中国学者光耀麻省理工世界新兴技术峰会 | 独家专访

海归学者发起的公益学术平台

分享信息，整合资源

交流学术，偶尔风月

从监测健康数据的防汗带、太阳能净化水、到微结构的三维自组装，中国学者凭什么让MIT刮目相看？请看知社独家专访，及微结构三维自组装技术的深度介绍。文末有获奖者演讲视频和Science论文下载。

近日，麻省理工《技术评论》(MIT Technology Review) 主办的2016年度EmTech世界新兴技术峰会在麻省理工学院 Media Lab举行，展示了工程技术领域的年度新发明、新发展、新突破。峰会的重头戏是2016年度《技术评论》“世界杰出青年创新家” (TR35) 的颁奖典礼和获奖者专题演讲，介绍各自的创新成果。今年，共有六名中国学者获此殊荣。

自1999年起，麻省理工《技术评论》每年评选发布TR35榜单，表彰全球范围内35名35岁以下的“世界杰出青年创新家”。此前很多获奖者后来都大名鼎鼎，富可敌国，如Google两名创始人Larry Page和Sergey Brin，Facebook创始人扎克伯格，和石墨烯共同发明人，诺贝尔物理奖得主Konstantin Novoselov。而中国获奖人，也有大家非常熟悉的庄小威、杨培东，和崔屹，可见该奖项的含金量。

Facebook创始人扎克伯格

Google创始人Larry Page（左）和Sergey Brin（右）

杨培东

庄小威

在今年上榜的35名杰出青年创新家之中，共有六名中国学者，分别是IBM研究中心研究员曹庆、美国伊利诺伊大学香槟分校助理教授刁莹、加州大学伯克利分校博士后高伟、前百度深度学习实验室主任研发构架师/首席设计师顾嘉唯、清华大学副教授张一慧、以及南京大学教授朱嘉，其中刁莹没有出席大会。以下是这六名获奖人各自的创新成果：

曹庆，32岁，IBM研究中心研究员，用高效的碳纳米管取代硅晶体管，帮助IBM实现十余年的追求。

刁莹，33岁，美国伊利诺伊大学助理教授，完美打印高分子太阳能电池。

张一慧，30岁，清华大学副教授，设计纳米结构，轻松打造微小造型。

朱嘉，34岁，南京大学教授，设计便携装置，利用阳光将水源净化为饮用水。

高伟，31岁，加州大学伯克利分校博士后，设计能够监测健康数据的防汗带。

顾嘉唯，30岁，前百度深度学习实验室主任研发构架师/首席设计师，设计出友好而实用的用户界面。

知社学术圈在美国连线采访了部分获奖人，请他们介绍自己的工作：

高伟生长于中国徐州的农村。他在童年目睹过周围人因各种疾病而离去，很多人甚至没有意识到自己存在健康问题，直到为时已晚。于是高伟一直有这样的想法，要设计一款可穿戴电子设备，监控人们的身体状况，及时向人们发出健康报告。

我们的身体随时都在产生数据。如今已经有了很多可穿戴设备，比如苹果手表、Fitbit。不过它们主要追踪生理活动或者生命体征，还无法提供分子水平的信息。于是我有了这样的想法：能不能利用汗液？

今年，高伟设计了一款防汗运动带，它在一块柔韧的印刷电路板上整合了传感器、处理器和蓝牙通信装置。当你戴着它的时候，它会将你的汗液成分数据无线传送到你的手机App中。设备中的传感器接触到各种成分，如葡萄糖、乳酸盐等，会引起可探测的电流变化。其他的传感器在碰到钠和钾的时候则会带来电压起伏。最近新增的零件还能够识别出排汗中的有毒重金属元素。

由于汗液中化学成分的含量和人体的生理健康状况息息相关，可穿戴的汗液传感器在人们日常的生理健康监测和临床医学诊断上将有着广泛的用途 (比如脱水监测，无创血糖检测，囊肿性纤维化诊断等等)。下一步的关键问题在于这些监测和人体内真正的变化是否存在联系以及如何相关。所以，高伟已经与运动生理学家合作，开展临床研究，以求在人们身体出现问题前寻找到蛛丝马迹。

