鮑哲南教授的研究領(lǐng)域包括功能有機高分子材料的合成、有機電子器件的設(shè)計與制造、有機電子器件的應(yīng)用開發(fā)等。這些研究方向具有多學(xué)科交叉性，涉及的概念和專業(yè)知識包括化學(xué)，化學(xué)工程，生物醫(yī)學(xué)工程，材料科學(xué)和工程，物理，和電氣工程等。目前課題組感興趣的器件包括有機/碳納米管薄膜晶體管、有機光伏電池、化學(xué)/生物傳感器和分子開關(guān)等。這些器件一方面作為基本電荷傳輸和光物理研究的表征工具，另一方面可用于納米尺寸電子器件、新型能源、低成本和大面積的柔性電路、顯示器和一次性傳感器等領(lǐng)域。
鮑哲南 教授
1. Nature Biotech.：變形電子學(xué)使生長組織中的神經(jīng)調(diào)節(jié)成為可能
用于調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)的生物電子學(xué)已顯示出在治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面的前景。然而，它們的固定尺寸不能適應(yīng)組織的快速生長并且可能損害發(fā)育。對于嬰兒，兒童和青少年來說，一旦植入的設(shè)備不可用了，通常需要進(jìn)行額外的手術(shù)來更換設(shè)備，從而導(dǎo)致反復(fù)的干預(yù)和并發(fā)癥。于此，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授和Paul M. George等人通過變形電子解決了這一局限，變形電子以最小的機械約束適應(yīng)體內(nèi)神經(jīng)組織的生長。
本文要點：
1）研究人員設(shè)計和制造多層變形電子器件，該器件由粘塑性電極和應(yīng)變傳感器組成，可消除電子器件與生長組織之間的界面處的應(yīng)力。植入手術(shù)中使電子設(shè)備變形以自我修復(fù)的能力可實現(xiàn)可重構(gòu)且無縫的神經(jīng)接口。
2）在大鼠最快的生長期間，大鼠神經(jīng)直徑增長了2.4倍，但變形電子設(shè)備對大鼠神經(jīng)造成的損害也很小，并允許長期電刺激和監(jiān)測2個月，而不會中斷功能行為。變形電子學(xué)為適應(yīng)成長的兒科電子醫(yī)學(xué)提供了一條途徑。
Liu, Y., et al. Morphing electronics enable neuromodulation in growing tissue. Nat Biotechnol (2020).
https://doi.org/10.1038/s41587-020-0495-2
2. Nat. Rev. Mater.：用于構(gòu)建可植入可穿戴的光學(xué)保健設(shè)備的多功能材料
許多基于光的診斷和治療設(shè)備在臨床上已被廣泛使用。近年來，得益于多功能材料的發(fā)展，人們也開發(fā)了很多可植入或可穿戴的光學(xué)保健設(shè)備。然而，光在體內(nèi)的有限穿透深度也仍然這類設(shè)備所面臨的一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。麻省總醫(yī)院Seok Hyun Yun、斯坦福大學(xué)鮑哲南院士和Sei Kwang Hahn教授合作綜述了關(guān)于可植入和可穿戴光學(xué)醫(yī)療保健設(shè)備的基本概念和相關(guān)實例；對構(gòu)建下一代可植入和可穿戴的光學(xué)醫(yī)療設(shè)備來說至關(guān)重要的新型多功能材料進(jìn)行了闡述，并討論了它們的臨床轉(zhuǎn)化前景；介紹了植入式光學(xué)保健設(shè)備的性質(zhì)、診療功能以及應(yīng)用；并對這一領(lǐng)域未來的發(fā)展方向如移動醫(yī)療和個性化醫(yī)療等進(jìn)行了展望。
Geon-Hui Lee, Seok Hyun Yun, Zhenan Bao, Sei Kwang Hahn. et al. Multifunctional materials for implantable and wearable photonic healthcare devices. Nature Reviews Materials. 2020
