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

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)

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

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。

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，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溃涔δ艿奈蓙y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)。

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同時與其他三個環(huán)相連，是NPC中最核心的結(jié)構(gòu)。IR具有C8的對稱性，每一個單元稱為內(nèi)環(huán)單體（IR monomer），且每個IR monomer又具有近似C2的對稱性，每個部分稱為內(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 ?，同時還獲得幾個重要的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?！笆湛s”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CNT tetramer內(nèi)部包含八個鉸鏈結(jié)構(gòu)，八個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域上展開，時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。

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域上展開。

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)計劃、“973”計劃、“863”計劃、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）通過共價鍵錨定在基底材料上。共價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。

已報道的（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。

《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)計策略，但是這些策略在增加器件延展性的同時，是以降低器件的功能密度為代價（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，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，將多個網(wǎng)格基底層疊，在不影響延展性的同時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。

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，研制了在一個指甲大?。?1×10mm2）面積上，集成包括微控制器等在內(nèi)的42個電子元件、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。

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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來源 | 機(jī)械系 材料學(xué)院 生命學(xué)院

精儀系 化工系 航院

排版 & 編輯 | 龔昕冉

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