名师志 | NUS 材料科学领域顶尖大牛介绍

最近，在2021年6月30日出版的《自然指数 2021 材料科学》增刊中，新加坡国立大学的材料科学研究产出排名世界第7位。这本享有盛誉的增刊探讨了研究人员如何重新思考材料的性质和潜力，以推动制造、药物发现、产品设计等方面的进步，新加坡国立大学是新加坡唯一进入该指数前10名的大学。

一直以来，材料科学的研究都非常重要，几乎每一项突破都能重新塑造人类文明。人类对材料的研究贯穿了历史长河，从石器时代到青铜时代再到铁器时代。今天，我们对材料科学有了更深入的了解，在现在这个时代，没有单一的定义时代的材料，许多有用的材料都有待探索。

从气候危机到量子计算机，材料研究有望在应对一些最紧迫的全球危机面前发挥关键作用。因此，为了加快这一重要研究领域的进展，新加坡国立大学将材料科学指定为重点关注领域。值得关注的是，新加坡国立大学在材料研究方面已达到全球顶级水平，并且云集了全球最顶尖的相关人才。

这篇文章将重点介绍新加坡国立大学工程、材料科学和研究机构的顶尖科学家及其创新研究。

Kostya Novoselov 教授

在21 世纪，最重要的材料研究进展之一是石墨烯的分离——这是世界上第一种二维 (2D) 材料。自从这一个技术被广泛应用，二维材料的研究开始蓬勃发展，在光伏、半导体、电极和水净化等领域都实现了巨大突破。

2D 材料的发现要归功于 Konstantin Novoselov 教授和 Andre Geim 教授，两人因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。Novoselov教授现在就职于新加坡国立大学材料科学与工程学院，并将在这里深入这个领域的研究。

Novoselov教授

2D 材料只有一个原子那么薄。时至今日，科研人员已经预测了大约700种稳定的 2D 材料，还有许多有待合成。在这个广泛的范围内，“不同的 2D 材料具有不同的特性，它们可以是金属、半导体、超导体、铁磁体等。”Novoselov教授解释说。

这一系列卓越的特性意味着2D材料可以应用于许多领域。“我们的2D材料被广泛应用于各种领域，从能源解决方案到复合材料，从可印刷电子到光电子，”他说。

更重要的是，Novoselov教授的最新研究结合了二维材料和支配生命物质的原理，开发出具有定制特性的新型智能材料，这些仿生材料可以应用于从人工神经网络到智能膜的所有领域。

Antonio Castro Neto 教授

另一位原子级超薄材料领域的先驱是新加坡国立大学高级二维材料中心 (CA2DM) 的主任 Antonio Castro Neto 教授。CA2DM 成立于2010年，致力于基于二维晶体（如石墨烯）的变革性技术的理论建模和开发。

Castro Neto 教授也是新加坡国立大学物理学和材料科学与工程学院的特聘教授，同时他也是新国立电气与计算机工程学院的教员，是石墨烯各个方面的专家。他进一步描述了二维材料提供的独特优势，“它们具有普通三维材料所不具备的物理和化学特性——例如极端的量子行为。这意味着这些材料中的电子表现得像波，而不是粒子。”

Castro Neto 教授

这些极端的量子行为可以创造具有革命性能力的下一代电子元件，而石墨烯等二维材料已经被用于量子计算机的开发。

“新材料是工业4.0的基础，”Castro Neto 教授在解释材料研究的重要性时说到， “纳米技术、生物技术、量子计算、人工智能、3D 打印和物联网 (IoT) 的进步都需要新材料，这些新材料随后会影响电子、食品、水、环境、能源等基本领域，”

他最近带领一个团队创造了一类新的智能材料，这种材料具有二维材料的结构，但表现得像电解质。这种被称为“2D电解质”的材料可以开辟一种在体内输送药物的新方法，有关这种材料的研究已于2021年5月12日发表在 Advanced Materials杂志上。