在接受知社采访的时候，高伟表示：

我很高兴获得这一殊荣，这也是对我在可穿戴传感器上面的工作极大的认可，同时也对我们的团队有着很大的激励作用。我们会继续努力完善这一技术，同时探索可穿戴汗液传感器的新的应用，希望能为人们的健康医疗做出自己的贡献。

水源无处不在，饮用水却并非如此。朱嘉设计的薄金属片能够漂浮在水体表面，吸收光能使水源转化为水蒸气，并进一步凝结为清洁水源。“它只需要两样东西。首先是水，无论是什么样的水。另外就是太阳。” 朱嘉讲道。

这一设备可以用来淡化海水，也可以处理污水。在水转化为水蒸汽后，留下的盐或者污染物很容易被收集。朱嘉对这一奇妙的装置还有别的想法：“水蒸汽其实不一定非要冷凝处理。” 他表示，这可以用来发电。

在接受知社采访时，朱嘉表示：

水资源短缺是全球性的难题，同时，蒸汽是如此重要的能源形式，高效光蒸汽的产生，也为能源转换、 分馏、杀菌等其它重要应用提供了可能。基于高效太阳能光热转换的水处理技术大有可为，很高兴TR35对我们工作的认可。我们正在努力，期待能贡献自己更大的力量！

张一慧喜欢请客人到他办公室拉伸那块高弹性硅酮，其上连有一个类似足球的结构。有一次，硅胶被从房间四个角拉得紧绷，三维结构几乎变成了二维，上面的图案看起来好像中心有着许多六边形和五边形的轮子。当硅酮被释放后，马上恢复如初，变回了三维结构。

灵感由此而来，张一慧解决了许多学者都面临的挑战：如何制造复杂的三维纳米结构。虽然演示工作是宏观尺度下的，但这一思路在纳米结构下行之有效。在紧绷的三维结构基底上可轻松附上二维图案，当三维基底复原后，二位图案将转变为三维结构。这一过程适用于很多材料，如金属和聚合物。

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=s0342jyy59v&width=500&height=375&auto=0张一慧现场演讲

这一技术用途很广。张一慧希望最终能够开发出一个数据库或算法，使研究人员能够轻松将他们想要的三维结构映射成二维图案。“这很酷，”张一慧说，“各个学科的人都可以来打造他们自己的创新发明。”

在接受知社采访时，张一慧表示：

这次能有幸入选麻省理工“世界杰出青年创新家”榜单，我要感谢清华大学为我提供非常优越的科研环境和工作平台，感谢学校和院所领导对我的支持和帮助，让我可以稳定和高效地开展工作！同时，我要感谢所有帮助过我的老师、同事、学生和亲友！特别要感谢我的博士期间导师方岱宁院士和博士后期间导师黄永刚教授对我的栽培！

张一慧副凭借在“弹出式”微尺度三维自组装技术方面的成果获此殊荣。下面让我们更深入地了解一下这项技术：

2015年1月，一篇关于三维自组装的研究工作被《Science》选为封面文章发表，其后很快被《Science》、《Nature》等在Perspectives和Research Highlights专栏中评述报道，受到学术界的广泛关注。而发表这篇文章的作者就是清华大学工程力学系副教授张一慧与其合作者。而在这项工作发表之后，张一慧与其合作者还陆续在《PNAS》、《Science Advances》、《Advanced Functional Materials》等国际期刊上发表多篇相关研究论文。

1. 为什么要发展这项微尺度三维自组装技术？

三维微纳米结构在生物医学器件、微机电系统、光电子器件等众多科技领域具有重要而广泛的应用，一直以来都是科技研究的焦点。然而现有的三维微纳米结构的制备及组装方法却较为局限，尤其是缺乏高性能电子材料的复杂三维结构成型方法。举个例子，以单晶硅为代表的半导体材料，作为当代信息技术产业的支柱，被广泛应用于现代生活的方方面面。而现有的微电子加工技术仅能制备各种平面二维构型的单晶硅，而若能得到复杂三维结构的单晶硅，将极大拓展其应用前景，实现各种纷繁新颖的功能。

