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人物介紹

4篇Nature/Science正刊+9篇NS子刊！“諾獎風(fēng)向標(biāo)”引文桂冠獎得主鮑哲南教授2022年成果精選

鮑哲南教授，斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系教授，首位在斯坦福大學(xué)擔(dān)任院長的華人女性。1970年出生于中國江蘇省南京市，1993年和1995年分別獲得美國芝加哥大學(xué)碩士和博士學(xué)位，現(xiàn)為美國斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系主任。2016年，鮑哲南教授當(dāng)選美國國家工程院院士，2017年當(dāng)選美國國家發(fā)明家學(xué)會會士，2021年當(dāng)選中國科學(xué)院外籍院士、美國藝術(shù)與科學(xué)院院士，2022年獲號稱“諾獎風(fēng)向標(biāo)”的引文桂冠獎，成為諾貝爾獎的熱門人選。

鮑哲南教授作為有機(jī)電子材料和器件領(lǐng)域的著名學(xué)者，其研究成果為柔性電子技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時，鮑哲南教授和崔屹教授合作，在鋰電池等能源領(lǐng)域也有突出的成就。迄今為止，鮑哲南教授已發(fā)表了700多篇研究論文，授權(quán)130多項(xiàng)美國專利，其谷歌學(xué)術(shù)H指數(shù)>198。

2022年，鮑哲南教授在電子皮膚等聚合物設(shè)計(jì)和能源儲存等方面共發(fā)表40篇文章，其中包括4篇nature/science正刊，9篇nature/science子刊，5篇JACS等，被引用10000+。

課題組主頁：https://baogroup.stanford.edu/people

接下來小編從電子皮膚等聚合物設(shè)計(jì)和鋰電池等能源領(lǐng)域兩個方面重新回顧一下過去一年鮑老師的工作，希望每一位讀者都能有所收獲，以鮑老師為榜樣，在新的一年里自己科研水平一路向前沖！

一、電子皮膚等聚合物設(shè)計(jì)

1. Nature：高亮度全聚合物可拉伸LED最新設(shè)計(jì)

用于皮膚的下一代發(fā)光顯示應(yīng)該同時具備柔性、可拉伸性和明亮性，此前報道的可拉伸發(fā)光器件大多基于無機(jī)納米材料，如發(fā)光電容、量子點(diǎn)或鈣鈦礦，但其局限性在于：1）需要在高工作電壓下工作；2）在應(yīng)變下的拉伸性和亮度、分辨率有限。另一方面，本征可拉伸聚合物材料具有良好的應(yīng)變耐受性，然而實(shí)現(xiàn)高亮度仍然是本征性發(fā)光二極管面臨的一大挑戰(zhàn)。

在此，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授等人報告了一種具有7450 cd/cm²的高亮度，5.3 cd/A的電流效率和100%應(yīng)變拉伸性的全聚合物發(fā)光二極管（APLED）。本文制造可拉伸的全聚合物發(fā)光二極管，顏色為紅色，綠色和藍(lán)色，實(shí)現(xiàn)了皮膚無線供電和脈沖信號的實(shí)時顯示，這項(xiàng)工作也標(biāo)志著高性能可拉伸顯示器的跨越式進(jìn)步。相關(guān)論文以“High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilution”為題發(fā)表在Nature。

對于實(shí)際應(yīng)用，基于可拉伸APLED附著在人體皮膚上時需要長時間發(fā)揮作用的需求，本文發(fā)光二極管與一種柔性的無線能量收集系統(tǒng)搭配，可以在約9 V的低電壓下連續(xù)為可拉伸APLED供電，其能夠根據(jù)人類心跳的測量頻率，通過反復(fù)眨眼來指示實(shí)時脈沖信號。總之，通過合理的材料工程和優(yōu)化的器件制造，作者實(shí)現(xiàn)了可拉伸和高效的APLED。

High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilution，Nature, 2022, https://doi.org/10.1038/s41586-022-04400-1

2. Nature：一種用于大腦和腸道的組織模擬遞質(zhì)傳感器

神經(jīng)遞質(zhì)在調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周（包括胃腸道）的神經(jīng)回路動力學(xué)方面起著至關(guān)重要的作用，對其實(shí)行實(shí)時監(jiān)測將為了解神經(jīng)功能和診斷疾病提供極其關(guān)鍵的信息。然而，尚未開發(fā)合適的適合用于監(jiān)測體內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)動力學(xué)的生物電子工具，特別是在腸道神經(jīng)系統(tǒng)中，這主要受限于能夠檢查柔軟、復(fù)雜和活躍移動的器官的生物傳感工具極其稀少。

