汇聚顶尖科研团队，NUS引领全球材料科学研究

　　材料科学的突破不断塑造着人类文明。历史上，从石器时代到青铜时代，再到铁器时代，伟大的物质胜利定义了整个人类时代。

　　如今，我们对材料有了更深入的了解，但当代尚未有一种可定义整个时代的材料，许多富有前景的材料领域还亟需探索。

　　从气候危机到量子计算机，材料学研究有望在应对一些最紧迫的全球危机方面发挥关键作用。为了加快这一重要研究领域进展，新加坡国立大学将材料科学确定为重点研究领域。

　　在这一重点支持下，新加坡国立大学在材料研究方面达到世界一流水平，是全球最多产、最杰出的人才汇聚地之一。

　　最近，在2021年6月30日发表的《自然》增刊“自然指数–材料科学”(Nature Index 2021 Materials Science)中，新国大材料科学研究产出排名世界第七。

　　这一知名增刊考察研究人员重新探索材料性质和潜质的能力，从而推动制造、药物开发、产品设计等领域的进一步发展。新加坡国立大学是新加坡唯一入围榜单前十的大学。

　　下文中，我们将重点介绍几位新加坡国立大学工程学院、理学院和新国大各研究机构的先驱科学家以及他们的创新研究。

　　科思厗厓教授

　　21世纪最重要的材料科学研究进展之一是世界上首个二维(2D)材料石墨烯的分离。自产生这一突破以来，二维材料研究蓬勃发展，在光伏、半导体、电极和净水等领域均取得了开拓性应用。

　　科思厗厓爵士教授(Kostya Novoselov)和安德烈·海姆爵士教授(Andre Geim)因发现二维材料这一巨大成就获得2010年诺贝尔物理学奖。科思厗厓教授现任新加坡国立大学工程学院材料科学与工程系陈振传百年纪念教授(Tan Chin Tuan Centennial Professor)。他将继续探索这一丰富的研究领域。

　　二维材料仅有一个原子的厚度，达到了材料所及的最薄程度。如今已预测出大约700种稳定的二维材料，还有许多需要合成。在这一广阔范围内，“不同二维材料具有不同属性，可以是金属、半导体、超导体、铁磁体等，”科思厗厓教授解释道。

　　这些显著属性意味着二维材料可应用于许多领域。“我们的二维材料正被投入各种应用中，包括能源解决方案、复合材料、可打印电子产品、光电子等，”他谈道。

　　更重要的是，科思厗厓教授的最新研究结合了二维材料和控制生物物质的原则，开发出具有定制特性的新型功能智能材料。这些受到生物学启发的材料可应用于人工神经网络、智能膜等领域。

　　Antonio Castro Neto教授

　　原子级薄材料领域的另一位先驱是新加坡国立大学先进二维材料研究中心(NUS Centre for Advanced 2D Materials，简称CA2DM)主任Antonio Castro Neto教授。新国大先进二维材料研究中心成立于2010年，主要研究基于石墨烯等二维晶体的变革性技术的概念、特征、理论建模和发展。

　　Castro Neto教授是新加坡国立大学理学院物理系、新国大工程学院材料科学与工程系杰出教授，兼任工程学院电机与电脑工程系教授，也是石墨烯所有领域的专家。他进一步描述了二维材料的独特优势，“它们具有正常三维材料不具备的物理和化学特性，例如极端量子行为。这意味着这些材料中的电子行为像波浪而不是粒子。”

　　这些极端量子行为将产生具有革命性能力的下一代电子元件。石墨烯等二维材料已用于量子计算机开发。

　　Castro Neto教授在解释材料研究的重要性时表示：“新材料是工业4.0的基础。纳米技术、生物技术、量子计算、人工智能、3D打印和物联网(IoT)的发展都需要新材料。这些新材料进一步影响到电子工业、食品、水、环境、能源等基本领域。”

　　最近，他带领团队开发出一种新型智能材料。这种材料被称为“二维电解质”(2D-electrolytes)，具有二维材料结构，行为却像电解质。它开辟了在体内释放药物的新方式及其他令人振奋的应用。研究成果于2021年5月12日发表在《先进材料》(Advanced Materials)期刊上。

