梳理：鮑哲南院士研究進展精選
人物簡介：
鮑哲南，女，1970年出生于中國南京，化學家，美國國家工程院院士，斯坦福大學化學工程系教授。1987年鮑哲南考取南京大學化學系；1995年獲得美國芝加哥大學化學系博士學位后進入了貝爾實驗室任職；2001年獲得貝爾實驗室杰出研究人員稱號；2004年進入斯坦福大學化學系任教；2007年獲得斯坦福大學工程教學女教師優秀獎；2010年底作為創辦人之一的C3Nano公司在美國硅谷成立；2011年獲得影響世界華人大獎；2015年被選為《自然》雜志年度十大人物；2016年當選美國國家工程院院士；2017年獲得世界杰出女科學家成就獎。
鮑哲南院士課題組的研究范圍包括化學、材料科學、能源、納米電子學和分子電子學，有機和高分子半導體材料、傳感材料、有機半導體晶體管、有機太陽能電池、電子紙、人工電子皮膚。因在人工電子皮膚領域做出了重大貢獻，被稱為“人工電子皮膚”之母。
為方便大家快速預覽近年來鮑哲南院士和他的研究團隊的科研成果，小編匯總了在材料人上宣傳過的成果：
發表的論文：
PNAS:用于生物學電生理記錄的導電軟微柱電極陣列
在斯坦福大學鮑哲南教授和崔便曉副教授團隊（共同通訊作者）帶領下，開發了一種高導電性、水穩定性、生物相容性、類似生物組織的楊氏模量的水凝膠:導電水凝膠（ECH）。在這項工作中，團隊使用該材料制作3D，基于水凝膠的軟微柱電極陣列（ECH-MEAs），用于單細胞，細胞膜外電生理記錄。觀察到柔軟的軟微柱電極跟隨心肌細胞的收縮-松弛周期彎曲，從而最大限度地減少了對細胞自然、有節奏的收縮的任何障礙。為了制備ECH-MEA，使用用電離子液體改性的聚（3,4-亞乙二氧基噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）ECH作為電極材料。60個ECH微柱被光刻成圖案陣列，每個ECH微柱直徑為3μm。每個微柱可獨立尋址，并通過印刷電路板連接到多通道電生理系統。相關成果以題為“Soft conductive micropillar electrode arrays for biologically relevant electrophysiological recording”發表在了PANS上。
文獻鏈接：Soft conductive micropillar electrode arrays for biologically relevant electrophysiological recording（PANS, 2018, DOI: 10.1073/pnas.1810827115）
Adv. Funct. Mater.：聚合物半導體的機械性能和電子性能如何盡可能兼得
斯坦福大學的鮑哲南教授（通訊作者）、Jaewan? ?Mun（第一作者）在著名學術期刊Adv. Funct. Mater.上發表了題為Effect? of? Nonconjugated? Spacers? on? Mechanical? Properties? ?of? ?Semiconducting? Polymers? for? Stretchable? Transistors的文章。該文研究了柔性程度、長度不同的3種非共軛隔離鏈段，發現更長的、柔性程度更高的非共軛隔離鏈段能提高聚合物半導體的韌性，降低聚合物半導體的彈性模量，同時聚合物半導體的遷移率沒受到很大的影響，同時用最合適的聚合物半導體制備了可完全拉伸的晶體管。上述結果表明了在共軛聚合物中引入非共軛隔離鏈段能有效地調控機械性能，同時不會顯著地犧牲電子性能。
文獻鏈接：Effect of Nonconjugated Spacers on Mechanical Properties of Semiconducting Polymers for Stretchable Transistors（Adv. Funct. Mater.?2018，DOI: 10.1002/adfm.201804222?）
Nat. Nanotech.：電子皮膚
2018年8月20日，美國斯坦福大學的鮑哲南教授（通訊作者）與Donghee Son、Jiheong Kang和Orestis Vardoulis（共同第一作者）在國際頂級綜合性期刊Nat. Nanotech.上發表了文章：An integrated self-healable electronic skin system fabricated via dynamic reconstruction of a nanostructured conducting network。本文報道了能夠監視生理信號并通過用戶和電子設備之間的閉環通信顯示反饋信息的電子皮膚設備將用于下一代可穿戴設備和“物聯網”。這種裝置需要超薄的構造以實現與人體的無縫和保形接觸，從而適應來自重復運動的應變并且佩戴舒適。最近，自修復化學推動了可變形和可重構電子器件的進步，特別是可自修復的電極系統。在之前的研究中，與具有自修復動態性質的聚合物基材不同，遭到破壞的導電網絡在損壞后不能恢復其可拉伸性。在這里，本文報道了當與動態交聯的聚合物網絡接觸時導電納米結構的自重建與自修復。這與自修復聚合物的自粘合性質相結合，允許隨后的互連、傳感器和發光裝置的異構多組件裝置集成到單個多功能系統中。這一首款自主自修復和可拉伸的多組件電子皮膚為未來強大的電子設備的發展鋪平了道路。