https://www.nature.com/articles/s41578-019-0167-3
3. JACS：具有高電化學(xué)穩(wěn)定性的新型離子導(dǎo)電氟化醚電解質(zhì)
對于諸如便攜式電子設(shè)備和運輸之類的應(yīng)用，非常需要增加電池能量密度。然而，雖然大多數(shù)電解質(zhì)具有高離子電導(dǎo)率但其電化學(xué)穩(wěn)定性比較差，使得許多下一代電池在電解質(zhì)選擇時，受到限制。例如，基于醚的電解質(zhì)具有高離子電導(dǎo)率，但在4 V以上時氧化不穩(wěn)定，這導(dǎo)致具有較高能量密度的高壓正極材料的限制使用。相反，氫氟醚（HFE）雖然具有高氧化穩(wěn)定性，但不溶解鋰鹽，離子電導(dǎo)率較差。近日，斯坦福大學(xué)崔屹，鮑哲南等人設(shè)計了一種將醚的高離子電導(dǎo)率與氟化化合物的高氧化穩(wěn)定性結(jié)合成單一新型氟化醚化合物的新策略。
文章要點：
1）研究人員采用共價方法，將氟化核心與醚“端基”共價結(jié)合。氟化核可導(dǎo)致較高的氧化穩(wěn)定性，并以高的電荷截斷率支持富Ni的正極，如LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC 811），而醚基則使化合物充滿了高鹽溶解度和離子性電導(dǎo)率。采用這種方式，研究人員設(shè)計完成了多種具有離子導(dǎo)電的新型氟化醚化合物。這些化合物在30°C下的離子電導(dǎo)率高達(dá)2.7x10 -4 S/cm，氧化電壓高達(dá)5.6 V（四甘醇二甲醚為4 V）。
2）研究發(fā)現(xiàn)，LiFSA酰亞胺鹽在典型濃度為1 M的這些氟化醚存在下不會腐蝕鋁，該氟化電解質(zhì)具有類似于商業(yè)碳酸鹽電解質(zhì)的氧化穩(wěn)定性，同時能夠?qū)崿F(xiàn)有效的鋰金屬循環(huán)。
3）研究人員將四甘醇二甲醚與廣泛使用的氫氟醚進(jìn)行簡單混合發(fā)現(xiàn)，混合物仍具有較低的氧化穩(wěn)定性。因此，將醚和氟化鏈段共價結(jié)合的方法可實現(xiàn)高離子電導(dǎo)率和高氧化穩(wěn)定性。
4）研究人員通過NMR和MD模擬，探索了這種氟化醚結(jié)構(gòu)-性質(zhì)之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，隨著醚段的增加和氟段的縮短，氟化醚中的離子電導(dǎo)率會增加。因此，高離子轉(zhuǎn)移數(shù)是由于陰離子與氟化鏈段之間的特定相互作用。
5）研究人員使用NMC 811作為正極制造了負(fù)載為4 mg/cm2的電池，使用這些氟化醚可以將電池循環(huán)100次以上，并且電流速率高達(dá)C/5。
簡而言之，該研究表明，具有高離子電導(dǎo)率和高電化學(xué)穩(wěn)定性的新分子設(shè)計是合理設(shè)計下一代電池的新策略。
Amanchukwu, Chibueze, et al, A new class of ionically conducting fluorinated ether electrolytes with high electrochemical stability, J. Am. Chem. Soc., 2020
DOI：10.1021/jacs.9b11056
https://doi.org/10.1021/jacs.9b11056
4. Chem. Mater.：在二次絕緣聚合物基體中誘導(dǎo)聚合物半導(dǎo)體的分子聚集以增強電荷轉(zhuǎn)移
聚合物半導(dǎo)體（PSCs）是下一代電子產(chǎn)品的理想材料類別。然而，大分子的構(gòu)象復(fù)雜性，以及鏈間和鏈內(nèi)獨特的相互作用給控制PSCs的形態(tài)帶來了挑戰(zhàn)。此前有報道稱，在超過一定的分子量后，薄膜電荷載流子的遷移率通常會因結(jié)晶度降低和糾纏度增加而下降。