　　Silvija Grade ak-Garaj教授

　　实现绿色能源生产目标是许多材料研究领域努力解决的挑战。新加坡国立大学工程学院材料科学与工程系Silvija Grade ak-Garaj教授是“应用材料-新加坡国立大学先进材料企业研究室”(Applied Materials – NUS Advanced Materials Corporate Lab)联合主任，也是这一领域的先驱。

　　她通过理解和控制原子尺度材料来开发能源应用的新材料。Silvija Grade ak-Garaj教授谈到：“我的总体研究策略是将独立纳米级物体及其组装组合成功能性装置，用于纳米电子学、纳米光子学以及能量收集和转化。”

　　“在实验室里，我们设计了新方法，以便在材料生长时‘观察’它们，并在生长过程中就地调整参数，以控制生成材料的组成、结构、大小和形态，”她解释道。她经常从零开始设计并运用新方法来研究这些材料在现实条件、温度或电能等外部刺激下的行为方式。她谈到：“我们通过使用特殊显微镜，而不是光来研究原子精度材料。”

　　比如，Grade ak-Garaj教授最近开发出具有韧性的半透明太阳能电池，将一系列纳米级材料结合起来，提高太阳能电池的效率。这些纳米级材料包括吸收阳光并产生电子的纳米粒子、高效收集电子的纳米线和导电的石墨烯。

　　“这些设备具有韧性，不像传统太阳能电池一样平坦坚硬，因此可用于大型曲面。此外，由于它们是半透明的，甚至可以用在窗户上，”她谈道。

　　她解释说：“我们研究的最终目标是设计出方法，更有效地利用能源保护自然资源，应对全球变暖相关挑战及新加坡等地都市环境特有的热岛问题。”

　　刘斌教授

　　刘斌教授(Liu Bin)是新加坡国立大学副校长(研究与科技)和新加坡国立大学工程学院化学与生物分子工程系主任，研究领域为与光相互作用的材料。刘教授表示：“我们的目标是通过开发高效有机半导体催化剂，将太阳能转化为清洁易用的能源燃料或增值产品。”

　　不仅如此，她的研究还侧重于有机功能材料的设计和合成及其在生物医学中的应用。她通过纳米制剂将有机分子和聚合物材料引入液态介质，成功探索了有机分子和聚合物材料在生物应用中的巨大潜力。

　　她解释说：“我们努力实现关键生物过程的可视化，以及使用生物相容有机材料对某些疾病进行非侵入性治疗，尤其是有聚集诱导发光(aggregation-induced emission)特性的疾病。”

　　基于聚集诱导发光材料的独特特性，她发明了高度灵敏、独特、耐光、具有生物相容性的聚集诱导发光成像工具。她谈到：“针对研究界未被满足的需求，我们通过新国大衍生企业LuminiCell将发明商业化，有助于解决全球研究人员面临的复杂生物成像问题。”

　　与现有工具相比，LuminiCell将实时细胞跟踪的持续时间延长3倍，亮度提高10倍。通过LuminiCell，研究人员可以对细胞行为进行成像，为癌症、传染病、心血管疾病等提供全新的诊断和治疗能力。

　　2021年6月8日，刘教授获得英国皇家化学学会百年奖(Royal Society of Chemistry’s Centenary Prize)。她对有机分子及纳米材料的创新设计和合成研究推进了生物医学领域的研究和应用，并做出了卓越的学术传播贡献，因而荣获这一奖项。

　　校长荣誉助理教授郑志强

　　生物医药领域依赖新材料的常规开发。这一领域的知名创新者是来自新加坡国立大学工程学院材料科学与工程系的校长荣誉助理教授郑志强(Benjamin Tee)。他正在研究可以感知环境的先进智能电子皮肤材料。

　　感知压力、温度和湿度这些环境变化是人类的自然能力，但如今机器要做到这一点还比较困难。

　　“我们的皮肤天生就很坚韧，能适应许多不同的环境条件。相比之下，大多数材料没有这种灵活性，因为许多传感材料是由脆性元素(如硅或金属)制成的，”同时在新国大工程学院电机与电脑工程系及新国大医疗健康创新与科技研究院(iHealthtech)任职的郑志强助理教授解释道。因此，他正在探索和开发传感能力更强的灵活可拉伸新型材料。

