一起来看纳米巨牛Charles.M.Lieber教授的研究历程（号称史上最全）！
做纳米的，以及做材料的没有人不知道哈佛大学的Lieber教授。有人说他是纳米材料的鼻祖、纳米界最有可能获诺奖的人。他的最新文章和关于他的传闻不绝于耳。研之成理经过搜集多方面资料，将大牛Lieber的研究工作和研究历程汇总于此。截止2016年12月份，Lieber发表的论文、专利和书籍超过400篇。我们将根据时间的先后顺序和研究领域进行简单介绍：
1. 独立工作前（1981 - 1987）
Lieber博士期间就读于斯坦福大学，导师为Nathan Lewis教授。博士期间主要研究方向是表面化学。发表了六篇一作文章，其中包括一篇Nature、三篇JACs。这些文章多是表面催化、电催化相关。博士后师从加州理工学院的 Harry Gray教授。研究方向是金属蛋白中的长程电子转移。在两年博士后期间，Lieber并没有发多少高档次文章（最好的是一篇 JACs）。不知其后来专注于纳米材料的生物应用是不是因为博后期间从事过生物方面的研究。
2. 利用扫描隧道显微镜（STM）研究低维材料（1987 - 1995）
1987年，Lieber来到哥伦比亚大学化学系。随后于1992年跳槽到哈佛大学。在哥伦比亚大学和哈佛大学前期。Lieber的研究领域集中在利用STM研究二维层状材料的物理性质（其实就是搞仪器和表征的，类似于如今那些搞电镜的。当然也发了不少Nature、 Science）。这期间他还玩了一段时间超导材料。看看当时的发表文章的标题，基本离不开STM和STS。正是如此集中、密集的研究，使得他发现这些材料中纳米尺度的区域常常表现出了不一样的性质。
"这些纳米材料能有些什么用？与传统Top-Down的合成方法有什么不同？”要想了解用处和不同之处，首先要熟知这些材料的物理化学参数。基于此，他们通过新型STM率先测量了单个碳纳米管的导电性、弹性模量和强度等诸多物理参数。（这就是表征大牛转材料合成的好处，表征一等一）。这一系列的表征不仅收获了诸多Natrue、Science还成功的将碳纳米管应用的非易失性存储器。
关于STM，Lieber写过一些综述。先推荐两篇如下：
Ref. 1. H. Dai andC.M. Lieber, “Scanning tunneling microscopy studies of low-dimensionalmaterials: Charge density wave pinning and melting in two dimensions,” Ann.Rev. Phys. Chem. 44, 237 (1993).
Ref. 2. C.M. Lieber and X.L. Wu,“Scanning tunneling microscopy studies of low-dimensional materials: Probingthe effects of chemical substitution at the atomic level,” Accounts Chem. Res. 24, 170-177 (1991).
3. 一维纳米材料（纳米线）可控合成（1995– 至今）
随着STM研究的不断深入，纳米材料的诸多与众不同的性质深深吸引住了Lieber。任何材料想要走向应用，可控合成必不可少。在90年代中期，Lieber的主要研究方向开始转向纳米材料的可控合成（Bottom up）。经过深思熟虑，他们选择以1D纳米材料作为突破口（1D材料也是他们之前一直研究和熟悉的）。97-98年，他们首次利用VLS方法可控合成了均相Si半导体纳米线{ref . 3、4}。随后很快将这种方法扩展到周期表中其他各种材料。从而形成一套纳米线可控合成的通用方法。VLS方法机理图如下图：
Nano Research 2015, 8(1): 1–22
02年，Lieber课题组报道成功合成出复合结构以及元素掺杂纳米线。同年，他们又成功合成核壳结构纳米线。至今，纳米线的合成依旧是Lieber课题组主要研究的方向之一，不时会有重量级的文章出现。比如最近他们又合成出了具有立体异构的纳米线。各种结构示意图如下：
Nano Research 2015, 8(1): 1–22
目前能够可控合成的五种类型的纳米线结构：均相基本型、同轴型、核壳型、支装和扭结装。
在Lieber的大部分综述中，都会介绍关于纳米线合成的工作（点击“阅读原文”可以获得Lieber的大部分综述）。
正是因为这一系列开创性工作的发表，引领了全球对纳米材料、尤其是纳米线研究热潮，至今还在火热之中。如果有朝一日，有人会因为纳米线而获得诺奖，Lieber肯定是其中一个。观察这些文章的作者，你会发现其中有很多一作都是中国人。其中很多都是大家熟悉的华人纳米大牛（关于Lieber和他华人弟子们的故事，下期内容我们会详细介绍）。
Ref. 3： C.M. Lieber, A.M. Morales, P.E.Sheehan, E.W. Wong and P. Yang, “One-dimensional nanostructures: Rationalsynthesis, novel properties and applications,” in Proceedings of the Robert A.Welch Foundation 40th Conference on Chemical Research: Chemistry on theNanometer Scale, 165-187 (The Robert A. Welch Foundation: Houston, TX, 1997).
