斯坦福大学鲍哲南教授团队近期研究成果集锦
纳米人 2020-05-20

鲍哲南教授的研究领域包括功能有机高分子材料的合成、有机电子器件的设计与制造、有机电子器件的应用开发等。这些研究方向具有多学科交叉性,涉及的概念和专业知识包括化学,化学工程,生物医学工程,材料科学和工程,物理,和电气工程等。目前课题组感兴趣的器件包括有机/碳纳米管薄膜晶体管、有机光伏电池、化学/生物传感器和分子开关等。这些器件一方面作为基本电荷传输和光物理研究的表征工具,另一方面可用于纳米尺寸电子器件、新型能源、低成本和大面积的柔性电路、显示器和一次性传感器等领域。


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鲍哲南 教授


纳米人编辑部现对鲍哲南教授团队近期研究成果进行了及时汇总,供大家学习交流。


1. Nature Biotech.:变形电子学使生长组织中的神经调节成为可能

用于调节神经系统的生物电子学已显示出在治疗神经系统疾病方面的前景。然而,它们的固定尺寸不能适应组织的快速生长并且可能损害发育。对于婴儿,儿童和青少年来说,一旦植入的设备不可用了,通常需要进行额外的手术来更换设备,从而导致反复的干预和并发症。于此,斯坦福大学鲍哲南教授Paul M. George等人通过变形电子解决了这一局限,变形电子以最小的机械约束适应体内神经组织的生长。

 

本文要点:

1)研究人员设计和制造多层变形电子器件,该器件由粘塑性电极和应变传感器组成,可消除电子器件与生长组织之间的界面处的应力。植入手术中使电子设备变形以自我修复的能力可实现可重构且无缝的神经接口。

2)在大鼠最快的生长期间,大鼠神经直径增长了2.4倍,但变形电子设备对大鼠神经造成的损害也很小,并允许长期电刺激和监测2个月,而不会中断功能行为。变形电子学为适应成长的儿科电子医学提供了一条途径。


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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.:用于构建可植入可穿戴的光学保健设备的多功能材料

许多基于光的诊断和治疗设备在临床上已被广泛使用。近年来,得益于多功能材料的发展,人们也开发了很多可植入或可穿戴的光学保健设备。然而,光在体内的有限穿透深度也仍然这类设备所面临的一个严峻挑战。麻省总医院Seok Hyun Yun斯坦福大学鲍哲南院士Sei Kwang Hahn教授合作综述了关于可植入和可穿戴光学医疗保健设备的基本概念和相关实例;对构建下一代可植入和可穿戴的光学医疗设备来说至关重要的新型多功能材料进行了阐述,并讨论了它们的临床转化前景;介绍了植入式光学保健设备的性质、诊疗功能以及应用;并对这一领域未来的发展方向如移动医疗和个性化医疗等进行了展望。

 

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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:具有高电化学稳定性的新型离子导电氟化醚电解质

对于诸如便携式电子设备和运输之类的应用,非常需要增加电池能量密度。然而,虽然大多数电解质具有高离子电导率但其电化学稳定性比较差,使得许多下一代电池在电解质选择时,受到限制。例如,基于醚的电解质具有高离子电导率,但在4 V以上时氧化不稳定,这导致具有较高能量密度的高压正极材料的限制使用。相反,氢氟醚(HFE)虽然具有高氧化稳定性,但不溶解锂盐,离子电导率较差。近日,斯坦福大学崔屹鲍哲南等人设计了一种将醚的高离子电导率与氟化化合物的高氧化稳定性结合成单一新型氟化醚化合物的新策略。

 

文章要点:

1)研究人员采用共价方法,将氟化核心与醚“端基”共价结合。氟化核可导致较高的氧化稳定性,并以高的电荷截断率支持富Ni的正极,如LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC 811),而醚基则使化合物充满了高盐溶解度和离子性电导率。采用这种方式,研究人员设计完成了多种具有离子导电的新型氟化醚化合物。这些化合物在30°C下的离子电导率高达2.7x10 -4 S/cm,氧化电压高达5.6 V(四甘醇二甲醚为4 V)。

