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[知名校友] 鲍哲楠

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发表于 2018-3-6 11:33:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
鲍哲楠,1970年出生于中国南京,化学家,美国国家工程院院士,斯坦福大学化学工程系教授。1987年鲍哲楠考取南京大学化学系;1995年获得芝加哥大学化学系博士学位后进入了贝尔实验室任职;2004年进入斯坦福大学化学系任教;2010年底作为创办人之一的C3Nano公司在美国硅谷成立;2011年获得影响世界华人大奖;2015年被选为《自然》杂志年度十大人物;2016年当选美国工程院院士;2017年获得欧莱雅—联合国教科文组织女科学家奖。
鲍哲楠一直致力于化学、材料科学、能源、纳米电子学和分子电子学等领域的研究,研究领域涉及能源、有机和高分子半导体材料、传感材料和分子电子器件、纳米电子学。2015年,鲍哲南团队在人造皮肤的“触觉”感知上取得了突破,通过整合碳纳米管、有机电子材料和光控基因技术,她们在Science 报道了一种可以响应压力变化并可以向神经细胞发送信号的新型人造皮肤。[2](相关资讯:材料名家鲍哲南:能给神经传导触觉的人工皮肤)。其他也有不少研究制造了各种类型的电子皮肤,所用策略多是通过结构工程赋予刚性无机或有机器件在整体层面上的柔性。这些策略相当巧妙,但也面对诸如制造过程复杂和器件密度低等问题,使得后续的商业化前景变得不那么光明。鲍哲南团队认为这些电子皮肤的材料和器件在本质上并非可拉伸,这从根本上限制了电子皮肤的性能。而那些本质上可拉伸的材料和以之为基础的器件,制备技术并不成熟,目前很难实现规模化,也就难以用于电子皮肤。

鲍哲楠

鲍哲楠
人物经历
1970年11月,鲍哲楠出生于江苏南京,父亲鲍希茂、母亲陈慧兰均是南京大学的教授。
1981年,就读于南京十中(现金陵中学);1987年,从金陵中学毕业。
1987年,考取南京大学化学系,在学完三年本科基础课之后,移民美国进入伊利诺州立大学芝加哥分校化学系学习。
1995年,鲍哲楠在芝加哥大学化学系取得博士学位,毕业她便直接进入了贝尔实验室任职。2001年,获得贝尔实验室杰出研究人员称号。
2002年,被评为美国化学学会女性化学家委员会选为十二名杰出青年科学家之一。
2004年,鲍哲楠进入斯坦福大学化学系任教。
2009年,获得皇家化学学会Beilby奖章和奖项。
2010年,鲍哲楠作为创办人之一的C3Nano公司在美国硅谷成立。
2011年,获得影响世界华人大奖。
2013年,获得美国化学学会创意聚合物化学奖。
2015年,当选《自然》杂志年度十大人物。
2016年,当选美国工程院院士。
2017年,获得欧莱雅—联合国教科文组织女科学家奖。
研究领域
鲍哲楠研究的范围很广,包括化学、材料科学、能源、纳米电子学和分子电子学,有机和高分子半导体材料、传感材料、有机半导体晶体管、有机太阳能电池、电子纸、人工电子皮肤。
2001年12月,鲍哲南参与研究的“单分子层晶体管可控制电路”成果列入美国《科学》杂志评出的2001年世界十大科技突破中。
2010年9月,国际学术杂志《自然材料》公布了鲍哲楠和研究小组的成果——一种能够感知微小压力的人造皮肤。这种模拟人类皮肤的柔软塑料电子传感器件—人工电子皮肤,有望在假肢、机器人、手机和电脑的触摸式显示屏、汽车安全和医疗器械等诸多方面获得广泛应用。
2011年,鲍哲楠和团队又研制出了可拉伸太阳能电池,为人工电子皮肤增添了自我发电的新功能。
2015年10月,鲍哲南团队在《科学》杂志发表论文,描述了人造皮肤模拟触觉的机理。
2017年,鲍哲南领导的研究团队在,美国《科学进展》杂志上指出他们开发出一种导电性和拉伸性俱佳的高分子材料,可用于可拉伸塑料电极,这种柔性电极可用于可穿戴电子器件。
学术论著
截止到2011年,鲍哲楠在英国《自然》、《美国科学院年报》、《美国化学会志》、《先进材料》、《应用物理通讯》等杂志发表论文300多篇,申请专利60余项(其中获准30多项);她在有机薄膜晶体管领域发表的文章在1997-2007年得到2226次引用,在被引用最多的20名作者中排名第4。
人才培养
2004年鲍哲楠进入斯坦福大学以后,培养了多名博士,并指导博士后的研究工作,其中一些学生的具体信息如下:
荣誉表彰
时间         名称         参考资料
2017年    美国化学学会(ACS)应用高分子科学奖  
2017年    欧莱雅—联合国教科文组织女科学家奖
2016年    美国国家工程院院士     
2012年    美国科学促进会会士     
2011年4月2日    影响世界华人大奖         
2007年    国际光学、光子学、影像学学术组织(SPIE)12名SPIE优秀妇女之一         
2007年    斯坦福大学工程教学女教师优秀奖      
2006年    斯隆基金会颁发的斯隆研究奖     
社会任职
2015年至今    《J. Am. Chem. Soc.》国际顾问委员会
2014 - 2016年          《Chemical Science》副主编
2013年至今    《Advanced Materials》国际编辑咨询委员
2013年至今    《Advanced Materials》国际编辑顾问委员
2012年至今    《Nanoscale》国际编辑咨询委员
2012年至今    《Advanced EnergyMaterials》国际编辑顾问委员
2012年至今    《ChemicalCommunications》国际编辑咨询委员
2011年至今    《Nature AsiaMaterials》国际编辑咨询委员
2011至今        《ACS Nano》国际编辑咨询委员
2010年至今    《LG Display》际顾问委员会
2010年    戈登研究会议之有机材料中的电子过程会议主席
2009 - 2012年          美国国家科学院化学科学技术委员会委员
2009 - 2012年          美国化学学会高分子材料科学与工程部执行委员
2009 - 2011年          《Synthetic Metals》副主编
2006 - 2011年          《Chemistry ofMaterials》国际编辑顾问委员
2006 - 2009年          塑料电子基金会科学顾问委员
2004 - 2008年          《Polymer Review》副主编
2002年至今    《Materials Today》国际编辑咨询委员
2002 - 2002年          材料研究会春季会议主席
2001-2005年  《Advanced Functional Materials》国际编辑顾问委员
2000 - 2006年          美国化学学会高分子材料科学与工程系执行委员
人物评价
鲍哲南在制造用于柔性薄型显示器的全塑晶体管的新型高性能有机、高分子半导体材料方面有突出贡献。(欧莱雅-联合国教科文组织评)

