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(duì)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(hào)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(hào)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(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)化系2020級(jí)博士生胡啟帆，機(jī)械系2021級(jí)博士生駱浩、2018級(jí)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(dòng)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(chǔ)、壓電換能、介電儲(chǔ)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(duì)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(jí)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(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)。

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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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?！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(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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)博士生、南方科技大學(xué)訪問學(xué)生李宗強(qiáng)，2018級(jí)博士生陳帥嘉彬，2017級(jí)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(duì)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(duì)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(hào)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。

被探測圖像與其對(duì)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(huì)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(huì)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。

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(hào)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(duì)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(jí)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(hào)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(hào)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(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(duì)含金屬小分子的分子尺寸與分子對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)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(dòng)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。

《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(jí)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(duì)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(duì)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。

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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)其延展率的影響。在此理論指導(dǎo)下，研制了在一個(gè)指甲大小（11×10mm2）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(duì)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(jí)）為文章的共同第一作者。清華大學(xué)航院2019級(jí)博士生籍梓垚、2016級(jí)博士生白柯、2016級(jí)博士生劉建星、2017級(jí)博士生程旭、2017級(jí)博士生龐文博、2019級(jí)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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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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