2. 是什么灵感使得这项微尺度三维自组装技术得以创造？

一个偶然的发现：

2011年到2014年博士后期间，张一慧在合作导师美国西北大学黄永刚教授的课题组中从事柔性可延展电子器件的研究。这个领域的核心问题是怎样把一些刚性的、不可拉伸的金属/硅电子器件做成可拉伸的形式。而发展超级可拉伸的微导线结构是一个亟待解决的问题。当时，他的一个直观的想法是，类似于弹簧的螺旋结构具备超级可拉伸特点。但是要在几十甚至几微米的尺度上用硅或高性能金属来做3D螺旋结构，传统的制备方法很难做到。

在研究另一个基础的力学问题时，张一慧意外地发现，一种超薄的平面曲线结构在压缩载荷作用下，竟然会变成3D螺旋结构。在这个发现的启发下，他和美国的导师一起对其进行拓展，利用这种方法做出了几百种不同几何拓扑的3D结构，并且证实了该方法适用于半导体、金属、聚合物等高性能材料。

3. 复杂三维结构是如何炼成的？

构建复杂三维“微”结构，其中需要解决三个主要问题，一是结构本身“微小”所带来的操作难度；二是本身被处理材料（譬如单晶硅）可能比较“脆”，极容易被破坏；三是构建的三维结构的控制难度很大，很有可能“答非所问”。

“把大象放到冰箱里”的正确步骤是首先要找到“冰箱门”。目前，在二维空间构建平面结构的成熟技术，成为这项技术成功的基础。

比如我们要制作一个微米量级某种易碎材质的梯度螺旋线圈，那么首先利用在二维空间构建平面结构的成熟技术，画出这种材质的“初始二维蛇形结构”，将其转移至一张预设拉伸之后的弹性基底（如硅胶基底）上，然后通过表面化学处理将平面结构选择性地粘接于弹性基底，之后释放弹性基底的预拉伸，即可将未粘接于基底的平面结构挤出弹性基底的表面，从而形成三维结构。

通过上述演示可以看到，虽然预设材质的应变承受能力很低，但是这种方式在构建“梯度螺旋线圈”的过程中，给予的局部受力远远小于其极限应变值，这样“大象就被安全地放在了冰箱里”。

4. 这项技术的优势在哪里？

与我们所熟知的3D打印及激光直写技术相比，这项“弹出式”微尺度三维自组装技术所具备的优势无疑十分明显。

a. 由于3D打印及激光直写技术只能进行串行操作，因而成型速度较慢，而新方法可以在同一个弹性基底上同时完成成百上千个复杂三维结构的组装，属于并行制备，速度更快；

b. 与现代化半导体产业的二维制备技术兼容，适用于各式各样的材料类型，包括半导体、金属、聚合物等，也适用于多种材料甚至平面器件的三维组装；

c. 尺寸上没有明显的限制，目前已实现的三维结构最小厚度约为100纳米，最大厚度约1厘米。

d. 弹性基底的拉伸程度决定产品的三维几何，而由于基底的伸缩和弯曲变形是弹性可恢复的，因而决定了产品具有独特的可逆、可调控性。

5. 这项技术将被用于哪些领域？

该项技术的意义在于提供了一种可以快速成型各种复杂材料类型的三维微纳米结构的新方法，可以成型出以往三维制备方法无法实现的复杂三维半导体等高性能结构，为不同学科的科研工作者发展一些新颖的三维微型器件（例如电子器件、能源器件、生医器件、光学器件等）提供了一个创新平台。

公号内回复“微结构”，下载Science论文

扩展阅读

 

本文为知社独家专访，媒体转载请联系授权

投稿、授权、合作事宜请联系

[e-mail] 或微信ID: scholarset

回复“目录”或“分类”，浏览知社更多精华。长按二维码识别，可以关注/进入公众号进行回复。