樣性和適應(yīng)性的獨(dú)特機(jī)遇，”他描述道。

　　他進(jìn)一步解釋說，“合適的生物或非生物組合也許能利用細(xì)菌將化學(xué)能(也就是細(xì)菌的食物)轉(zhuǎn)化為電流，達(dá)到其他方式無法企及的水平�！蔽磥�，這項技術(shù)有可能使用廢水作為食物來源，讓細(xì)菌去除有機(jī)污染物，同時為綠色能源產(chǎn)生電力。

　　材料研究不僅是發(fā)展最迅速、成長最快的科學(xué)學(xué)科之一，也是站在現(xiàn)代科技前沿、全面覆蓋21世紀(jì)生活的學(xué)科之一。新加坡國立大學(xué)匯聚頂級研究團(tuán)隊，提供全新研究見解，在這一領(lǐng)域的各個方面開辟新應(yīng)用。最終，新加坡國立大學(xué)的尖端材料研究將在新加坡乃至全球產(chǎn)生深遠(yuǎn)的社會效益。