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最近清華的科研成果有哪些?

機(jī)械系熊卓、張婷團(tuán)隊(duì)研發(fā)用于腫瘤藥物篩選的結(jié)直腸癌干細(xì)胞高效誘導(dǎo)新模型

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材料學(xué)院林元華團(tuán)隊(duì)合作發(fā)文闡釋鐵酸鉍材料疇工程的研究進(jìn)展

生命學(xué)院隋森芳課題組揭示酵母核孔復(fù)合物內(nèi)環(huán)的近原子分辨率結(jié)構(gòu)

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精儀系團(tuán)隊(duì)提出基于多模光纖模式色散和深度學(xué)習(xí)的高速全光纖化成像技術(shù)

化工系張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在單原子能源電催化領(lǐng)域取得系列突破

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航院張一慧課題組提出一種高集成度柔性電子器件的層疊網(wǎng)格封裝技術(shù)

機(jī)械系熊卓、張婷團(tuán)隊(duì)研發(fā)用于腫瘤藥物篩選的

結(jié)直腸癌干細(xì)胞高效誘導(dǎo)新模型

腫瘤干細(xì)胞(CSCs)是腫瘤的“種子”細(xì)胞,具有自我更新和多向分化的潛能,在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和耐藥中發(fā)揮重要的作用,靶向CSCs對于治療腫瘤具有重要的意義。但CSCs在腫瘤組織中的占比非常小,且缺乏有效標(biāo)志物,導(dǎo)致難以有效分離和富集CSCs,進(jìn)而限制了靶向CSCs的研究與藥物開發(fā)。近年來,為實(shí)現(xiàn)CSCs的分離與富集,國內(nèi)外的研究者提出了諸多方法,如懸滴法、克隆形成法、水凝膠微囊法和基于超低吸附培養(yǎng)的成球?qū)嶒?yàn)等,但依舊面臨著耗時(shí)耗力、成本高、干細(xì)胞富集球體不均勻和難以高通量等問題。

近日,清華大學(xué)機(jī)械系熊卓和張婷課題組在學(xué)術(shù)期刊《Small》發(fā)表題為”3D打印的甲基丙烯酸酐化明膠-納米黏土水凝膠通過激活Wnt/β-catenin信號通路誘導(dǎo)結(jié)直腸癌腫瘤干細(xì)胞”(3D Bioprinted GelMA-Nanoclay Hydrogels induce Colorectal Cancer Stem Cells through Activating Wnt/β-catenin Signaling)的研究論文。該研究基于生物3D打印研發(fā)了一種結(jié)直腸癌CSCs高效誘導(dǎo)與富集的新方法,探究了生物材料誘導(dǎo)CSCs的新機(jī)制,為CSCs研究和靶向CSCs的高通量藥物篩選提供了一種高效模型。

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3D打印GelMA-nanoclay水凝膠誘導(dǎo)富集腫瘤干細(xì)胞示意圖

作者研究發(fā)現(xiàn)甲基丙烯酸酐化明膠(GelMA)和納米粘土(nanoclay)制備成的雜化水凝膠具有良好的打印性能、孔隙率和接近體內(nèi)腫瘤的力學(xué)性能。結(jié)合生物3D打印,該雜化水凝膠能高效促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞的成球能力和細(xì)胞干性。機(jī)制研究表明,該雜化水凝膠主要通過重塑細(xì)胞外基質(zhì)并激活Wnt/β-catenin信號通路從而誘導(dǎo)和富集CSCs,可以作為CSCs誘導(dǎo)和富集的體外模型。與傳統(tǒng)的CSCs富集模型相比,通過GelMA-nanoclay水凝膠富集的CSCs微球形態(tài)均一,數(shù)量更多,具有更強(qiáng)的干性且對靶向CSCs藥物更加敏感,因此是腫瘤干細(xì)胞分離富集的更優(yōu)方法。

三維打印的雜化水凝膠具有誘導(dǎo)富集CSCs的特性,其誘導(dǎo)的CSCs球可作為靶向CSCs藥物篩選模型。(a-c)雜化水凝膠具有良好的孔隙率和生物相容性;(d-e)雜化水凝膠來源細(xì)胞微球的干性增強(qiáng);(f-i)雜化水凝膠誘導(dǎo)富集的干細(xì)胞球更多、更均一且對靶向CSCs藥物更加敏感

