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从蜘蛛侠同款杀手锏到离子计算器，西湖大学材料分支挑战你的想象力

大学作者：西湖大学 2021-06-01 17:41:49

石器时代、青铜器时代、铁器时代、钢铁时代……回顾人类社会发展长河，材料是文明的基石，也是划分历史进程的重要标志。那么来到21世纪，我们所使用的材料将发生哪些变化？又有哪些“新材料”，正在孕育之中？

5月29日，一场特别的开放日在西湖大学云栖校区举行。工学院材料科学与工程分支的相关实验室，迎来了来自浙江大学、复旦大学、华东师范大学、山东大学、南京大学等7所高校的同学，他们都对“材料”这个话题充满兴趣。

李凌欢迎参与开放日的同学

欢迎仪式上，工学院常务副院长李凌介绍，工学院材料科学与工程分支(MSE)的具体研究方向包括可再生能源和可持续性材料、下一代信息材料、未来医学材料、智能设计和工艺工程领域等。

“人口爆炸、人口老化、能源消耗，这些都是当前人类发展进程中面临的重大危机，而西湖大学材料方向紧盯着这些制约人类发展的关键环节。”工学院科研副院长、材料科学与工程分支负责人张科春说，西湖大学在材料领域致力于开展跨学科研究，旨在对智能社会、可持续性、健康和其他全球挑战产生重大影响。

开放日进行时

那么，这些实验室究竟在做什么？有哪些有趣又有用的研究？接下来，从云栖校园到科研平台，从实验室到与PI面对面，一场关于“西湖材料”的深度游就此拉开帷幕。

错过开放日活动的同学们，不妨跟着小编一起去看看。

生物制造和新材料实验室

张科春：用酿酒的方法来制造环保材料

张科春

我们在做的第一个方向，是环保材料。人类的生活轨迹已经延展到世界的每一个角落。面对未来，我们要持续发展，就需要使用新型的材料，不对世界造成永久性的破坏。而材料的产生方式有很多种，类似酒水由酵母发酵而得，我们采用“酿酒”方法来生产新的功能性材料与功能性化学分子——通过智能设计、基因技术，系统代谢工程等多学科来实现生物制造。比如，我们曾利用细胞发酵的方法得到一种新的生物合成分子，能够被做成高分子材料，能像橡胶一样自由拉伸，应用范围很广。

第二个方向是绿色制造。以前很多化工材料行业的采用比较陈旧的老工艺，使用剧毒性化学原料。我们实验室通过基因工程和代谢工程的方法，以葡萄糖作为原料，进行绿色发酵，来生产这些日用化学品。这种新的制造方法的生产成本、环保因素都得到了极大的改进。

功能生物材料实验室

郭成辰：寻找蜘蛛侠“同款”医疗器械

郭成辰

我们现在研究的方向主要是开发新型的、生物可吸收的材料，针对组织的修复再生和药物递送。用蜘蛛丝在高楼间穿梭的蜘蛛侠，利用的正是以自己蛋白质为基底的生物材料；而我们正在改进和加工的，也正是以蛋白质为基底的生物材料。

许多传统医疗器械，比如心血管支架和骨修复器械，都是以金属为基底，在植入患者体内后，会长期停留，也可能会造成长期的不良反应，引发二次手术的需求。而我们正在开发新型的、生物可吸收的材料，在植入体内、完成特定功效之后，它们可以被人体安全的降解或者吸收，从而避免再进行二次手术将其取出。

同样，我们可以通过利用生物可吸收的材料来制作微针贴片。这些贴片负载一些功能性的药物，将它们附着在皮肤上后，微针可以穿透皮肤，将药物有效地送达血液中，从而有效地避免了传统通过皮下注射方式带来的一些痛苦。

先进固态半导体实验室

孔玮：造就更快更高效的电子器件

孔玮

我们所聚焦的领域主要是电子器件，主攻方向包括电子和计算。一方面，我们的工作拟用一种新的材料或多种材料取代硅（新型二维材料或超薄准二维材料），进一步提高中央电脑或超级电脑的性能——现在在电子器件或集成电路的范围里，正在使用的99%的材料可能都是硅。另一方面，我们也做边缘运算，它能够为可穿戴设备（如手表、耳机及人机交互的一些部件）所需的低功能、低成本运算提供新的平台。

同时，我们也在开发三维异质结构堆叠工艺。元素周期表里有一百多种元素，将元素组合起来，每一个新的组合都有一个新的性能。异质结就是把不同的材料集成在一起，达到一些多功能的组合，以期让性能有进一步的提高。但这在材料学上是比较难实现的，所以我们正在攻克其中的难点。