Barbaros Özyilmaz 教授

新加坡国立大学材料科学与工程系主任 Barbaros Özyilmaz 教授专注于加速石墨烯和其他二维材料在工业中的广泛应用。

2D 材料通常被描述为完美的原子晶体，它们在和原子一样薄的薄片中规则地间隔开。虽然这种基本结构为 2D 材料提供了超乎寻常的电气和机械性能，但它目前成本高昂，且难以大规模生产。因此，同样来自NUS物理学院和 CA2DM 的 Özyilmaz 教授研究了如何使 2D 材料更加稳定。

Özyilmaz 教授

通过他的前沿研究，Özyilmaz 教授最近发现，二维材料可以合成为非晶体的薄膜。这些非晶 2D 薄膜仍然具有晶体 2D 材料的一些理想特性，但更坚固，且制造成本更低。“我们的非晶薄膜可以在更低的温度下合成。”Özyilmaz 教授说，这一突破使得二维材料能够普遍适用于工业应用。

这一新发现于去年发表在《自然》期刊上，为石墨烯得商业化提供了一条捷径，并引起了许多公司的兴趣。

Silvija Gradečak-Garaj 教授

绿色能源生产的目标是许多材料研究领域正在努力攻克的难题。新加坡国立大学材料科学与工程学院的 Silvija Gradečak-Garaj 教授，也是NUS先进材料企业实验室的联合主任，是该领域的先驱之一，通过了解和控制原子材料来开发用于能源应用的新材料。

Gradečak-Garaj 教授说：“我的总体研究策略是将独立的纳米级物体组装结合到功能器件中，以应用于纳米电子学、纳米光子学中的能量收集和转换。”

“在我的实验室中，我们团队设计了新方法，能够观察材料的生长，并在生长过程中调整参数，以控制所得材料的成分、结构、尺寸和形态，”她解释说。

Gradečak-Garaj 教授

举一个例子，Gradečak-Garaj 教授最近开发了半透明的太阳能电池，该电池结合了一系列纳米级材料以提高太阳能电池效率。这些纳米级材料包括吸收阳光并产生电子的纳米粒子、有效收集电子的纳米线和导电的石墨烯。“这些设备是灵活的，因此它们可以用于大而弯曲的表面，而不像传统的太阳能电池一样又平又硬。此外，由于它们是半透明的，它们甚至可以融入制作窗户的材料中，”她说。

“最终，我们研究的目标是设计出有效使用新能源来保护自然资源、解决与全球变暖相关危机的方法，”

Liu Bin 教授

新加坡国立大学副校长兼化学与生物分子工程负责人刘斌教授对各种应用中与光相互作用的材料很感兴趣。“我们的目标是通过开发高效的有机半导体催化剂，将太阳能转化为清洁且易于获取的能源燃料，”刘斌教授描述道。

不仅如此，她的研究还专注于有机功能材料的设计与合成及其在生物医学中的应用。她通过纳米加工将有机分子和聚合物材料带到水介质中，成功地挖掘出了有机分子和聚合物材料在生物应用中的巨大潜力。

刘斌教授

“我们努力使用具有生物相容性的有机材料，特别是那些具有聚集诱导发射 (AIE) 特性的材料，实现关键生物过程的可视化和对某些疾病的非侵入性治疗，”她解释道。

基于AIE材料的独特特性，她发明了具有高灵敏度、特异性、光稳定性和生物相容性的AIE成像工具。“我们根据研究界的需求发明了名为 LuminiCell 的 NUS衍生产品，并且将我们的发明商业化，这将有助于全球研究人员解决复杂的生物成像问题，”她说。

LuminiCell 提供实时细胞追踪，与现有工具相比，持续时间增长了3 倍，亮度高 10 倍。借助 LuminiCell，研究人员可以对细胞行为进行成像，从而为癌症、传染病、血管疾病等提供新的诊断和更高的治疗能力。

2021年6月8日，刘教授获得英国皇家化学会百年奖，源于她在有机分子和纳米材料中的创新设计和合成方面的工作，这些发现极大的推进了生物医学的研究和应用。

Benjamin Tee 教授

生物医学领域是一个依赖新材料定期开发的领域。在该领域广受认可的创新者是来自新加坡国立大学材料科学与工程学院的校长助理教授 Benjamin Tee。他目前的研究是推进可以感知环境的智能电子皮肤材料。