清華大學(xué)機(jī)械系生物制造中心博士后張艷梅為論文第一作者,清華大學(xué)機(jī)械系熊卓副教授為論文通訊作者。清華大學(xué)機(jī)械系生物制造中心張婷副研究員、清華大學(xué)自動化系古槿副教授和解放軍總醫(yī)院喬治副教授團(tuán)隊(duì)共同參與了本研究工作。論文作者還有機(jī)械系科研助理王子萱,自動化系2020級博士生胡啟帆,機(jī)械系2021級博士生駱浩、2018級博士生魯冰川,解放軍總醫(yī)院主治醫(yī)師高云鶴,以及機(jī)械系博士后周雍森、方永聰。該研究獲得清華大學(xué)人才引進(jìn)啟動經(jīng)費(fèi)基金項(xiàng)目的支持。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1002/smll.202200364

材料學(xué)院林元華團(tuán)隊(duì)合作發(fā)文闡釋

鐵酸鉍材料疇工程的研究進(jìn)展

鐵酸鉍(BiFeO3)同時(shí)具有鐵電性和反鐵磁性,是非常罕見的室溫多鐵性材料。自2003年這一特性被證實(shí)后,鐵酸鉍材料引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注和深入研究,它的結(jié)構(gòu)—性能關(guān)聯(lián)和調(diào)控一直是鐵電和多鐵領(lǐng)域的焦點(diǎn)。近期,結(jié)合團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域的研究成果,材料學(xué)院教授林元華等人系統(tǒng)總結(jié)了多鐵材料鐵酸鉍中基于疇工程的調(diào)控手段,綜述了疇工程在調(diào)控電學(xué)性能、磁電耦合和光學(xué)特性方面的重要作用。

鐵酸鉍材料具有很多優(yōu)異的性能。它的鐵電性非常強(qiáng),大的自發(fā)極化和高的居里溫度使得其在鐵電存儲、壓電換能、介電儲能等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景;它在單相中擁有鐵電、鐵磁兩種序參量,在磁電耦合和低能耗的電控磁方面很有潛力;它的能帶較傳統(tǒng)鐵電體小,與可見光波段適配較好,因此其在鐵電光伏、光致伸縮等方面也頗具研究價(jià)值。

鐵酸鉍中基于疇工程的主要調(diào)控手段

在鐵性材料中,一個(gè)區(qū)域內(nèi)序參量(如鐵電材料的自發(fā)極化、鐵磁材料的自發(fā)磁化)大小、方向一致,稱為疇。鐵酸鉍的眾多優(yōu)異性能都直接或間接地與其疇結(jié)構(gòu)有關(guān),因此疇工程在鐵酸鉍材料的性能調(diào)控和優(yōu)化中具有極為重要的地位。同時(shí),疇壁(相鄰疇之間的界面)處由于序參量處在非平衡位置,存在不同尋常的新奇物理現(xiàn)象,諸如異常高的電導(dǎo)、反常光伏效應(yīng)等,這方面的研究與疇結(jié)構(gòu)也緊密相關(guān),近年來迎來了快速的發(fā)展。

鑒于疇結(jié)構(gòu)在鐵酸鉍材料物性調(diào)控的中樞地位,本工作在疇—性能關(guān)聯(lián)的框架下系統(tǒng)總結(jié)了鐵酸鉍各類性質(zhì)的提升策略,并對進(jìn)一步的研究做了展望,研究成果以“鐵酸鉍中基于疇工程的可控電學(xué)、磁電和光學(xué)性能”(Controllable electrical, magnetoelectric and optical properties of BiFeO3 via domainengineering)為題3月18日在線發(fā)表在材料領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊《材料科學(xué)進(jìn)展》(Progress in Materials Science)。

材料學(xué)院林元華教授、南策文院士團(tuán)隊(duì)在包含鐵酸鉍在內(nèi)的多鐵和鐵電功能材料領(lǐng)域深耕20余年,在介電、磁電、光電和功能性疇壁等方面進(jìn)行了一系列基礎(chǔ)研究和應(yīng)用探索,相關(guān)論文發(fā)表在《科學(xué)》(Science)、《自然·納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)、《自然·通訊》(Nature Communications)、《先進(jìn)·材料》(Advanced Materials)等期刊上,引起學(xué)界的廣泛關(guān)注。