在此，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授和陳曉科等人通過將金屬絡(luò)合聚酰亞胺的激光圖案制成嵌入在彈性體中的相互連接的石墨烯/納米顆粒網(wǎng)絡(luò)中，從而引入了一種名為NeuroString的模擬組織的電化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了在神經(jīng)化學(xué)生物界面的可拉伸。NeuroString傳感器能夠在小鼠的大腦中進(jìn)行慢性體內(nèi)實(shí)時，多通道和多路復(fù)用單胺傳感，以及測量腸道中的血清素動力學(xué)，而不會受到不必要的刺激和擾動的蠕動運(yùn)動。所描述的彈性和順應(yīng)的生物傳感界面在研究神經(jīng)遞質(zhì)對腸道微生物、腦-腸道通訊具有廣泛的潛力，并可能最終擴(kuò)展到全身其他軟器官中的生物分子傳感中。

相關(guān)論文以“A tissue-like neurotransmitter sensor for the brain and gut”為題發(fā)表在Nature。

A tissue-like neurotransmitter sensor for the brain and gut，Nature, 2022, https://doi.org/10.1038/s41586-022-04615-2

3. Nature Biomedical Engineering：具有本體感覺反饋的低功率可拉伸神經(jīng)形態(tài)神經(jīng)

通過將神經(jīng)信號從運(yùn)動皮層傳遞到肌肉，神經(jīng)康復(fù)裝置可以增強(qiáng)肢體的運(yùn)動，但神經(jīng)由于影響脊髓或下運(yùn)動神經(jīng)元的損傷而受損。然而，傳統(tǒng)的神經(jīng)假肢裝置是剛性的和耗電的。在此，韓國首爾國立大學(xué)Tae-Woo Lee教授和美國斯坦福大學(xué)鮑哲南教授等人報告了一種可拉伸的神經(jīng)形態(tài)植入物，它可以恢復(fù)患有神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)動障礙的小鼠腿部的協(xié)調(diào)和平滑運(yùn)動，使動物能夠踢球，走路或跑步。

神經(jīng)形態(tài)植入物通過從興奮性突觸后信號產(chǎn)生電生理信號，并提供本體感覺反饋來充當(dāng)人工傳出神經(jīng)。該器件以低功耗運(yùn)行（~典型微處理器系統(tǒng)的1/150）和由水凝膠電極組成，該電極連接到包含有機(jī)半導(dǎo)體納米線（充當(dāng)人工突觸）的可拉伸晶體管，通過離子凝膠連接到包含碳納米管應(yīng)變傳感器（充當(dāng)人造肌肉主軸）的人工本體感受器。具有本體感覺反饋的可拉伸電子設(shè)備可能會激發(fā)用于神經(jīng)康復(fù)的先進(jìn)神經(jīng)形態(tài)設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展。

相關(guān)論文以“A low-power stretchable neuromorphic nerve with proprioceptive feedback”為題發(fā)表在Nature Biomedical Engineering。

A low-power stretchable neuromorphic nerve with proprioceptive feedback，Nature Biomedical Engineering, 2022, https://doi.org/10.1038/s41551-022-00918-x

4. Nature Nanotechnology：使用非拉伸聚合物半導(dǎo)體和導(dǎo)體的硬界面驅(qū)動可拉伸電子產(chǎn)品

半導(dǎo)體聚合物薄膜是可穿戴和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中柔性電子產(chǎn)品的基本組成部分，然而高遷移率半導(dǎo)體聚合物通常伴隨著易碎，即使在小應(yīng)變下也很容易斷裂（<10%）。最近，報道了通過分子設(shè)計(jì)和納米限域，使半導(dǎo)體聚合物薄膜的固有機(jī)械性能得到明顯改善。