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发表于 2018-3-15 21:04:31 | 显示全部楼层
本帖最后由 youyouren 于 2018-3-15 21:08 编辑

类皮肤电子器件可无缝附着于人体皮肤或身体内,其被健康监测、医疗诊断、医学植入和生物学研究,以及人-机交互、柔性机器人和增强现实技术等应用寄予厚望。使上述电子器件柔性可拉伸功能,可使它们穿戴起来更舒适,此外,还可增加接触面积,极大地增加皮肤信号采集的保真度。


近日,斯坦福大学鲍哲南教授研究团队开发了可对不同本征可拉伸材料实现高成品率和器件性能均匀的制备工艺,并实现了晶体管密度为347/ cm2的内在可拉伸聚合物晶体管阵列,这是迄今为止在所有已报道的柔性可拉伸晶体管阵列中的最高密度。该阵列的平均载流子迁移率可与非晶硅相当,在经过1000次100%应变循环测试后也只有轻微改变,同时,还无电流-电压迟滞。


基于上述制造工艺,该团队首次研发出皮肤一样属性的可拉伸集成电路元件,如有源阵列与传感器阵列集成的可拉伸触觉电路,可粘附到人体皮肤表面,使柔性电子装置佩戴或使用更加舒适。其所开发的工艺为结合其他内在可拉伸聚合物材料提供了一个通用加工平台,使制造下一代可拉伸类皮肤电子器件成为可能。

  

可拉伸晶体管阵列作为类皮肤电子器件的核心部分

可拉伸晶体管阵列作为类皮肤电子器件的核心部分

文献链接:Skin electronics from scalable fabrication of an intrinsically stretchable transistor array(Nature, 2018, DOI:10.1038/nature25494)


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发表于 2018-3-17 21:05:45 | 显示全部楼层
近期,斯坦福大学化学工程系的鲍哲楠教授课题组利用不同强度的多重氢键构建超分子聚合物膜,该聚合物具有易加工性、可拉伸性、高韧性和坚固性,即使在水中也可完成自修复,满足了上述对于电子皮肤材料的多种要求。该材料使得制造坚固和可伸缩的自愈式电子皮肤设备成为可能,也为未来的软机器人提供了新的方向。

研究者采用双(3-氨基丙基)封端的聚(二甲基硅氧烷)、4,4'-亚甲基双(苯基异氰酸酯)和异佛尔酮二异氰酸酯的一锅缩聚反应,调整两种异氰酸酯的比例合成了一系列聚合物(PDMS-MPUx-IU1-x)。该类聚合物自发形成强弱程度不同的氢键交联点,强交联赋予聚合物韧性和弹性,而弱交联能够通过高效的可逆键断裂和重构消散应变能(如图1)。其中,PDMS-MPU0.4-IU0.6膜可以以2min-1的加载速率,拉伸至其原始长度的16倍而不破裂。