材料學(xué)院2020級博士生劉亦謙為論文第一作者,其他重要貢獻(xiàn)者包括材料學(xué)院2020屆博士畢業(yè)生潘豪(現(xiàn)為加州大學(xué)伯克利分校博士后)、北京航空航天大學(xué)王瑤副教授、昆明理工大學(xué)馬吉副教授、江蘇大學(xué)李順教授。相關(guān)研究工作受國家自然科學(xué)基金委和科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.100943

生命學(xué)院隋森芳課題組揭示

酵母核孔復(fù)合物內(nèi)環(huán)的近原子分辨率結(jié)構(gòu)

真核生物和原核生物最主要的區(qū)別在于真核生物進(jìn)化出了獨(dú)立的細(xì)胞核。細(xì)胞核由雙層膜(核膜)包裹,膜的存在使得細(xì)胞的核質(zhì)交流受到阻礙。核孔復(fù)合物(nuclear pore complex,NPC)是鑲嵌在雙層核膜上,控制核質(zhì)與胞質(zhì)間物質(zhì)運(yùn)輸?shù)奈ㄒ煌ǖ?,其功能的紊亂引起多種嚴(yán)重的疾病,包括癌癥。

70余年來,科學(xué)家們一直致力于解析NPC的高分辨率結(jié)構(gòu),然而由于其結(jié)構(gòu)內(nèi)在的柔性,組成的復(fù)雜以及體積的龐大,至今仍無法全面地闡釋其精確的構(gòu)成。3月18日,生命學(xué)院隋森芳教授團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞研究》(Cell Research)發(fā)表了題為“近原子分辨率的酵母核孔復(fù)合物內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)”(Near atomic structure of the inner ring of the Saccharomyces cerevisiae nuclear pore complex)的最新研究成果。該成果報(bào)道了近原子分辨率的酵母核孔復(fù)合物內(nèi)環(huán)(Innerring,IR)的結(jié)構(gòu),并闡述了NPC“伸展”和“收縮”的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),為進(jìn)一步理解NPC適應(yīng)不同生理環(huán)境的機(jī)制提供了理論依據(jù)。

最近清華的科研成果有哪些?

酵母NPC中IR的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。完整IR的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)(a)及其原子模型(b);c:IR dimer、IR monomer和IR protomer的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)

NPC是細(xì)胞內(nèi)體積最大,結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的蛋白質(zhì)機(jī)器,從酵母到人源細(xì)胞,NPC由來自30多種不同核孔蛋白的約550到1000個(gè)蛋白分子組成,相對分子質(zhì)量在60至120MDa左右。NPC具有三明治的結(jié)構(gòu)特征,包括四個(gè)同軸的環(huán)狀結(jié)構(gòu):位于胞質(zhì)側(cè)的外環(huán)(Cytoplasmic ring,CR)和核質(zhì)側(cè)的外環(huán)(Nuclear ring,NR),位于兩層外環(huán)之間的內(nèi)環(huán)IR,和穿插于雙層核膜內(nèi)部的腔環(huán)(Lumen ring,LR)。IR同時(shí)與其他三個(gè)環(huán)相連,是NPC中最核心的結(jié)構(gòu)。IR具有C8的對稱性,每一個(gè)單元稱為內(nèi)環(huán)單體(IR monomer),且每個(gè)IR monomer又具有近似C2的對稱性,每個(gè)部分稱為內(nèi)環(huán)原體(IR protomer)。該研究以釀酒酵母為研究對象,綜合運(yùn)用生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和冷凍電子顯微學(xué)的手段成功獲得了IR monomer和IR protomer的高分辨率結(jié)構(gòu),分辨率分別為3.73 ?和3.71 ?,同時(shí)還獲得幾個(gè)重要的IR亞基的結(jié)構(gòu),最終成功搭建了完整IR的原子模型,這是目前為止酵母NPC的IR最詳盡、最精確的結(jié)構(gòu)模型。