能够感知压力、温度和湿度的环境变化是所有人类与生俱来的能力，但如果让机器来做到这一点就要困难得多。

“我们的皮肤天生就非常稳定，可以适应许多不同的环境。相比之下，大多数材料都没有这种灵活性，因为许多传感器材料是由硅或金属等较脆的材料制成的，”Tee 教授解释说。他正在探索和开发新的柔性与可拉伸材料，这些材料将提供更强大的传感能力。

此外，这些灵活的“电子皮肤”可以自我修复，就像真正的皮肤一样。这种自主自修复能力为电子设备提供了一种抵御损坏的新方法。“如果你的手机屏幕是由可自行修复的材料制成的，你就不需要找维修店了，因为破裂的屏幕会自愈。” Tee教授提到。

Benjamin Tee 教授

他对电子皮肤的研究也将造福需要使用假肢设备的残疾人。更灵敏的假肢设备可以减少与肢体缺失相关的幻肢疼痛，并且在使用感上会更加自然和智能。

他最近带领一个团队开发了一种称为人工神经支配泡沫或 AiFoam 的新材料，它可以模仿人类的触觉，在不进行接触的情况下感知附近的物体，并在损坏时进行自我修复。

Lim Chwee Teck 教授

生物医学领域的另一位先驱是 iHealthTech 的主任 Lim Chwee Teck 教授，他也是新加坡国立大学生物医学工程的教授。

“众所周知，癌细胞可以改变它们的生物物理特性，导致它们更易变形且粘性更低。这些变化意义重大，可能导致癌症转移以及死亡，”Lim教授说。

Lim Chwee Teck 教授

因此，他使用微米和纳米力学工具来研究癌细胞的活动，以便更好地了解它们如何在人的身体中进行转移——转移是患者死亡的主要原因。他希望这样的研究不仅能设计出更有效的癌症检测技术，还能为治疗这种疾病提供更好的策略。

基于他的研究结果，Lim教授开发了一种微流控癌症生物芯片，可以从患者的外周血中检测和分离循环肿瘤细胞（称为液体活检）。该技术已由 Biolidics Limited 公司商业化，该公司在美国和中国获得 FDA 上市，并在全球90多个国家投入使用。

今年早些时候，他带领一个研究团队开发了一种技术，该技术使用了人工智能，通过分析 pH 值来确定单个细胞是健康的还是已经癌变。每项癌症检测可在35分钟内完成，单细胞分类准确率可达95%以上，这项研究已于2021年3月16日首次发表在 APL 生物工程杂志上。

Gui Bazan 教授

除了生物医学设备外，另一个引起全球关注的材料是活性复合材料。复合材料由两种或多种不同的材料组合在一起，以提供单个材料无法实现的物理特性。新加坡国立大学化学系教授 Gui Bazan 教授在该领域进行了创新性的研究。

“自从7000多年前人们将稻草或稻壳添加到泥砖中以使其更加坚固以来，我们就已经意识到复合材料的重要性，” Bazan 教授说，“但很少有复合材料是有‘生命’的。因此，我们的团队开创了含有微生物和具有金属特性的聚合物，以水凝胶作为基质的活的‘生物复合材料’。”

Gui Bazan 教授

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的原理。它为促进和理解合成元素和微生物群落之间的电子通讯奠定了基础。

“活的微生物复合材料将利用细菌的多样性和适应性来制成，”他描述道，“通过正确的生物或非生物组合，可以利用细菌将化学能（即食物）转化为电能，达到任何其他方式都无法达到的水平。”

随着时间的推移，在未来我们可能会利用废水作为食物来源，让细菌去除其中的有机污染物，同时利用清洁后的废水作为绿色能源来发电。

结语

材料研究不仅是发展最快的科学学科之一，也是站在现代技术前沿的学科，它涵盖了21世纪人类生活的方方面面。而新加坡国立大学拥有的一流科研团队正在进行全新的研究，并在该领域的各个方面率先提出新的见解。最终，我们都将能够见证新加坡国立大学进行的尖端材料研究对新加坡和世界产生的深远影响。