具有高韧性,拉伸性和自愈性的超分子弹性体的分子设计

具有高韧性,拉伸性和自愈性的超分子弹性体的分子设计

拉伸聚合物膜(左侧),缺口膜(中间)和愈合膜(右侧)的示意图

拉伸聚合物膜(左侧),缺口膜(中间)和愈合膜(右侧)的示意图
图1具有高韧性,拉伸性和自愈性的超分子弹性体的分子设计。a)PDMS-MPUx-IU1-x的化学结构和理想的超分子结构;b)拉伸聚合物膜(左侧),缺口膜(中间)和愈合膜(右侧)的示意图;c)聚合物中强氢键和弱氢键的可能组合。

为了探究PDMS-MPUx-IU1-x显着机械性能的原因,研究者合成了“亲本”聚合物(PDMS-MPU和PDMS-IU),这两类聚合物中,仅存在单一类型的氢键。从图2的应力-应变曲线可以看出,MPU-MPU和IU-IU的交联强度显着不同。具体而言,MPU单元能够形成强有力的交联以赋予材料以弹性,而IU单元能够形成弱能量耗散键,此外,丰富的动态氢键和柔性的PDMS骨架赋予该材料以自愈合能力,且对水并不敏感。

PDMS-MPUx-IU1-x膜的机械和自修复性能

PDMS-MPUx-IU1-x膜的机械和自修复性能
图2 PDMS-MPUx-IU1-x膜的机械和自修复性能。 a)拉伸前(左)和3000%拉伸(右)的PDMS-MPU0.2-IU0.8膜;b)用PDMS-MPU,PDMS-IU和PDMS-MPU0.4-IU0.6膜的应力-应变曲线;c)不同组成比例的膜应力-应变曲线; d)存在缺口的聚合物膜在拉伸下并不损坏; e)聚合物PDMS-MPUx-IU1-x和混合膜(PDMS-MPU和PDMS-IU)中MPU和IU的单元摩尔比和断裂能量的关系曲线;f)损伤和愈合的PDMS-MPU0.4-IU0.6膜的光学显微镜图像;g)在室温下愈合不同时间的膜的应力-应变曲线 ;h)PDMS-MPU0.4-IU0.6膜的自修复,且可以在水下进行;i)与近期在合成可拉伸和坚韧材料的比较。

基于该材料的上述优点,研究者制造了由液态金属EGaIn作为导电层、PDMS-MPU0.4-IU0.6作为封装和支撑层的可伸缩自愈电极(图3)。这是首例具有500%高拉伸性、高导电性且水不敏感自修复电极。

高度可伸展和自我修复的电极

高度可伸展和自我修复的电极
图3高度可伸展和自我修复的电极。a)自愈电极的示意图(左图)。在拉伸前和拉伸后LED灯均能发光;b)电阻随循环拉伸时,自修复电极电阻和应变的关系;c)将自愈电极切成两块,并在人造汗水中修复;d)在人造汗液中经过9小时的自愈过程后,在拉伸状态下,仍能点亮LED灯。

利用已制备的自修复电极,研究者继续制作一个电容式应变感应电子皮肤,用自愈合膜作为介电层和封装材料。该电子皮肤可以拉伸到其原始长度的五倍,而不会失去层之间的良好接触及其传感能力。此外,即使在电子皮肤上施以诸如刮擦和切断之类的机械性损伤,由于该聚合物的高韧性,电子皮肤仍能工作。

高度可拉伸和自我修复的电子皮肤

高度可拉伸和自我修复的电子皮肤
图4高度可拉伸和自我修复的电子皮肤。a)应变传感器结构的示意图;b)切割应变传感器(插图)和愈合后应变传感器的高拉伸性;c)原始和修复的应变传感器的电容-应变曲线;d)拉伸前后,带有缺口的应变传感器;e)检测金属球存在的7×7应变传感器阵列;f)基于电容变化的金属球重量的应变分布图。

原文链接:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201706846/full

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发表于 2018-3-19 11:34:09 | 显示全部楼层
让人造皮肤会“思考”

20年后,也许你的生活将是这样的:你手腕上的人造皮肤能随时监测心率、血糖,实现智能把脉;喉咙上的人造皮肤能感受咽喉肌肉运动产生的压力变化,为聋哑人“发声”;你的整个身体可能成为一个“网络中心”,体内的信息跟外界产生连接……

这些看起来很遥远,但其实正在孕育着。让人造皮肤知冷热、分轻重,这无疑会使人造皮肤更加智能,应用潜力无限,然而技术挑战极其巨大。无数微小感应器连成一片,密度低了无法获知数据,密度高了又无法像真正皮肤那样细密并可拉伸。鲍哲南团队利用纳米技术等跨学科技术,使柔性电子感应器高度灵敏,同时密度大增。