文章鏈接：An integrated self-healable electronic skin system fabricated via dynamic reconstruction of a nanostructured conducting network. (Nat. Nanotech., DOI: 10.1038/s41565-018-0244-6)
JACS：具有可拉伸，抗撕裂和自我修復的四重氫鍵交聯超分子聚合物薄膜電極材料
斯坦福大學鮑哲南院士和 新加坡南洋理工大學?陳曉東（共同通訊作者）課題組在JACS上發表了題為“Quadruple H-Bonding Cross-Linked Supramolecular Polymeric Materials as Substrates for Stretchable, Antitearing, and Self-Healable Thin Film Electrodes” 的文章。研究團隊報道了通過縮聚的超分子聚合物材料的從頭化學設計，其由軟聚合物鏈（聚四亞甲基二醇和四甘醇）和強而可逆的四重氫鍵交聯劑（0至30摩爾％）。前者有助于形成SPM的軟區域，后者為SPM提供理想的機械性能，從而生產柔軟，可拉伸但又堅韌的彈性體。觀察到所得到的SPM-2具有高度可拉伸性（高達17000％應變），韌性（斷裂能?30000J / m2）和自修復性，這是非常理想的性能，并且優于先前報道的彈性體和強韌的水凝膠。此外，沉積在該SPM基底上的金薄膜電極保持其導電性，并將高拉伸性（?400％），斷裂/缺口不敏感性，自修復和與金膜的良好界面粘合性結合。同樣，這些性能與常用的基于聚二甲基硅氧烷的薄膜金屬電極都是高度互補的。最后，研究人員繼續通過肌電圖信號的體內和體外測量來證明我們制造的電極的實際效用。從調查這些SPM獲得的這一基本理解將促進智能軟材料和柔性電子產品的發展。
文獻鏈接： Quadruple H-Bonding Cross-Linked Supramolecular Polymeric Materials as Substrates for Stretchable, Antitearing, and Self-Healable Thin Film Electrodes（JACS，2018，DOI: 10.1021/jacs.8b01682 ）
nature：基于本征可拉伸晶體管陣列可擴展制備工藝的類皮膚電子器件
斯坦福大學鮑哲南教授研究團隊開發了可對不同本征可拉伸材料實現高成品率和器件性能均勻的制備工藝，并實現了晶體管密度為347/ cm2的內在可拉伸聚合物晶體管陣列，這是迄今為止在所有已報道的柔性可拉伸晶體管陣列中的最高密度。該陣列的平均載流子遷移率可與非晶硅相當，在經過1000次100%應變循環測試后也只有輕微改變，同時，還無電流-電壓遲滯。
基于上述制造工藝，該團隊首次研發出皮膚一樣屬性的可拉伸集成電路元件，如有源陣列與傳感器陣列集成的可拉伸觸覺電路，可粘附到人體皮膚表面，使柔性電子裝置佩戴或使用更加舒適。其所開發的工藝為結合其他內在可拉伸聚合物材料提供了一個通用加工平臺，使制造下一代可拉伸類皮膚電子器件成為可能。
文獻鏈接：Skin electronics from scalable fabrication of an intrinsically stretchable transistor array（Nature, 2018, DOI:10.1038/nature25494）
Nature Energy：堅韌導電的高體積和高面積容量二維MOFs材料
來自斯坦福大學的鮑哲南教授課題組聯合斯德哥爾摩大學和阿貢國家實驗室在著名Nature子刊Nature Energy上發表題為” Robust and conductive two-dimensional metal organic frameworks with exceptionally high volumetric and areal capacitance”的文章。該文章報道了一種設計具有氧化還原活性的導電MOF材料用于超級電容器方法，這種MOF的容量由贗電容貢獻，而不是電雙層電荷。為了增加氧化還原活性中心，選取了超小的HAB(hexaaminobenzene)連接體構筑導電MOF。HAB連接體與d8和d9直角-平面配位幾何的金屬種類一致，因而產生了亞納米孔。這一特性產生了高體積和大面積電容，能用于亞毫米厚度的電化學電容器。
文獻鏈接：Robust and conductive two-dimensional metal organic frameworks with exceptionally high volumetric and areal capacitance(Nature Energy: 10.1038/s41560-017-0044-5)
Adv. Energy Mater:了解低聚聚苯乙烯側鏈分布排列對全聚合物太陽能電池性能