Ref. 4 : A.M. Morales and C.M. Lieber, “A Laserablation method for the synthesis of crystalline semiconductor nanowires,”Science 279, 208-211 (1998).
4. 纳米线的自组装（2001 – 至今）
纳米材料是基础，但想要构建成功能性器件，还必须进行修饰和可控组装。纳米材料的可控组装又是个巨大的领域。Lieber课题组在这一领域同样做出了巨大的贡献和很多开创性工作。01年（Ref. 5），他们开创性的通过微流控方法，成功实现了纳米线材料的大规模组装。该工作被Science评为当年的科研重大突破之一。随后他们相继研究了多种组装方法（如：flow- assisted alignment、Langmuir−Blodgett、 blownbubble method 等）。这些方法将纳米线的可控组装推向极致。Lieber将纳米材料的组装命名为“nanocombing”。利用这一概念，他们开发出了第一台纳米计算机（nanocomputer）。
Ref. 5 ：Y. Huang, X. Duan, Q. Wei and C.M.Lieber, “Directed assembly of one-dimensional nanostructures into functionalnetworks,” Science 291, 630-633 (2001)
Chem. Rev. 2016, 116, 215−257
5. 纳米材料的生物应用（2001 – 至今）
新型材料出现之初，都会被吹的天花乱坠、无所不能。但只有最终走向应用的材料才能称为有用。Lieber大牛在玩各种合成方法的同时，一直在不断尝试这些美丽纳米线的应用。他先后创建了两家公司：NanoSyn（2001）和Vista Therapeutics（2007），分别从事科技转化工作。认真研究Lieber组的文章，不难发现他们的主要研究兴趣在于纳米材料的生物应用，尤其是近十年来。在生物应用方面，Liber进行了诸多尝试。下面将从五个方面进行介绍：1. Nano-electronic Biosensor；2. Extracellular Research；3. Intracellular Measurements，4. Nano – bioelectronics for Brain Activity Recording and Mapping .
在分类介绍前，请诸位了解一下Field-Effect Transistors(FET)，维基链接： https: // en. wikipedia. org/wiki/Field-effect_transistor 。将Nanowire作为FET的栅极在很大程度上提升了FET的性能。基于此，纳米线的生物应用才成为可能。
5a. Nano-electronic Biosensor
Nano-electronic Biosensor的原理很简单：通过化学修饰，在NW表面接上特异生物分子，比如：抗体、SSDNA，如下图。这些特异性生物分子能够对特定物质，比如蛋白质、DNA/RNA、病毒分子，产生响应从而控制FET的开与关。2001年（Ref. 6），Liber课题组首先实现Si NW对于蛋白质分子的响应。该工作引起了世界范围内诸多课题组的关注。随后，他们又对RNA和病毒进行了特异性的检测。所谓的纳米Sensor，其关键之处在于极小的尺寸和高比表面积。高比表面积使得检测灵敏度大大提升。纳米级别的尺寸调控有利于多标记物标记和多项检测同时进行。
Ref 6：Y. Cui, Q. Wei, H. Park and C.M. Lieber “Nanowire nanosensors for highly sensitive and selective detection ofbiological and chemical species,” Science 293, 1289-1292 (2001).