固态离子学实验室

陆启阳：操纵固体里面的离子，应对能源和信息方面的挑战

陆启阳

一块陶瓷、一块玻璃，我们平时所见的固体材料，都是由很多离子组成的。如何操纵这些固体里面的离子，去达到我们所需要的材料的性质，最终达到为我们所用的特定目的——这就是我们的研究领域，固态离子学。

我们的研究涉及到两方面的应用。一方面是操纵固体里的离子，去设计一种叫固态氧化物燃料电池（SOFC）的器件。我们可以利用这种清洁能源器件去高效地利用氢能源。更为重要的是，同样一种器件，如果结合可再生能源，还可以清洁地产生氢能，达到新能源的闭环利用。

另一方面，我们正在探索通过操纵固体里面的离子，做一种新型的离子-电子计算器件的可能性。人脑是一个非常强大的计算的部件，但是我们大脑平时所用的能耗只有20瓦，与一个白炽灯泡相似。而人脑的工作原理就是操纵神经元和神经突触的离子。如果我们能仿照大脑这样的结构操纵离子去做计算，我们或许可以做到现在计算机做不到的功能。

材料模拟与设计实验室

李文彬：用计算机模拟和人工智能“导航”发现新材料

李文彬

化学周期表有100多种元素，这100多种元素构成了各种各样的晶体，而晶体有各种各样的晶体结构。可以想象，材料的组成空间是非常大的。而采用传统的材料模拟研究方式，用实验的方式去研究，较为低效。

我们的研究，利用材料理论、计算机模拟，再结合人工智能的方式去开发新材料。当我们把计算机模拟和人工智能结合起来，就可以高效地在巨大的材料参数空间里，寻找更好的材料性能，从而达到加速材料研发、降低研发成本的目的。

眼下，我们主要关注硫系功能材料和低维半导体材料中的新奇物性与多场耦合效应、相转变，以及电学输运性质。

先进材料和功能器件实验室

师恩政：寻找最强最导电的碳纳米管

师恩政

我们的研究主要分为三个方向。一个是新一代的半导体异质结。半导体异质结是一个偏半导体物理、凝聚态物理的概念，是现代电子学非常重要、非常基础的元件，它最典型的应用是太阳能电池、芯片等。比如，二维卤素钙钛矿异质结在太阳能电池里会发挥很好的作用，使得电池效率更高、寿命更长、成本低廉。

二是基于碳纳米管的“最结实”的材料。我们关注如何把碳纳米管做成一个宏观的纤维，让它变得足够结实，甚至于胜任非常科幻的需求——比如作为太空天梯的材料，连接地面空间站和太空中与地球同步的卫星。

三是最导电的材料。在芯片这样很小尺寸应用的场合，需要材料越来越小、电极越来越小，如果我们仍然使用传统的金属（比如铝、铜、银和金），散热就会导致其氧化或者分解。碳纳米管的优势就显现出来了——和传统金属相反，当它做得越小的时候，优势越明显。

新型太阳能电池实验室

王睿：构建更加稳定高效的第三代太阳能电池

王睿

我长期从事第三代太阳能电池的研究。

相比传统的太阳能转化方式，第三代太阳能电池，例如钙钛矿太阳能电池，更为高效、便宜，因而被认为是非常有发展前景的。

目前，我们实验室旨在通过对材料本身的缺陷态物理及降解机制的深入研究，构建更加高效且稳定的第三代太阳能电池，为碳中和目标做出贡献。这其中主要包括四块的研究方向：钙钛矿光电器件的制备与表征：包括太阳能电池（单节，叠层），发光二极管，以及光电探测器等；钙钛矿材料的稳定性和缺陷态的机理研究；寻找新型有机无机杂化光伏材料；其他光伏电池研究。

低维功能材料与器件实验室

徐宇曦：开发一张最具应用潜力的“纸”

徐宇曦

二维功能材料，是我们实验室的研究领域。所谓二维，就相当于“一张纸”，只不过二维材料的厚度比纸要薄几万倍，相当于一个原子层的厚度。这种超薄的特性以及二维材料特性，决定了它在二维平面的电子传输、力学拉伸性以及在物质的传输方面都有非常独特的优势。所以，二维材料在电子能源、航空航天复合材料、环保等方向都有非常大的应用潜力，例如，石墨烯作为二维功能材料，已经应用于人类的日常生活中，比如用于过滤污染物、排散热量、用在电子产品的电池上等。

未来，二维材料将会是一种很前沿、很新鲜的优质材料，有助于改善我们日常生活的方方面面。我们通过基础研究研发它的基础规律，继而通过产业化研究，把它做成有用的材料。