IR的“收縮”和“伸展”機(jī)制。“收縮”狀態(tài)(a)和“伸展”狀態(tài)(b)下鄰近內(nèi)環(huán)單體間相互作用的變化

該模型中成功搭建了192個(gè)蛋白分子,分子量約為16MDa,約占酵母核孔復(fù)合體質(zhì)量的三分之一。每個(gè)IR monomer由三層結(jié)構(gòu)組成:外層、中間層和內(nèi)層。其中外層中的Nup157和Nup170的N端靠近核膜,介導(dǎo)了IR與LR之間的相互作用;中間層“Z”字形的Nup188和Nup192形成了一個(gè)近70°的弧形凹槽用于容納內(nèi)層菱形的CNT四聚體(CNT tetramer)。每個(gè)CNT tetramer內(nèi)部包含八個(gè)鉸鏈結(jié)構(gòu),八個(gè)CNT tetramer形成了NPC最內(nèi)層感知物質(zhì)運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu),這種特殊的結(jié)構(gòu)特征可能為適應(yīng)不同體積的物質(zhì)的運(yùn)輸提供了結(jié)構(gòu)上的可變性。結(jié)構(gòu)分析顯示在IR monomer內(nèi)部存在大量的柔性的相互作用,相比之下,IR monomer之間的相互作用則較弱。通過與先前發(fā)表的原位的結(jié)構(gòu)比較發(fā)現(xiàn)該研究獲得的NPC處于“收縮狀態(tài)”,相鄰的IR monomer間依靠上述幾對較弱的相互作用維持;而原位的結(jié)構(gòu)則處于“伸展”狀態(tài),相鄰的IR monomer被“拉開”,產(chǎn)生了一個(gè)近七納米的“溝”,IR monomer內(nèi)部由于大量相互作用的存在而整體保持相對不變。

這些結(jié)果為深入理解NPC的組裝、構(gòu)象變化及其強(qiáng)大的生理功能提供了堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),對理解相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制以及研發(fā)相應(yīng)的治療方案和特異性藥物也具有重要意義。

清華大學(xué)生命學(xué)院教授隋森芳為本文的通訊作者,清華大學(xué)生命學(xué)院2017級博士生、南方科技大學(xué)訪問學(xué)生李宗強(qiáng),2018級博士生陳帥嘉彬,2017級博士生黃國強(qiáng),以及清華大學(xué)生命學(xué)院博士后、南方科技大學(xué)訪問學(xué)者趙亮為本文的共同第一作者。清華大學(xué)生命學(xué)院副研究員孫珊、南方科技大學(xué)冷凍電鏡中心教授王培毅也參與了該研究。膜生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心及北京市生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、科技部、國家自然科學(xué)基金委等為本研究提供了經(jīng)費(fèi)支持。

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41422-022-00632-y

精儀系團(tuán)隊(duì)提出基于多模光纖模式色散

和深度學(xué)習(xí)的高速全光纖化成像技術(shù)

多模光纖成像技術(shù)因其超細(xì)微型探頭和柔性結(jié)構(gòu)帶來的靈活性優(yōu)勢,在生物體內(nèi)成像、工業(yè)檢測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,獲得了業(yè)界廣泛的關(guān)注。目前,多模光纖成像技術(shù)主要分為兩類,一類通過在光纖遠(yuǎn)端產(chǎn)生聚焦點(diǎn)進(jìn)行掃描成像,另一類通過探測光纖近端的散斑場來恢復(fù)光纖遠(yuǎn)端被探測的全場圖像。這兩種技術(shù)途徑已有較完善的理論支撐,能得到較清晰的探測圖像,但同時(shí)也具有一些難以彌補(bǔ)的劣勢。例如,受限于空間光調(diào)制器、電荷耦合器件(CCD)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件的刷新速度,成像幀率較低,難以對高速的事件進(jìn)行成像。主要原因是空間光調(diào)制器結(jié)構(gòu)中包含自由空間光學(xué)元件,因此需要精密的光學(xué)對準(zhǔn),無法與傳像主體集成實(shí)現(xiàn)全光纖化,限制了其應(yīng)用范圍;成像波長受限于CCD或CMOS器件的感光光譜范圍,限制了其在紅外波段的成像能力。