來自斯坦福大學的鮑哲南教授(通訊作者)團隊在Advanced Eenergy Materials上發表了一篇題為“Understanding the Impact of Oligomeric Polystyrene Side Chain Arrangement on the All-Polymer Solar Cell Performance”的文章，文中報道了該研究團隊有關光敏層中聚合物的分子形態對全聚合物太陽能電池性能影響的最新研究成果。在該文中，低聚聚苯乙烯(PS)側鏈引入共軛主鏈被證明可以增強半導體聚合物的加工性和電子性能。研究者制備兩種具有不同摩爾百分比的PS側鏈的給體和受體聚合物，以研究闡明它們的取代分布排列對于全聚合物太陽能電池性能的影響。當PS側鏈在給體聚合物上被取代時，觀察到的電池器件性能較低，當PS側鏈在受體聚合物上被取代時，觀察到的電池器件性能較高。研究表明，將PS側鏈引入受體聚合物有助于共混聚合物膜中相分離疇尺寸的降低，然而減小的疇尺寸仍然比典型的激子擴散長度大一個數量級。詳細的分子形態學研究以及原始PS、給體和受體聚合物的溶解度參數的估計顯示，每個組分的溶解度的相對值主要對相分離結構域的純度有正向作用，這強烈影響了光電流的的數量和太陽能電池的整體性能。
文獻鏈接：Understanding the Impact of Oligomeric Polystyrene Side Chain Arrangement on the All-Polymer Solar Cell Performance (Adv. Energy Mater, 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701552)
PNAS: 生物相容并完全可分解的半導體聚合物在超薄超輕瞬態電子器件中的應用
來自斯坦福大學的鮑哲南教授（通訊作者）等人報道了一種生物相容并完全可分解的半導體聚合物，并將其應用在了超薄超輕的瞬態電子器件中，相關的研究成果以“Biocompatible and totally disintegrable?semiconducting polymer for ultrathin and?ultralightweight transient electronics”為題發表在了Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上。
本文研究的半導體聚合物完全可降解并具有生物兼容性，可用于薄膜晶體管中。這種聚合物由可逆的亞胺鍵連接，其組成部分可以在溫和的酸性條件下輕易分解。此外，超薄、可生物降解并具有較高化學和熱穩定性的襯底也被開發出來。結合鐵電極，文中也成功制備出了完全可降解和生物兼容性的聚合物晶體管和贗互補金屬氧化物半導體（pseudo-CMOS）柔性電路。這種贗互補金屬氧化物半導體柔性電路具有超薄和超輕的特點，其開路電壓低，并有望應用于低成本、生物兼容以及超輕的瞬態電子器件中。本文是有機材料領域的重要進展，能夠廣泛應用于環境友好并可降解的電子器件中。
文獻鏈接：Biocompatible and totally disintegrable semiconducting polymer for ultrathin and ultralightweight transient electronics（P. Natl. Acad. Sci. USA, 2017, DOI: 10.1073/pnas.1701478114）
Science Advances：具有高度延展性、透明度的導電聚合物
來自斯坦福大學的鮑哲南（通訊作者）等人提出了一種得到高度延展性和導電性的PEDOT薄膜的新方法，其表現出了很高的循環穩定性。相關的研究成果以“A highly stretchable, transparent, and conductive polymer”為題發表在了2017年3月10日的Science Advances上。
先前在可延展電子器件上的重大突破都來源于應變工程和納米復合物的研究。對于本身就具有延展性的分子材料的研究鮮有報道。本文對具有高度延展性的導電聚合物進行了研究，其特性通過與一系列增強劑相結合實現，這些增強劑具有雙重功能：可以改變形貌和充當PEDOT:PSS（聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸）中的導電性增強摻雜劑。與先前報道的具有最佳性能的PEDOT:PSS相比，實驗中的聚合物薄膜在0%應變下導電率為3100S/cm，100%應變下為4100 S/cm，在已報道的可延展導體中其導電率最高。其在100%應變下經過1000次循環仍能保持3600S/cm的導電率。在600%的應變下，其導電率仍能保持100S/cm以上。此外，其斷裂應變高達800%，遠超最好的銀納米線、碳納米管基可延展導電薄膜。優異的電學和機械性能的結合使得其能夠作為場效應晶體管陣列間互連的媒介，這比傳統的平板印刷波浪互聯下的器件密度提高了五倍。
文獻鏈接：A highly stretchable, transparent, and conductive polymer（Sci. Adv., 2017, DOI: 10.1126/sciadv.1602076）
Science ：基于納米限域的高伸縮性聚合物半導體薄膜
斯坦福大學鮑哲南教授（通訊作者）和三星先進技術研究院的Jong Won Chung（通訊作者）等人通過探索基于聚合物的納米限域的概念，以顯著地改善聚合物半導體的拉伸性，而不影響電荷傳輸遷移率。在納米限域下增加的聚合物鏈動力學顯著降低共軛聚合物的模量，并大大延遲在應變下的裂紋形成的開始。基于上述原理，他們制備的半導體膜可以拉伸到100％應變，而不影響遷移率，保持值與非晶硅相當。他們展示的完全可拉伸的晶體管表現出高的雙軸拉伸性，即使用鋒利的物體戳刺時，導通電流的變化也很小，此外，他們還展示了一個皮膚般的手指可穿戴的發光二極管驅動。