2)研究发现,LiFSA酰亚胺盐在典型浓度为1 M的这些氟化醚存在下不会腐蚀铝,该氟化电解质具有类似于商业碳酸盐电解质的氧化稳定性,同时能够实现有效的锂金属循环。

3)研究人员将四甘醇二甲醚与广泛使用的氢氟醚进行简单混合发现,混合物仍具有较低的氧化稳定性。因此,将醚和氟化链段共价结合的方法可实现高离子电导率和高氧化稳定性。

4)研究人员通过NMR和MD模拟,探索了这种氟化醚结构-性质之间的关系,研究发现,随着醚段的增加和氟段的缩短,氟化醚中的离子电导率会增加。因此,高离子转移数是由于阴离子与氟化链段之间的特定相互作用。

5)研究人员使用NMC 811作为正极制造了负载为4 mg/cm2的电池,使用这些氟化醚可以将电池循环100次以上,并且电流速率高达C/5。

 

简而言之,该研究表明,具有高离子电导率和高电化学稳定性的新分子设计是合理设计下一代电池的新策略。

 

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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.:在二次绝缘聚合物基体中诱导聚合物半导体的分子聚集以增强电荷转移

聚合物半导体(PSCs)是下一代电子产品的理想材料类别。然而,大分子的构象复杂性,以及链间和链内独特的相互作用给控制PSCs的形态带来了挑战。此前有报道称,在超过一定的分子量后,薄膜电荷载流子的迁移率通常会因结晶度降低和纠缠度增加而下降。

 

在这里,斯坦福大学鲍哲南教授康宁公司Mingqian He合作,使用绝缘的二次聚合物基体,聚苯乙烯-嵌段-聚(乙烯-亚丁基)-嵌段-聚苯乙烯(SEBS),可以在多个长度范围内诱导PSCs的分子有序化。在SEBS/PSC杂化膜中,聚集诱导的分子排序与半导体组分的分子量密切相关。与SEBS共混的PSC分子量越大,聚合物的聚集性和取向改善越明显。这导致了在SEBS中只有30 wt%聚合物半导体的场效应晶体管(FET)中,电荷载流子迁移率增加了5倍,从0.3 cm2 V-1 S-1(P-97k)增加到1.5 cm2 V-1 S-1(P-97k)。此外,使用外延流驱动溶液剪切沉积法可以将迁移率进一步提高到2 cm2 V-1 S-1。利用二次聚合物基体显著改善高分子量PSC的分子结构和电荷转移是一种有效的形态控制策略。它也可以用非卤化溶剂来进行,如对二甲苯,它比常用的氯化溶剂更环保,在工业上也更相关。

 

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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:受生物启发的可拉伸膜基顺应性传感器

顺应性感觉是人类皮肤的独特特征,电子设备无法通过紧凑和薄型的形状因子设备来模仿。由于传感机制的复杂性,到目前为止,只有高精度或笨重的手持设备被用来测量材料的顺应性。这也阻止了能够完全模仿人类皮肤的电子皮肤的发展。有鉴于此,斯坦福大学鲍哲南Amir Foudeh韩国浦项科技大学Insang You等人开发了一种由一个应变传感器和一个压力传感器组成,且能够识别接触材料顺应性的薄型传感器。

 

本文要点:

1)该传感器可以以解耦的方式同时测量接触材料的表面变形和施加的压力。结果表明,该传感器能够以高灵敏度对材料的顺应性进行分类,从而可以识别出各种顺应性的材料。还研究了作为应变传感器的电容式和电阻式传感机制,并确认了集成器件作为顺应性传感器的运行情况。

2)将传感器在不同的应用中进行了测试,以验证其在人类感测能力方面的应用。由于该传感器外形小巧,因此可以很容易地集成到机器人系统中。将传感器集成到一个机器人手指上,演示了传感器的机器人功能,结果表明其可识别出不同顺应性的材料。

3)此外,阵列传感器配置允许顺应性映射,当抓取由多种具有不同顺应性的材料组成的物体时,该顺应性映射可以使机器人系统产生类似人的感觉。这些高度可调的传感器使机器人系统能够处理更高级和更复杂的任务,如对触摸的材料进行分类。


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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

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