高速多模光纖成像系統(tǒng)示意圖。a:實(shí)驗(yàn)原理圖;b:以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像恢復(fù)的流程圖;c:光纖探頭示意圖;d:照明光(黃色箭頭)側(cè)面注入探測光纖的示意圖,信號光(紅色箭頭)在纖芯中傳播;e:探測光纖遠(yuǎn)端照片,端面通過燒球來更好地聚焦照明光,比例尺500微米

為此,清華大學(xué)精儀系先進(jìn)激光技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)基于十多年來在光纖激光器、光纖器件和光纖傳感的技術(shù)積累,提出了基于多模光纖模式色散和深度學(xué)習(xí)的高速全光纖化成像技術(shù)。該技術(shù)采用皮秒脈沖光纖激光照明被測物,利用多模光纖的模間色散特性將被探測圖像的空間信息在時(shí)域上展開,時(shí)域信息通過單像素探測器進(jìn)行探測,并借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的方法,由一維時(shí)域信息恢復(fù)出二維圖像信息,整體結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。

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被探測圖像與其對應(yīng)的波形和恢復(fù)結(jié)果

該技術(shù)通過一個(gè)光纖側(cè)面耦合器將皮秒脈沖光纖激光耦合到探測光纖中,然后從光纖的遠(yuǎn)端出射照到物體上,反射光進(jìn)入探測光纖后緊接著進(jìn)入與之連接的一公里長的50/125微米直徑多模階躍光纖中傳播。由于模間色散的存在,進(jìn)入多模光纖的脈沖光會產(chǎn)生分裂形成脈沖串。如圖2所示,不同的光纖橫模具有不同的群速度,因此在時(shí)域上會彼此分離,而這些橫模包含了被探測圖像的空間信息,通過模式色散便可將被探測物體的空域信息在時(shí)域上展開。

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不同類型圖案的成像效果

通過超快光電探測器可以獲得脈沖串波形,經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練后,可以直接從不同的脈沖波形中恢復(fù)出被探測圖像。圖3展示了來自不同數(shù)據(jù)庫中圖案的成像效果。

該系統(tǒng)的成像幀率主要取決于脈沖光的重頻,目前實(shí)驗(yàn)中已實(shí)現(xiàn)高達(dá)15.4Mfps幀率的成像,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了達(dá)到53.5Mfps幀率的可行性。系統(tǒng)在高幀率成像的同時(shí)具備連續(xù)采集一萬幀圖像(大幀深)的能力。如果采用重復(fù)頻率更高的激光照明源,并搭配更快的光電探測器和時(shí)域波形采集設(shè)備,其幀率可以持續(xù)提升。

團(tuán)隊(duì)所提出的新技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是:幀率主要由脈沖光源的重頻決定,成像幀率高;全光纖化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,細(xì)如發(fā)絲的探頭大大增加了靈活性;單像素成像,探測波段不再受限于可見光,可擴(kuò)展到近紅外、甚至中波紅外等其他波段;采集時(shí)域信號而非空間分布,抗干擾能力強(qiáng)。該系統(tǒng)在某些高速成像場景中比如體內(nèi)高速細(xì)胞成像,或工業(yè)場景下對難以開放系統(tǒng)的內(nèi)部高速成像檢測等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。

該研究成果近日以“深度學(xué)習(xí)賦能全光纖高速圖像探測”(All-fiber high-speed image detection enabled by deep learning)為題,發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)上。該論文通訊作者為清華大學(xué)精密儀器系副教授肖起榕,第一作者為精密儀器系2018級博士生劉洲天。該研究得到了國家自然科學(xué)基金資助。

清華大學(xué)精儀系先進(jìn)激光技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人為系主任、教授柳強(qiáng),團(tuán)隊(duì)以現(xiàn)代化強(qiáng)國建設(shè)與國家重大需求為導(dǎo)向,著眼于光電子技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)發(fā)展前沿,圍繞固體激光、光纖光學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)、激光探測等方向,開展基礎(chǔ)科學(xué)探索、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和系統(tǒng)技術(shù)研發(fā),全面覆蓋高功率激光光源、光束控制、光電探測等技術(shù)領(lǐng)域。團(tuán)隊(duì)承擔(dān)國家科技重大專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、“973”計(jì)劃、“863”計(jì)劃、重點(diǎn)驗(yàn)證、專項(xiàng)配套型號研究等一系列重大項(xiàng)目,形成了從高功率激光光源到微弱光電信號測控的整套技術(shù)鏈條,具備完整的激光光電和測控技術(shù)能力,在相應(yīng)研究方面取得了重要進(jìn)展。2018年獲批建設(shè)光子測控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2019年入選重點(diǎn)領(lǐng)域科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29178-8