在這里，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授和康寧公司Mingqian He合作，使用絕緣的二次聚合物基體，聚苯乙烯-嵌段-聚（乙烯-亞丁基）-嵌段-聚苯乙烯（SEBS），可以在多個長度范圍內(nèi)誘導(dǎo)PSCs的分子有序化。在SEBS/PSC雜化膜中，聚集誘導(dǎo)的分子排序與半導(dǎo)體組分的分子量密切相關(guān)。與SEBS共混的PSC分子量越大，聚合物的聚集性和取向改善越明顯。這導(dǎo)致了在SEBS中只有30 wt％聚合物半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管（FET）中，電荷載流子遷移率增加了5倍，從0.3 cm2 V-1 S-1（P-97k）增加到1.5 cm2 V-1 S-1（P-97k）。此外，使用外延流驅(qū)動溶液剪切沉積法可以將遷移率進(jìn)一步提高到2 cm2 V-1 S-1。利用二次聚合物基體顯著改善高分子量PSC的分子結(jié)構(gòu)和電荷轉(zhuǎn)移是一種有效的形態(tài)控制策略。它也可以用非鹵化溶劑來進(jìn)行，如對二甲苯，它比常用的氯化溶劑更環(huán)保，在工業(yè)上也更相關(guān)。
Shayla Nikzad, Hung-Chin Wu, Jenny Kim, Christine M. Mahoney, James R. Matthews, Weijun Niu, Yang Li, Hongxiang Wang, Wen-Chang Chen, Michael F. Toney, Mingqian He, Zhenan Bao. Inducing Molecular Aggregation of Polymer Semiconductors in a Secondary Insulating Polymer Matrix to Enhance Charge Transport. Chemistry of Materials 2020.
DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b05228
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b05228
5. PNAS：受生物啟發(fā)的可拉伸膜基順應(yīng)性傳感器
順應(yīng)性感覺是人類皮膚的獨特特征，電子設(shè)備無法通過緊湊和薄型的形狀因子設(shè)備來模仿。由于傳感機制的復(fù)雜性，到目前為止，只有高精度或笨重的手持設(shè)備被用來測量材料的順應(yīng)性。這也阻止了能夠完全模仿人類皮膚的電子皮膚的發(fā)展。有鑒于此，斯坦福大學(xué)鮑哲南、Amir Foudeh與韓國浦項科技大學(xué)Insang You等人開發(fā)了一種由一個應(yīng)變傳感器和一個壓力傳感器組成，且能夠識別接觸材料順應(yīng)性的薄型傳感器。
本文要點：
1）該傳感器可以以解耦的方式同時測量接觸材料的表面變形和施加的壓力。結(jié)果表明，該傳感器能夠以高靈敏度對材料的順應(yīng)性進(jìn)行分類，從而可以識別出各種順應(yīng)性的材料。還研究了作為應(yīng)變傳感器的電容式和電阻式傳感機制，并確認(rèn)了集成器件作為順應(yīng)性傳感器的運行情況。
2）將傳感器在不同的應(yīng)用中進(jìn)行了測試，以驗證其在人類感測能力方面的應(yīng)用。由于該傳感器外形小巧，因此可以很容易地集成到機器人系統(tǒng)中。將傳感器集成到一個機器人手指上，演示了傳感器的機器人功能，結(jié)果表明其可識別出不同順應(yīng)性的材料。
3）此外，陣列傳感器配置允許順應(yīng)性映射，當(dāng)抓取由多種具有不同順應(yīng)性的材料組成的物體時，該順應(yīng)性映射可以使機器人系統(tǒng)產(chǎn)生類似人的感覺。這些高度可調(diào)的傳感器使機器人系統(tǒng)能夠處理更高級和更復(fù)雜的任務(wù)，如對觸摸的材料進(jìn)行分類。
Levent Beker, et al. A bioinspired stretchable membrane-based compliance sensor. Proceedings of the National Academy of Sciences 2020.
DOI: 10.1073/pnas.1909532117.
https://doi.org/10.1073/pnas.1909532117