鲍哲南说:“我们团队花了多年研制出超强灵敏度的人造皮肤,它由敏感度极高的电子感应器组成,当感应器连成一片时,就如同真正皮肤一样,当一只蝴蝶停在身上,人马上能感觉到。”

这种人造皮肤技术可以被广泛用于假肢、机器人、手机和电脑的触摸式显示屏、汽车方向盘和医学等。

不仅如此,鲍哲南团队再接再厉,研制出世界最新的可拉伸太阳能电池,未来可使人造皮肤自我发电。接着,鲍哲南团队又利用纳米材料为这种皮肤增加了透明度和可拉伸功能,距离人类皮肤的功能越来越近。

2015年,鲍哲南被《自然》杂志评为对全球科学界产生重大影响的年度十大人物之一。2017年,她又获得“世界杰出女科学家奖”。

2018年2月,鲍哲南团队在《自然》杂志上发表的研究再度进入人们视野。柔性电子技术基本通过牺牲电子器件密度来实现可拉伸,局限性较大,且制造工艺复杂。鲍哲南团队开发的新材料,使晶体管阵列密度达到每平方厘米347个,并可在拉伸至两倍长度时性能保持不变。

让事业家庭双赢

1970年11月,鲍哲南出生于中国南京,父母都是南京大学教授。科学氛围浓厚的家庭环境为她打开了科学的大门。从南京大学毕业后,鲍哲南移居美国,学习深造并继续开展科研工作,取得一系列成果。

她同时还是两个孩子的妈妈。作为一名优秀的女科学家,人们常好奇她怎样去平衡事业和家庭。

父亲告诉鲍哲南,人生中完整的幸福包括两个方面:事业成功和家庭美满。维系的原则就是不能牺牲一个去换取另一个,两者都不可偏废。鲍哲南通过提高效率来完成工作,从事科研的时候严谨认真,一分一秒都不舍得浪费,回到家就一定会和家人在一起。

“很幸运,父母从小启发我的科学思维:大胆假设、踏实求证。这让我终身受益。现在我也这样教育我的孩子,激发我学生的科研热情。”她接受母校南京大学采访时这样说道。

让人造皮肤感觉更美

在事业上,鲍哲南的进步或许可归为一直心存理想。鲍哲南对新华社记者说:“一直希望科学研究成果能够运用到生活中,帮助人类。”

她说,目前已开发出部分电性和拉伸性俱佳的高分子材料,但模拟人类复杂的触觉仍有不少挑战需要克服。

接下来,她打算利用人造皮肤帮助靠假肢生活的人们获得触感,并借助相关技术开发血压测量仪器、拥有人造皮肤的机器人以及可穿戴电子器件等。

人造皮肤未来服务于现实生活的前景非常广阔,将为皮肤烧伤等疾病患者带来福音。作为人造皮肤研究的功臣,鲍哲南亦被一些人赞为“世界上最美丽的女人”。

她认为,有意义、有影响力的科研成果离不开跨学科合作和研究,“目前中国科研发展飞速,正迎来大突破时期,希望中国科学家进行更多的跨学科研究,实现更多突破”。

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发表于 2018-4-15 09:21:28 | 显示全部楼层
具有可拉伸,抗撕裂和自我修复的四重氢键交联超分子聚合物薄膜电极材料

对可穿戴和植入式电子产品的需求促进了各种先进材料,智能设备和工程方法的发展。因此,皮肤机械兼容的传感器和执行器已被广泛报道,并且其应用潜力脑/机械界面和软机器人高韧性的可伸缩电极在将各种器件集成在一起以支持大机械变形下的功能方面起着至关重要的作用。 蛇形,网格和微裂纹等多种结构设计已被用于减少机械应变下的电导率降低。迄今为止,可伸展的薄膜金属电极,特别是金电极通常沉积在聚二甲基硅氧烷基底上。但具有一些局限性,如对骨折/缺口敏感,界面粘连性差以及缺乏自愈能力。因此,薄膜可拉伸金电极中解决这些限制是有意义的。与自我修复的复合电极相比,制造可拉伸,自愈和断裂不敏感的皮肤感应薄膜金电极。显然,符合严格的与皮肤感应薄膜电极机械性能相关的要求的材料很少见。