化工系張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)

在單原子能源電催化領(lǐng)域取得系列突破

近日,清華大學(xué)化工系張強(qiáng)教授研究團(tuán)隊(duì)在單原子能源電催化領(lǐng)域取得突破性成果。研究團(tuán)隊(duì)提出了“點(diǎn)擊限域”策略,建立了原子尺度分散活性位點(diǎn)的全新合成方法學(xué),為先進(jìn)功能材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了新的思路。

高效的催化過程是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的基石,對于高活性催化劑的追求永無止境。以單原子催化劑為代表的系列異相催化劑,具有原子尺度分散的活性位點(diǎn),保證了最大的原子利用效率,從而獲得了廣泛關(guān)注。然而,在高溫?zé)峤庵苽渖鲜龃呋瘎┑倪^程中,前驅(qū)體中的金屬原子(即活性位點(diǎn))存在強(qiáng)烈的團(tuán)聚趨勢,使得催化劑活性位點(diǎn)在原子尺度上的分散十分困難。研究發(fā)現(xiàn),對于金屬原子的限域可克服金屬原子之間強(qiáng)烈的團(tuán)聚趨勢。因此,有效的限域策略是保證在原子尺度分散活性位點(diǎn)的關(guān)鍵。目前,研究者已開發(fā)出“腔室限域”策略與“筑網(wǎng)限域”策略,但高效的限域策略依舊不足,限制了高性能電催化劑的設(shè)計(jì)與開發(fā)。針對這一問題,張強(qiáng)研究團(tuán)隊(duì)基于“點(diǎn)擊化學(xué)(Click Chemistry)”開發(fā)了一種新型限域策略,即“點(diǎn)擊限域”策略。

點(diǎn)擊化學(xué)是有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域一個(gè)新興、重要的合成理念。其主旨是通過點(diǎn)擊反應(yīng),形成以碳-雜原子鍵為代表的化學(xué)鍵,實(shí)現(xiàn)小單元的拼接,從而高效、可靠、模塊化地完成復(fù)雜分子的化學(xué)合成。在點(diǎn)擊化學(xué)的指導(dǎo)下,研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了“點(diǎn)擊限域”策略,作為一種全新的限域策略。具體地,研究者將含金屬的小分子(鈷卟啉)通過共價(jià)鍵錨定在基底材料上。共價(jià)鍵的方向性與飽和性確保了對其中金屬原子的有效限域,避免了前驅(qū)體合成與后續(xù)熱解過程中金屬原子之間的團(tuán)聚,從而保障了活性位點(diǎn)的分散。由此合成的異相催化劑具有高度分散的鈷原子活性位點(diǎn),并呈現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原/氧析出雙功能電催化活性。

最近清華的科研成果有哪些?

已報(bào)道的(A)“腔室限域”和(B)“筑網(wǎng)限域”策略;本工作提出的(C)“點(diǎn)擊限域”策略

“點(diǎn)擊限域”策略是一種在原子尺度分散活性位點(diǎn)的全新合成方法學(xué)。相比于“腔室限域”策略與“筑網(wǎng)限域”策略,“點(diǎn)擊限域”策略呈現(xiàn)出一系列本征優(yōu)勢?!包c(diǎn)擊限域”策略打破了“腔室限域”策略與“筑網(wǎng)限域”策略分別對含金屬小分子的分子尺寸與分子對稱性的嚴(yán)格要求,極大拓展了催化劑的合成途徑;“點(diǎn)擊限域”策略僅僅涉及分子尺度的對基底材料的表面改性與表面錨定,可最大程度維持基底材料既有形貌,有助于對催化劑形貌的理性設(shè)計(jì)與構(gòu)筑;“點(diǎn)擊限域”過程涉及的點(diǎn)擊反應(yīng)具有高度特異性,使得對催化劑活性位點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)筑提供了可能。該工作促進(jìn)了單原子催化劑更高效的合成與更廣泛的應(yīng)用,展示了點(diǎn)擊化學(xué)等有機(jī)合成策略在新材料精準(zhǔn)合成領(lǐng)域的巨大潛力。