　　此外，这些灵活的“电子皮肤”能像真正的皮肤一样自我愈合。这种自我修复能力为电子设备承受损坏提供了新思路。“如果手机屏幕由自我修复材料制成，手机摔到坚硬的人行道上后，破裂的屏幕会神奇地自我愈合，你就不需要冒着泄露数据的风险去找维修店了，”郑志强助理教授谈道。

　　他对电子皮肤的研究也有助于制造出环境敏感型假肢设备。这将减少丧失肢体带来的幻肢疼痛，假肢装置也会给人更自然和智能的感觉。“这能帮助患者回归正常生活，恢复行动能力和信心，”他表示。

　　郑志强助理教授最近带领团队开发出一种被称为仿生人工神经支配泡沫(artificially innervated foam, 简称AiFoam)的新材料。这种材料模拟人类触觉，无需实际接触即可感应到附近的物体，并能在出现损坏时自我修复。

　　林水德教授

　　生物医学领域的另一位世界级专家是新加坡国立大学医疗健康创新与科技研究院院长林水德教授(Lim Chee Teck)，他也是新加坡国立大学工程学院生物医学工程系的国大协会讲座教授。

　　“众所周知，癌细胞能改变其生物特性，变得更易变形，更少附着。这些变化很重要，会导致癌转移、严重病理学后果甚至最终导致死亡，”林教授谈道。

　　因此，他使用微观和纳米力学工具研究在循环癌细胞中发生这种生物力学变化的原因和方式，从而更好地了解它们对癌细胞转移的作用——癌细胞转移是患者死亡的主要原因。他希望这项研究不仅有助于设计出更有效的癌症检测和诊断技术，也能更好地制定抗癌策略。

　　根据研究结果，林教授开发出一种微流体癌症生物芯片，可以检测和分离患者血液中的循环肿瘤细胞(被称为液体活检)。这项技术已被Biolidics Limited公司商业化，在美国和中国获得食品药品监督管理局认证，并在全球90多地投入使用。

　　今年，他带领研究小组开发出一种技术，运用人工智能分析单个细胞的pH率来确定细胞是健康还是癌变。每次癌症测试可在35分钟内完成，单个细胞的分类准确率超过95%。该研究于2021年3月16日首次发表在《APL生物工程》(APL Bioengineering)期刊上。

　　Gui Bazan教授

　　除了生物医学设备之外，全球关注的另一大材料学主要研究领域就是活性复合材料。复合材料由两种或两种以上不同类型材料组成，具备单一材料无法提供的物理特性。Gui Bazan教授是新加坡国立大学理学院化学系教务长讲座教授，负责该领域的创新研究。

　　Gui Bazan教授表示：“自从7000多年前人类将稻草或稻壳添加到泥砖中使之更加坚固以来，我们就意识到了复合材料的存在。”虽然复合材料历史悠久，以生物系统为基本要素的复合材料却少之又少。

　　这正是他在这一研究领域首开先河的原因。“我们团队正在研究含有微生物的活性‘生物复合物’以及具有金属特性的聚合物水凝胶基质，”他谈道。

　　Gui Bazan教授的研究结合了化学合成、材料工程、软电子物质和电微生物学等领域的原理，为促进和理解合成元素与微生物群落之间的电子通信奠定了基础。“活性微生物复合物为我们提供了利用细菌非凡多样性和适应性的独特机遇，”他描述道。

　　他进一步解释说，“合适的生物或非生物组合也许能利用细菌将化学能(也就是细菌的食物)转化为电流，达到其他方式无法企及的水平。”未来，这项技术有可能使用废水作为食物来源，让细菌去除有机污染物，同时为绿色能源产生电力。

　　材料研究不仅是发展最迅速、成长最快的科学学科之一，也是站在现代科技前沿、全面覆盖21世纪生活的学科之一。新加坡国立大学汇聚顶级研究团队，提供全新研究见解，在这一领域的各个方面开辟新应用。最终，新加坡国立大学的尖端材料研究将在新加坡乃至全球产生深远的社会效益。