可伸展超分子聚合物材料(SPMs)设计和一般材料表征的示意图

可伸展超分子聚合物材料(SPMs)设计和一般材料表征的示意图

近日,斯坦福大学鲍哲南院士和 新加坡南洋理工大学 陈晓东课题组在JACS上发表了题为“Quadruple H-Bonding Cross-Linked Supramolecular Polymeric Materials as Substrates for Stretchable, Antitearing, and Self-Healable Thin Film Electrodes” 的文章。研究团队报道了通过缩聚的超分子聚合物材料的从头化学设计,其由软聚合物链(聚四亚甲基二醇和四甘醇)和强而可逆的四重氢键交联剂(0至30摩尔%)。前者有助于形成SPM的软区域,后者为SPM提供理想的机械性能,从而生产柔软,可拉伸但又坚韧的弹性体。观察到所得到的SPM-2具有高度可拉伸性(高达17000%应变),韧性(断裂能〜30000J / m2)和自修复性,这是非常理想的性能,并且优于先前报道的弹性体和强韧的水凝胶。此外,沉积在该SPM基底上的金薄膜电极保持其导电性,并将高拉伸性(〜400%),断裂/缺口不敏感性,自修复和与金膜的良好界面粘合性结合。同样,这些性能与常用的基于聚二甲基硅氧烷的薄膜金属电极都是高度互补的。最后,研究人员继续通过肌电图信号的体内和体外测量来证明我们制造的电极的实际效用。从调查这些SPM获得的这一基本理解将促进智能软材料和柔性电子产品的发展。



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发表于 2018-5-16 08:46:34 | 显示全部楼层
斯坦福大学鲍哲楠团队开发可拉伸、全降解的植入式医疗传感器!

研究亮点:
极大地优化了植入式应变和压力医疗传感器的力学稳定性和可降解性等功能,使其集低迟滞、长期循环使用稳定性、长期使用寿命以及完全可降解性等优势于一体。
植入式医疗传感器件的一个重要用途在于,术后恢复阶段的精准、局域治疗和实时监测,有助于实现个性化定制的精准医疗。传统的植入器件无法生物降解,长期存在体内的器件,将损害生物体内周围组织或细胞,造成二次感染,甚至影响神经活动。如果通过手术取出植入器件,对人体造成二次伤害和新的安全风险。

硅基植入式电子器件

硅基植入式电子器件
图1. 硅基植入式电子器件
Suk-WonHwang, Hu Tao, Dae-Hyeong Kim, Fiorenzo G. Omenetto, John A. Rogers et al. APhysically Transient Form of Silicon Electronics. Science 2012, 337, 1640-1644.
因此,近年来新型可生物降解的植入式器件逐渐成为市场新宠,并已经在医疗领域发挥越来越多的作用。这种器件在完成术后辅助治疗和健康监测的使命后,可自动生物降解,被生物系统消化吸收,从而免除了二次手术的风险。
问题在于:市面上常规的可降解植入式电子传感器大多是以无机Si纳米膜覆盖于有机基底制造,这就造成了这类电子器件在长期拉伸变形之后的两大问题:
1)使用寿命不长
2)灵敏度失效,不具有可靠性。
有鉴于此,斯坦福大学鲍哲楠和Paige Fox团队合作,报道了一种基于纯聚合物制造的高度可拉伸、全部可降解的植入式应变和压力传感器,专门用于肌腱损伤修复期的力学行为监测。

可拉伸、全可降解的植入式应变和压力传感器

可拉伸、全可降解的植入式应变和压力传感器
图2. 可拉伸、全可降解的植入式应变和压力传感器
该器件中含有1个电容式应变传感器和1个电容式压力传感器。应变传感器中包括2个梳状电极,被54%的可拉伸橡胶以三明治方式隔离,用于响应应变行为。其中,可拉伸橡胶起到增强力学稳定性的作用。压力传感器中含有由PGS形成的微结构电介质,可用于响应压力导致的上下电极之间的距离变化。

长期循环稳定性和生物降解性

长期循环稳定性和生物降解性
图3. 长期循环稳定性和生物降解性
这种新型的植入式应变和压力传感器件具有以下优势:
1)通过两个垂直的独立传感器,可以实现对应变和压力的分别传感而不发生互相干扰;
2)对应变和压力的响应灵敏度分别低至0.4%和12 Pa。
3)这种器件响应非常快,达到毫秒级别。
4)优异的力学稳定性,满足足够次数的应变和压力循环测试。
5)基于小鼠实验,验证了其优异的生物兼容性和功能性。

生物兼容性

生物兼容性

图4. 生物兼容性
总之,这项研究为植入式电子器件在实时监测肌腱修复等医疗领域的进一步应用提供了全新的思路。
Clementine M. Boutry, Paige Fox , Zhenan Bao et al. A stretchable and biodegradable strainand pressure sensor for orthopaedic application. Nature Electronics 2018, 1, 314–321.