相關(guān)工作近期以“點(diǎn)擊限域策略構(gòu)筑過渡金屬單原子位點(diǎn)用于雙功能氧電催化”(A clicking confinement strategy to fabricate transition metal single-atom sites for bifunctional oxygen electrocatalysis)為題發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》(Science Advances)上。

以單原子催化劑為代表的活性位點(diǎn)原子尺度分散的異相催化劑是現(xiàn)代能源電催化過程的關(guān)鍵能源材料。近期,張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)面向能源催化關(guān)鍵問題開展技術(shù)攻關(guān),針對上述催化劑的合成難題進(jìn)行深入研究探索,產(chǎn)生系列原創(chuàng)性成果。該研究團(tuán)隊(duì)以葫蘆脲超分子籠為腔室限域金屬原子,拓展了“腔室限域”策略的應(yīng)用圖景。超分子熱解過程中的自模板效應(yīng)保障了制備的催化劑中活性位點(diǎn)原子級分散與介孔結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。該材料有效加速了多硫化物的轉(zhuǎn)化動力學(xué),并由此構(gòu)筑了高性能鋰硫電池。此外,該研究團(tuán)隊(duì)完善了“筑網(wǎng)限域”策略的方法學(xué)。具體地,該團(tuán)隊(duì)制備了鈷配位卟啉有機(jī)骨架材料與石墨烯的雜合物作為前驅(qū)體,實(shí)現(xiàn)了鈷原子活性位點(diǎn)在原子尺度的有效限域,并通過進(jìn)一步模型實(shí)驗(yàn)指認(rèn)了配位鍵鎖定、共價(jià)鍵筑網(wǎng)、分子間作用調(diào)控形貌三者協(xié)同的重要意義,為基于“筑網(wǎng)限域”策略以在原子尺度分散活性位點(diǎn)提供了完善的理論指導(dǎo)。

“筑網(wǎng)限域”:以鈷配位卟啉有機(jī)骨架材料與石墨烯的雜合物為前驅(qū)體制備單原子催化劑

基于該團(tuán)隊(duì)在單原子能源催化劑結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的進(jìn)展,該團(tuán)隊(duì)近期受邀撰寫綜述,系統(tǒng)總結(jié)了單原子能源催化劑的設(shè)計(jì)與合成原則,揭示了單原子位點(diǎn)的局域結(jié)構(gòu)-電催化性能的構(gòu)效關(guān)系,展望了單原子催化劑面向能源電催化與實(shí)際能源器件的廣闊空間。

相關(guān)成果近期以“M–N–C單原子催化劑面向氧還原反應(yīng)的本征催化活性調(diào)控”(Intrinsic Electrocatalytic Activity Regulation of M–N–CSingle-Atom Catalysts for the Oxygen ReductionReaction)為題發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)上。

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《德國應(yīng)用化學(xué)》首頁關(guān)于單原子催化劑結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)綜述的介紹,寓意活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)筑,以面向多樣的能源電催化需求

上述研究論文的通訊作者為清華大學(xué)化工系長聘教授張強(qiáng),第一作者為化工系2019級博士生趙長欣。

以上研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金杰出青年基金、北京市科委重大項(xiàng)目、清華大學(xué)國強(qiáng)研究院、清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目的支持。

論文鏈接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn5091

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202003917

清華航院張一慧課題組提出一種

高集成度柔性電子器件的層疊網(wǎng)格封裝技術(shù)

隨著5G、大數(shù)據(jù)及萬物互聯(lián)技術(shù)的普及,柔性電子技術(shù)被賦予了更加廣闊的應(yīng)用空間。該領(lǐng)域一直以來的一個(gè)研究焦點(diǎn)是如何解決器件延展率和功能密度相互制約的難題。尤其是當(dāng)柔性電子器件經(jīng)過封裝后,如何使其保持較高的延展率,是一個(gè)亟需克服的挑戰(zhàn)。