在此，美國斯坦福大學(xué)鮑哲南教授和加州大學(xué)洛杉磯分校金麗華教授等人證實(shí)了工程化半導(dǎo)體薄膜和基板之間的界面特性，可以明顯延遲薄膜中的微裂紋形成。本文提出了一種通用的設(shè)計(jì)策略，在半導(dǎo)體薄膜和襯底之間通過動態(tài)非共價交聯(lián)形成一個耗散界面聚合物層，從而使得層之間的界面韌性很高，抑制分層和應(yīng)變離域。因此，裂紋的生成和擴(kuò)展明顯延遲到更高的應(yīng)變。

相關(guān)論文以“Tough-interface-enabled stretchable electronics using non-stretchable polymer semiconductors and conductors”為題發(fā)表在Nature Nanotechnology。

具體而言，高遷移率半導(dǎo)體聚合物薄膜的裂紋起始應(yīng)變從30%提高到110%，沒有任何明顯的微裂紋。盡管卸載后塑料半導(dǎo)體薄膜和彈性襯底之間存在很大的應(yīng)變不匹配，但堅(jiān)韌的界面層有助于保持粘合和出色的循環(huán)耐久性和堅(jiān)固性。此外，界面層有助于減少不同層之間熱膨脹系數(shù)的不匹配，這種方法可以改善各種半導(dǎo)體聚合物、導(dǎo)電聚合物甚至金屬薄膜的開裂應(yīng)變。

Tough-interface-enabled stretchable electronics using non-stretchable polymer semiconductors and conductors, 2022, https://doi.org/10.1038/s41565-022-01246-6

5. Nature Biotechnology：智能繃帶助力傷口護(hù)理和加速愈合

基于多模態(tài)可穿戴設(shè)備的“智能”繃帶，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時生理監(jiān)測和積極干預(yù)，以促進(jìn)慢性傷口的愈合。然而，當(dāng)前的智能繃帶技術(shù)整合到傳感器和刺激器方面發(fā)展能力有限。同時，雖然電極對于可靠的信號傳導(dǎo)至關(guān)重要，但現(xiàn)有粘性敷料的分離會導(dǎo)致傷口組織在沒有可切換粘附的情況下發(fā)生二次損傷。

在次，美國斯坦福大學(xué)鮑哲南教授等人通過開發(fā)一種柔性的生物電子系統(tǒng)來克服這些問題，該系統(tǒng)由無線供電的閉環(huán)傳感和刺激電路，以及能夠按需粘附和分離的皮膚水凝膠電極組成。相關(guān)論文以“Wireless, closed-loop, smart bandage with integrated sensors and stimulators for advanced wound care and accelerated healing”為題發(fā)表在Nature biotechnology。

在小鼠實(shí)驗(yàn)中，本文提出的傷口護(hù)理系統(tǒng)可以連續(xù)監(jiān)測皮膚阻抗和溫度，并根據(jù)傷口環(huán)境提供電刺激。在臨床前傷口模型中，與對照組相比，治療組愈合速度提高了~25%，皮膚重塑提高了~50%。此外，觀察到單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞群中促生殖基因的激活，這可能會增強(qiáng)組織再生，新生血管形成和皮膚恢復(fù)。

Wireless, closed-loop, smart bandage with integrated sensors and stimulators for advanced wound care and accelerated healing, 2022, https://doi.org/10.1038/s41587-022-01528-3

6. Nature electronics：基于元學(xué)習(xí)的無襯底納米網(wǎng)實(shí)現(xiàn)手部任務(wù)識別

在機(jī)器學(xué)習(xí)的協(xié)助下，電子設(shè)備（包括電子手套和電子皮膚）可以跟蹤人和手的運(yùn)動并執(zhí)行其相應(yīng)指令。然而，這種裝置仍然體積巨大，缺乏適應(yīng)身體彎曲的能力。同時，現(xiàn)有的信號處理模型需要大量的標(biāo)記數(shù)據(jù)來識別每個用戶的不同任務(wù)。

在此，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授，韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）Sungho Jo教授和韓國首爾國立大學(xué)Seung Hwan Ko教授等人報道了一種納米網(wǎng)格人工機(jī)械感受器，其與無監(jiān)督元學(xué)習(xí)方案集成在一起，可用于數(shù)據(jù)高效、獨(dú)立于用戶的不同手部任務(wù)的識別。同時，納米網(wǎng)使用生物相容性材料，無需外部材料即可直接打印到皮膚上，從而提高用戶舒適度并增加其靈敏度。同時，單個納米網(wǎng)格可以同時測量來自多個關(guān)節(jié)的手指運(yùn)動，提供一種簡單的和低計(jì)算成本的策略。此外，還開發(fā)了一種隨時間變化的對比學(xué)習(xí)算法，可以區(qū)分不同的未標(biāo)記的運(yùn)動信號。然后，這些元學(xué)習(xí)的信息用于快速適應(yīng)各種用戶和任務(wù)，其中包括命令識別、鍵盤打字和對象識別。