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鲍哲楠Science发布仿生触觉神经
研究亮点:
1.发展了一种基于柔性有机电子器件的高灵敏度仿生触觉神经系统,实现了对物体的运动、形状、质感的多重触觉感知,具有人脑特征。
3.构建了一种复合的生物电子反射弧。
让机器人拥有触觉,能够感知这个世界的温度、压力,甚至是使其具有神经活动,应该是机器人领域的科学家最希望实现的事情了。如何提高人工电子器件的多功能性、柔性、生物兼容性以及灵敏度,则是该领域亟待解决的问题。
早在2009年,Nature Materials报道了斯坦福大学鲍哲楠课题组关于感知微小压力的人造电子皮肤的研究成果。这种电子皮肤对于蝴蝶停留的微小压力也能够快速、高灵敏度感知,一时引起轰动。
2018年6月 1日,斯坦福大学鲍哲楠、首尔大学Tae-Woo Lee以及南开大学徐文涛团队联合在Science发文,报道了一种基于柔性有机电子器件的高灵敏度仿生触觉神经系统。

高灵敏度仿生柔性触觉神经系统

高灵敏度仿生柔性触觉神经系统
图1. 高灵敏度仿生柔性触觉神经系统
研究人员所开发的仿生触觉神经是模仿人体SA-I触觉神经,其主要原理是,从多个触感接收器接受信息,然后将这种信息运输到传出(马达)神经,完成一种复合的生物电子反射弧。
这种人工触觉神经由三个核心部件组成:1)电阻式压力传感器;2)有机环振荡器;3)突触晶体管。每一个压力传感都是一个触感接收器,所有的触感信息(1 to 80 kilopascals)收集在人工神经纤维(环振荡器)处,然后将外部触觉刺激转变成电信号(0 to 100 hertz)。从多个人工神经纤维得到的电信号集成到一起,经过突触晶体管转变为突触电流。而突触晶体管则可以用于构建生物触觉神经,形成完整的单突触反射弧。
这种人工神经触觉系统具有高灵敏度,即便是蟑螂腿的运动,也能快速感知。将在机器人手术、义肢感触等领域发挥重要作用!

人工触觉神经系统的性能

人工触觉神经系统的性能
图2. 人工触觉神经系统的性能

复合物反射弧

复合物反射弧
图3. 复合物反射弧
参考文献:
Yeongin Kim, Alex Chortos, Wentao Xu, Tae-Woo Lee, Zhenan Bao et al. A bioinspired flexible organic artificial afferent nerve. Science 2018, 360, 998-1003.

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鲍哲楠团队JACS:电化学制H2O2新进展!
研究亮点:
1. 在多孔碳材料中构建氮化硼岛状结构,实现了高效电化学制H2O2。
2. 理论计算剖析了反应机理。

碳材料电化学制H2O2

碳材料电化学制H2O2
杂原子掺杂是调控碳材料电子结构和表面结构的有效策略之一。研究表明,B和N原子共掺杂可以有效增强碳材料的ORR活性。然而,对于这类材料的实验研究并不多,至于活性机理的理解和活性位点的指认,更是寥寥无几。
有鉴于此,斯坦福大学鲍哲南教授、Jens K. Norskov教授和Thomas F. Jaramillo教授课题组通过在多孔碳材料中构建氮化硼岛状结构,实现了高效电化学制H2O2,并对其活性位点进行了深入剖析。

研究人员首先将含有B和N原子的单体进行氧化聚合,然后高温热解以合成B和N原子共掺杂的多孔碳材料。结果表明,h-BN结构域和N-掺杂位点共存于这些石墨结构中。并且电镜辅助表征证实h-BN以小的岛域形式均匀分布在碳材料中,没有形成相分离。
与单独的B或N掺杂结构相比,石墨结构中的h-BN结构域为2e-ORR过程提供了更高的活性和选择性。DFT计算表明,h-BN /石墨烯界面,并表明这个界面呈现不同的催化行为,特别驱动2e-ORR生成H2O2。与实验结果一致。
这项工作为杂原子掺杂碳结构的开发提供了理论借鉴,为ORR和电化学制双氧水提供了新的思路。

参考文献:
S.Chen, Z. Chen, S. Siahrostami, J. K. Nørskov, T. F. Jaramillo, Z. Bao et al.Designing Boron Nitride Islands in Carbon Materials for EfficientElectrochemical Synthesis of Hydrogen Peroxide.  J. Amer. Chem. Soc. ,Articles ASAP, 2018.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b02798

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发表于 2018-8-21 08:57:38 | 显示全部楼层
鲍哲楠Nature Nano如何实现系统集成
研究亮点:
1. 发现了纳米结构导电网络在高分子基质中的动态自我重构现象。
2. 实现了自修复电子皮肤的多功能系统集成。