為提升無機(jī)柔性電子器件的延展率,前人提出了“島-橋”導(dǎo)線、蛇形導(dǎo)線、分型導(dǎo)線及三維螺旋導(dǎo)線等設(shè)計(jì)策略,但是這些策略在增加器件延展性的同時(shí),是以降低器件的功能密度為代價(jià)(覆蓋率一般<80%)。前人也提出了將單層電路進(jìn)行折疊和層疊,提高柔性電子器件功能密度。但是,在經(jīng)過封裝后,由于封裝材料對導(dǎo)線變形的約束作用,為保持一定的延展率,其系統(tǒng)覆蓋率在此前研究中最高達(dá)到~76%,很難進(jìn)一步提高。

清華大學(xué)張一慧課題組提出了一種小型化、高集成度柔性電子器件的層疊網(wǎng)格封裝技術(shù),實(shí)現(xiàn)了兼具高延展率、高覆蓋率和類皮膚力學(xué)性能的無機(jī)柔性電子器件,解決了經(jīng)封裝的柔性電子器件的高延展率與高覆蓋率之間的矛盾。該課題組將前期研制的仿生網(wǎng)狀軟材料作為封裝材料,在降低對導(dǎo)線約束的同時(shí),利用網(wǎng)格的孔隙容納蛇形導(dǎo)線受拉伸之后的面外變形,以此提高延展性;同時(shí),將多個(gè)網(wǎng)格基底層疊,在不影響延展性的同時(shí)又提高了柔性電子器件的功能密度,實(shí)現(xiàn)了柔性電子器件的小型化集成與封裝。

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網(wǎng)格封裝策略及其與傳統(tǒng)固體封裝在延展率方面的對比

A.雙層網(wǎng)格封裝蛇形導(dǎo)線;B,C:網(wǎng)格封裝與固體封裝后最大彈性延展率對比及循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果;D,E:一個(gè)基于疊層網(wǎng)格集成策略的五層柔性電子器件示例

基于理論研究與實(shí)驗(yàn)測量,該課題組分析了蛇形導(dǎo)線-網(wǎng)格封裝體系中關(guān)鍵幾何參數(shù)對延展率的影響規(guī)律。揭示了網(wǎng)格封裝下蛇形導(dǎo)線的變形模式,提出了“約束因子”概念以定量刻畫器件的封裝材料與蛇形導(dǎo)線的相互競爭關(guān)系對其延展率的影響。在此理論指導(dǎo)下,研制了在一個(gè)指甲大?。?1×10mm2)面積上,集成包括微控制器等在內(nèi)的42個(gè)電子元件、80多條的蛇形導(dǎo)線的小型化多功能無線柔性電子器件,覆蓋率達(dá)到110%,且具有20%的雙向延展率。在此基礎(chǔ)上,展示了該器件作為無線鼠標(biāo)等在人機(jī)交互方面的應(yīng)用前景。

基于網(wǎng)格封裝的柔性電子器件參數(shù)分析及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

A,B:網(wǎng)格封裝蛇形導(dǎo)線參數(shù)分析及變形機(jī)理;C:實(shí)現(xiàn)的小型化多功能無線柔性電子器件實(shí)物圖;D:本研究與之前報(bào)道工作覆蓋率和延展率對比;E:無線鼠標(biāo)推箱子應(yīng)用演示

文章于3月16日在《科學(xué)·進(jìn)展》(Science Advances)期刊以“基于層疊網(wǎng)格的高集成度小型化可拉伸電子器件”(Highly-integrated, miniaturized, stretchable electronic systems based on stacked multilayer network materials)為題發(fā)表,并被選為當(dāng)期封面。

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該研究被選為《科學(xué)進(jìn)展》當(dāng)期封面及實(shí)現(xiàn)的高集成度小型化柔性電子器件三維圖

清華大學(xué)張一慧教授是該文章的通訊作者。清華大學(xué)航院博士后宋洪烈、訪問博士生羅國全(來自哈工大2017級)為文章的共同第一作者。清華大學(xué)航院2019級博士生籍梓垚、2016級博士生白柯、2016級博士生劉建星、2017級博士生程旭、2017級博士生龐文博、2019級博士生沈張明,以及航院博士后柏韌恒、薛兆國等參與了此項(xiàng)研究。該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金委原創(chuàng)探索計(jì)劃、基金委創(chuàng)新研究群體和青年科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm3785

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