文獻鏈接：Highly stretchable polymer semiconductor films through the nanoconfinement effect（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aah4496）
Nature：用于有機晶體管的本征可拉伸和可愈合半導體聚合物
美國斯坦福大學鮑哲南（通訊作者）研究組2016年11月17日報道了一種本征可拉伸半導體聚合物的設計，引入化學基團促進共軛聚合物的動態非共價鍵交聯。當產生應變時，這些非共價交聯部分能夠通過斷裂鍵而經歷能量耗散機制，保持較高的電子遷移能力（超過1 cm2?V?1s?1）。結果顯示在百分之百的應變之下，該半導體聚合物的場效應遷移率能依舊維持1.12 cm2?V?1s?1?。
文獻鏈接：Intrinsically stretchable and healable semiconducting polymer for organic transistors（Nature, 2016, doi:10.1038/nature20102）
ACS Nano：可伸縮全碳碳晶體管在可伸縮電子器件應用中限制因素的研究
斯坦福大學鮑哲南教授（通訊作者）在ACS Nano發表了“Investigating Limiting Factors in Stretchable All-Carbon Transistors for Reliable Stretchable Electronics” 的文章。研究人員設計和構建了由SWNT半導體電極和非極性彈性體電介質組成的可伸縮晶體管。非極性彈性體電介質的使用可有效改善器件的無滯后特性。與SiO2介質器件相比，非極性電介質可伸縮器件在環境條件下因沒有摻雜水而表現出較低的移動率。通過使用不同SWNT源作半導體，研究SWNT帶隙對器件特性的影響。大帶隙SWNT表現出由電介質的低電容引起阱缺陷。相比之下，基于較小帶隙的SWNT大電流器件則受到接觸電阻的限制。在所有SWNT測試源中，最大直徑為1.5?nm的SWNT可伸縮晶體管具備最佳性能，其遷移率為15.4?cm2/Vs，開/關比>?103。大帶隙器件對應力具有更高的靈敏度，且依賴于電介質的厚度；而接觸受限器件則明顯表現出較小的應力依賴性。
文獻鏈接：Investigating Limiting Factors in Stretchable All-Carbon Transistors for Reliable Stretchable Electronics（ACS Nano?2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b02458）
Adv. Funct. Mater.：電場調控用于分子排列及溶液剪切涂覆的有機半導體薄膜的電學性質
來自斯坦福大學的鮑哲南教授和Michael F. Toney博士（共同通訊）等人以“Electric Field Tuning Molecular Packing and Electrical Properties of Solution-Shearing Coated Organic Semiconducting Thin Films”為題在Advanced Functional Materials上發表文章，研究了電場對分子排列的調控和溶液剪切涂覆的有機半導體薄膜的電學性質。
最近在溶液涂覆有機半導體中的研究進展證明了其在廉價有機電子器件和傳感器領域具有很高的應用潛力。其中分子的排列直接決定著固體中電荷的傳輸。實驗中利用電場對溶液剪切涂覆的有機半導體的晶體排列進行了很好的調控。研究中首先提出了基于介電泳的理論模型用以指導選擇電場的最優條件（頻率和振幅），并將最優條件應用在溶液剪切涂覆有機半導體薄膜的過程中。隨后得到了電場誘導的同時具有人形結構和二維磚墻結構填充圖案的同質多晶。實驗表明，最佳的分子排列具有更高的載流子遷移率。
文獻鏈接：Electric Field Tuning Molecular Packing and Electrical Properties of Solution-Shearing Coated Organic Semiconducting Thin Films（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201605503）
綜述文章：
Nature Materials綜述：義肢用電子皮膚的探索
斯坦福大學鮑哲南教授（通訊作者）等人在Nature Materials上發表的題為“Pursuing prosthetic electronic skin”的綜述系統介紹了用于模仿皮膚感知和產生仿生信號的材料選擇與電子器件的設計進展。該綜述通過對真實皮膚的感官和傳感機制的研究、柔性仿皮膚材料的機械性能、如何塑造皮膚感知功能、感知信號編碼處理和中樞神經感知機制等方面介紹了實現人造電子皮膚所面臨的問題與攻克方法。
文獻鏈接：Pursuing prosthetic electronic skin (Nature Materials, 2016, doi:10.1038/nmat4671)
往期匯總回顧：
鈣鈦礦太陽能電池圖鑒——2018年度ESI高被引論文中的鈣鈦礦太陽能電池匯總
本文由材料人編輯部編輯。
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