导电纳米结构的动态重构示意图

导电纳米结构的动态重构示意图
被视作下一代可穿戴电子器件和物联网技术,电子皮肤主要用于生理信号的检测,并通过人-器件之间的闭环回路通讯显示反馈信息。电子皮肤需要做到超薄状态,这样才能:1)实现和人体的无缝共性接触;2)适应反复运动形成的应力;3)适合穿戴。
受限于制造技术的局限,自修复电子皮肤器件迄今为止没有实现多功能系统集成。
有鉴于此,斯坦福大学鲍哲楠课题组基于纳米结构导电网络的动态自我重构,实现了自修复电子皮肤的多功能系统集成。
近来年,自修复化学驱动可变形和可重构电子器件领域取得重要进展,尤其是在自修复电极领域。高分子基底具有天然自修复性能,与之不同的是,混乱的导电网络在力学损坏后则无法恢复其可拉伸性。
研究发现,当纳米线导电网络和动态的交联高分子网络接触时,被破坏的导电纳米结构会进行动态自我重构,恢复其高导电性和力学性能。加上高分子自成键和自修复的性能,研究人员成功实现了非均相多组分的器件系统集成,在一个功能系统中同时实现了互联、传感、LED等功能。
总之,这种自修复和可拉伸的多组成电子器件为构建稳定的可穿戴电子器件开辟了一条新道路!
参考文献:
Donghee Son, Jiheong Kang, Orestis Vardoulis, Zhenan Bao et al. An integrated self-healable electronic skin system fabricated via dynamic reconstruction of a nanostructured conducting network. Nature Nanotechnology 2018.

https://www.nature.com/articles/s41565-018-0244-6

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发表于 2018-9-12 08:42:08 | 显示全部楼层
鲍哲南教授支招聚合物半导体的机械性能和电子性能如何尽可能兼得

电子皮肤模拟人类皮肤的性质,在可穿戴电子器件、机器人、健康监测等方面发挥作用。电子皮肤要求晶体管具有拉伸性和耐用性,因此晶体管要求半导体具有高拉伸性和高耐用性。聚合物半导体柔软、迁移率适中、可溶液加工,适合用于可拉伸电子器件,但大多数聚合物半导体不具有拉伸性,而且机械性能和电子性能不能达到平衡。因此,开发具有拉伸性的聚合物半导体,同时电子性能不显著降低,是一大挑战。尽管在聚合物半导体中引入非共轭隔离链段能改善拉伸性,但非共轭隔离链段的柔性程度对机械性能和电子性能的影响还没被深入研究。

半导体聚合物

半导体聚合物

近日,斯坦福大学的鲍哲南教授、Jaewan   Mun在著名学术期刊Adv. Funct. Mater.上发表了题为Effect  of  Nonconjugated  Spacers  on  Mechanical  Properties   of   Semiconducting  Polymers  for  Stretchable  Transistors的文章。该文研究了柔性程度、长度不同的3种非共轭隔离链段,发现更长的、柔性程度更高的非共轭隔离链段能提高聚合物半导体的韧性,降低聚合物半导体的弹性模量,同时聚合物半导体的迁移率没受到很大的影响,同时用最合适的聚合物半导体制备了可完全拉伸的晶体管。上述结果表明了在共轭聚合物中引入非共轭隔离链段能有效地调控机械性能,同时不会显著地牺牲电子性能。

作者研究了非共轭隔离链段的柔性程度对聚合物半导体的机械性能和电子性能的影响,发现这些链段能调控聚合物半导体的机械性能和使聚合物半导体保持高迁移率,测试了聚合物半导体发生应变后的性能,制备了可完全拉伸的晶体管,为聚合物半导体的性能的优化进一步打下理论基础。

文献链接:Effect of Nonconjugated Spacers on Mechanical Properties of Semiconducting Polymers for Stretchable Transistors(Adv. Funct. Mater. 2018,DOI: 10.1002/adfm.201804222


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发表于 2019-1-26 10:26:30 | 显示全部楼层
崔屹&鲍哲楠Joule:基于醌的氧化还原介体促进Li-S电池中的Li2S氧化
Li-S电池中,硫和Li2S的绝缘性导致大的极化和低的硫利用率,而可溶性多硫化锂又造成穿梭效应,溶解-沉淀途径的氧化还原反应通过钝化反应活性界面导致电极结构的破坏,从而影响电池性能。斯坦福大学崔屹和鲍哲南团队向电解质中添加具有定制性质的醌的衍生物作为氧化还原介体(RM),促进Li2S的氧化。通过调整醌衍生物的特定性质:氧化还原电位,溶解度和电化学稳定性,可以提高电池性能。研究发现,使用基于醌的RM可以有效防止死Li2S的沉积,从而降低极化,延长循环寿命,实现了使用Li2S微粒的Li-S电池的高效,快速和稳定。用定制的醌实现了Li2S电极在0.5 C下的初始充电电位在2.5 V以下,随后的放电比容量高达1300 mAh g-1。