Chem. Rev. 2016, 116, 215−257
5b. 细胞外检测
几乎所有做纳米的人都会试试纳米传感。Lieber可不满足于Nano-Sensor这种级别的生物应用，他们将目光投向对于细胞生物活动的监测。因为细胞活动常常伴随着细胞壁内外电荷的流动和变化，所以对于这种细胞内外电荷变化的检测显得尤为重要。2006年，Lieber课题组率先利用SiNW FET 对体外培 养的哺 乳动物神经元进行检测 （ref.7）。 纳米线尺寸小， 从而首次实现了对单个神经元的多位点同时监测，如下图。 而传统的FET因为尺寸的限制，只能单位点监测。
Ref. 7: Detection, stimulation, and inhibition of neuronal signals withhigh-density nanowire transistor arrays. Science 2006, 313, 1100−1104.
Chem. Rev. 2016, 116, 215−257
5c. 细胞内监测：
纳米线可是对细胞外进行监测，那么细胞内如何？大牛Lieber告诉你当然可以。传统的监测方法是patch-clamp methodology（维基链接：https://en.wikipedia.org /wiki /Patch_ clamp）。想要监测细胞内的信号，必须刺穿细胞壁。传统方法因为探针体积大，常常造成细胞的非恢复性伤害。为了能够解决这一难题，Lieber课题组合成出扭结（kinked-）结构的纳米线（Ref.8、9）。这种结构纳米线制备的FET能够将其对细胞的伤害降到最低。如下图
Ref. 8 Tian, B.Z.; Xie, P.; Kempa, T. J.; Bell, D. C.; Lieber, C. M. Single crystalline kinkedsemiconductor nanowire super- structures. Nat.Nanotechnol. 2009, 4, 824–829.
Ref. 9 Tian, B. Z.; Cohen-Karni, T.; Qing, Q.; Duan, X.J.; Xie, P.; Lieber, C. M. Three-dimensional, flexible nanoscale field effecttransistors as localized bioprobes. Science2010, 329,830–834.
5d. 脑科学研究
前段时间，我们研之成理分享了一则关于利用纳米线治疗帕金森症的报道。这个报道就来自Lieber课题组。Lieber组对于纳米线的生物应用是越来越深入，从Sensor到细胞外再到细胞内，近年来，他们将研究方向聚焦在脑细胞和相关疾病的研究中。首先他们从纳米线出发，构建纳米网络（mesh），并进行必要的修饰。通过注射器就可以将Nanomesh注入到大脑的指定位置。传统方法中，由于植入芯片的尺寸过大，使得检测灵敏度大大降低。此外，因为生物相容性不够，常常引起免疫反应。免疫反应使得芯片周围形成胶质瘢痕，从而降低了监测细胞活动的可靠性。 Nanomesh最大的优点是：1.柔韧性好、2.生物相容性好（Ref.10），从而实现有效的长时间的实时监控和有效刺激。不仅如此，其对神经细胞的损伤极小。如下图所示：
10. Xie, C.; Liu, J.; Fu, T.-M.; Dai, X.; Zhou, W.; Lieber, C. M. Three-dimensional macroporous nanoelectronic networks as mini-mally invasive brain probes. Nat. Mater. 2015, 14, 1286−1292.
6. 趣味花边：
科研大牛总有些癖好。Lieber大牛爱好种南瓜。闲暇时光，Lieber爱在自家的后院里捣鼓捣鼓南瓜。这一捣鼓，就种出了马塞诸塞州有史以来最大的南瓜，全球第17大南瓜。真怀疑他是不是用了什么黑科技。难道是纳米线。找到一段Lieber种南瓜的视频。视频里面吭哧吭哧搬南瓜的估计都是他的学生。。。好多中国人。
https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=s13117xdhrm&width=500&height=375&auto=0
声明：点击“阅读原文”即可获得Lieber的大部分综述和文中提及的文献。需要更多文献的同志可以直接去Lieber课题组主页免费下载。
Lieber课题组主页：https://cml.harvard.edu/
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