相關(guān)論文以“A substrate-less nanomesh receptor with meta-learning for rapid hand task recognition”為題發(fā)表在Nature electronics。

通過這種方式，可以使用單個傳感器，解碼復(fù)雜的本體感受信號，而無需多傳感陣列。多關(guān)節(jié)本體感受信息可以從低維數(shù)據(jù)重建，減少學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算處理時間。當(dāng)執(zhí)行不同的任務(wù)時，來自各種關(guān)節(jié)運(yùn)動的信號模式使用放置在手腕上的附加無線模塊進(jìn)行傳輸。

A substrate-less nanomesh receptor with meta-learning for rapid hand task recognition, 2022, https://doi.org/10.1038/s41928-022-00888-7

7. Science：拓?fù)涑肿泳W(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性、可拉伸的有機(jī)電子皮膚

基于柔性和導(dǎo)電有機(jī)材料的本征可拉伸生物電子設(shè)備，被認(rèn)為是與人體和生物相容的理想界面，但如何將機(jī)械強(qiáng)度好的材料與良好的導(dǎo)電材料相結(jié)合，尤其是在小特征尺寸下時，這一直是發(fā)展過程中遇到的挑戰(zhàn)。

在此，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授等人開發(fā)了一種基于拓?fù)涑肿泳W(wǎng)絡(luò)的分子工程策略，允許將來自多個分子構(gòu)建塊的競爭效應(yīng)解耦，以滿足其復(fù)雜結(jié)構(gòu)的需求。同時，在生理環(huán)境中同時獲得了高電導(dǎo)率和開裂應(yīng)變，具有低至細(xì)胞規(guī)模的直接光模式化。進(jìn)一步收集柔性和可塑性章魚的穩(wěn)定肌電圖信號，并進(jìn)行了精確到單核的局部神經(jīng)調(diào)節(jié)，以通過脆弱的腦干控制器官特異性活動。相關(guān)論文以“Topological supramolecular network enabled high-conductivity, stretchable organic bioelectronics”為題發(fā)表在Science。

作者系統(tǒng)地將聚輪烷引入到由導(dǎo)電聚合物制成的軟導(dǎo)電膜中，聚輪烷由一個聚乙二醇（PEG）主鏈和環(huán)糊精組成，由聚乙二醇-甲基丙烯酸酯側(cè)鏈連接。重點(diǎn)在于：環(huán)糊精可以沿著鏈來回滑動，從而阻止聚乙二醇的結(jié)晶，并提供更好的拉伸性。混合聚合物可以被光標(biāo)記到兩微米的特征尺寸，并表現(xiàn)出增強(qiáng)的電導(dǎo)率，使其適合于表面安裝和植入的生物電子器件。

Topological supramolecular network enabled high-conductivity, stretchable organic bioelectronics, 2022, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj7564

8. Science Advances：一種用于實(shí)時監(jiān)測腫瘤消退的柔性電子應(yīng)變傳感器

評估癌癥療效在小鼠模型中的療效是治療開發(fā)的關(guān)鍵步驟。然而，低分辨率測量工具和小樣本量使得確定藥物在體內(nèi)的療效成為一項(xiàng)困難且耗時的任務(wù)。

在此，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授等人提出了一種商業(yè)可擴(kuò)展的可穿戴電子應(yīng)變傳感器，通過在分鐘時間尺度上連續(xù)監(jiān)測皮下植入腫瘤的微米級進(jìn)展或消退，自動進(jìn)行癌癥治療的體內(nèi)測試。結(jié)果表明，在兩個體內(nèi)癌癥小鼠模型中，本文的傳感器在治療開始后5小時內(nèi)識別出藥物治療和載體治療的腫瘤之間的腫瘤體積動力學(xué)差異。通過組織學(xué)驗(yàn)證，在一周的治療期間進(jìn)行的生物發(fā)光測量證明了與長期治療反應(yīng)的相關(guān)性，本文的實(shí)時腫瘤回歸數(shù)據(jù)集可以幫助加快和自動化體內(nèi)癌癥治療篩查過程。