Li2S氧化

Li2S氧化

Tsao Y, Lee M, Miller E C, et al. Designing a Quinone-Based Redox Mediator to Facilitate Li2S Oxidation in Li-S Batteries. Joule, 2019.
DOI: 10.1016/j.joule.2018.12.018
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30624-X

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发表于 2019-4-9 01:53:55 | 显示全部楼层
电化学储能装置对全球社会变得越来越重要,并且聚合物材料是这些装置的关键部件。随着对高能量密度器件需求的增加,人们需要物理现象和结构-性质关系明晰的新材料,以实现高容量的下一代电池化学。鲍哲团队讨论了用于促进电池材料开发进展的核心聚合物科学原理。具体而言,讨论了聚合物材料的设计,以获得所需的机械性能,增加离子和电子传导性以及特定的化学相。接着还讨论了如何设计聚合物材料以创建稳定的人工界面并提高电池安全性。重点是这些设计原则适用于先进的硅、锂金属和硫电池化学。

聚合物材料

聚合物材料

Jeffrey Lopez, David G. Mackanic, Yi Cui &Zhenan Bao. Designing polymers for advanced battery chemistries. Nature Reviews Materials, 2019.
DOI: 10.1038/s41578-019-0103-6
https://www.nature.com/articles/s41578-019-0103-6

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发表于 2019-4-19 09:20:34 | 显示全部楼层
可拉伸半导体聚合物已经被广泛应用于类似皮肤的可穿戴电子设备上,但是如果想获得更优异的性质必须改善其电学性能。有鉴于此,美国斯坦福大学鲍哲教授团队报道了一种新方法成功实现了可伸缩半导体中共轭聚合物的多尺度有序排列,从而大大提高其载流子迁移率。研究表明,在受限的纳米尺度空间内可以使链构象有序排列并促进短程有序的π-π堆积,大幅降低电荷载体运输的能量屏障,使得可拉伸的共轭聚合物薄膜的流动性提高了三倍,并在高达100%的应变下保持不变。

可拉伸半导体聚合物

可拉伸半导体聚合物

Jie Xu, Hung-Chin Wu, Chenxin Zhu, AnatolEhrlich, Leo Shaw, Mark Nikolka, Sihong Wang, Francisco Molina-Lopez, XiaodanGu, Shaochuan Luo, Dongshan Zhou, Yun-Hi Kim, Ging-Ji Nathan Wang, Kevin Gu,Vivian Rachel Feig, Shucheng Chen, Yeongin Kim, Toru Katsumata, Yu-Qing Zheng,He Yan, Jong Won Chung, Jeffrey Lopez, Boris Murmann & Zhenan Bao.Multi-scale ordering in highly stretchable polymer semiconducting films. Nature Materials, 2019.
DOI: 10.1038/s41563-019-0340-5
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0340-5

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发表于 2019-4-28 09:29:28 | 显示全部楼层
生物系统具有强大的自愈能力。例如,人体皮肤可以从不同程度的伤口自主愈合,使其恢复其机械和电气特性。相反,人造电子设备由于操作期间的疲劳,腐蚀或损坏而随着时间而劣化,导致设备故障。近年来,自愈化学作为一种用于构造机械强度且可自修复的软电子材料的有前景的方法而出现。斯坦福大学鲍哲楠教授团队回顾了自修复电子材料的发展,并研究了这些材料如何用于制造自我修复的电子设备。同时,探索自我修复电子系统的潜在新功能,这些功能通常不可能用于传统电子系统,并讨论了为实际应用提供自修复柔性电子设备的当前挑战。

自修复电子材料

自修复电子材料

Kang, J., Tok, J. B. H. & Bao, Z. Self-healing soft electronics. Nature Electronics, 2019.
DOI: 10.1038/s41928-019-0235-0
https://www.nature.com/articles/s41928-019-0235-0

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发表于 2019-8-23 16:51:33 | 显示全部楼层
以后可以远离医院那些庞大繁重的监测设备了,这款无线皮肤传感器与特制衣服搭配即可实现心跳、呼吸和运动等诸多指标的监测。
  这其实是一套可贴在皮肤上监测健康状况的传感器系统,其中包括如创可贴一般的传感器贴片,以及可缝制在衣服内的柔性阅读器。研究人员用金属墨水将天线和传感器打印到贴片上,后者可以像创可贴一样贴在皮肤上,并能够无线发送数据至夹在衣服里的阅读器。

手腕上的无线传感器

手腕上的无线传感器
  该研究通讯作者是斯坦福大学化学工程系鲍哲南教授和新加坡南洋理工大学陈晓东教授。8 月 15 日,这个研究发表在了《自然·电子学》(Nature Electronics)。这项研究得到三星电子、新加坡科技研究局、日本科学促进会和斯坦福精密健康与综合诊断中心的支持。

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