相關(guān)論文以“A flexible electronic strain sensor forthe real-time monitoring of tumor regression”為題發(fā)表在Science Advances。

A flexible electronic strain sensor forthe real-time monitoring of tumor regression, 2022, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn6550

二、鋰電池等能源領(lǐng)域

1. Nature Energy：氟化調(diào)控實(shí)現(xiàn)高性能鋰金屬電池

電解液工程對于改善鋰金屬電池和無負(fù)極電池循環(huán)穩(wěn)定性至關(guān)重要，使用弱溶劑能夠提高鋰金屬的穩(wěn)定性。然而溶劑化不足會導(dǎo)致離子團(tuán)聚、離子運(yùn)動不佳和鹽溶解度低，從而導(dǎo)致離子電導(dǎo)率低。因此，具有微調(diào)溶劑化能力的溶劑是同時實(shí)現(xiàn)鋰金屬電解液的循環(huán)性、氧化穩(wěn)定性和離子電導(dǎo)率所必需的。

在此，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授、崔屹教授和秦健助理教授等人系統(tǒng)地研究了一種能夠大規(guī)模合成的氟化-1,2-二乙氧基乙烷（氟化-DEE）分子，用作電解液溶劑。其中，1,2-二乙氧基乙烷（DEE）通過迭代調(diào)整與不同數(shù)量的氟（F）原子官能化，以達(dá)到氧化穩(wěn)定性和離子傳導(dǎo)之間的平衡。通過鋰溶劑結(jié)合能和幾何形狀，溶劑化環(huán)境、核磁共振、分子動力學(xué)模擬和擴(kuò)散有序波譜（DOSY），全面表征了與1.2 M LiFSI配合使用，氟化DEE基單鹽單溶劑電解液，并且發(fā)現(xiàn)電池（離子電導(dǎo)率和電池過電位）彼此緊密相關(guān)。

研究表明，部分氟化中-CHF₂基團(tuán)比完全氟化-CF₃的離子電導(dǎo)率更高，性能最佳的F4DEE和 F5DEE溶劑都含有-CHF₂。除了高離子電導(dǎo)率和低而穩(wěn)定的過電位外，它們還實(shí)現(xiàn)了大約99.9%的庫倫效率，鋁（Al）腐蝕也由于來自適量的氟化產(chǎn)生的氧化穩(wěn)定性而受到抑制。這些特性可使薄Li（50μm）||高載量-NMC811中實(shí)現(xiàn)大約270次循環(huán)，在無負(fù)極Cu||LFP軟包電池中循環(huán)超過140次，兩者都是最先進(jìn)的性能之一。

相關(guān)論文以“Rational solvent molecule tuning for highperformance lithium metal battery electrolytes”為題發(fā)表在Nature Energy。

Rational solvent molecule tuning for highperformance lithium metal battery electrolytes，Nature Energy, 2022, https://doi.org/10.1038/s41560-021-00962-y

2. Science：捕獲鋰金屬電池中SEI的溶脹

液-固界面作為科學(xué)領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)，由于現(xiàn)有工具在納米尺度上同時獲取液相和固相的不足，描述這種微妙的界面在本質(zhì)上是困難的，從而導(dǎo)致了我們對電池系統(tǒng)中關(guān)鍵界面的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的理解上存在巨大差距。

在此，斯坦福大學(xué)崔屹教授，Wah Chiu教授和鮑哲南教授等人采用液氮冷凍策略（薄膜玻璃化）來制備含有鋰金屬的電解液薄膜，實(shí)現(xiàn)了在更加真實(shí)的條件下觀察SEI的穩(wěn)定性。研究表明，固體電解質(zhì)間相（SEI）在金屬鋰負(fù)極上存在大量膨脹，其溶脹行為與電解液的化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，對電池的性能起關(guān)鍵性作用。SEI膨脹程度越高，往往表現(xiàn)出較差的電化學(xué)循環(huán)。

相關(guān)論文以“Capturing the swelling of solid-electrolyte interphase in lithium metal batteries”為題發(fā)表在Science。

Capturing the swelling of solid-electrolyte interphase in lithium metal batteries，Science, 2022, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8703

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/14/5965520d5f/

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