4篇Nature/Science正刊+9篇NS子刊！“诺奖风向标”引文桂冠奖得主鲍哲南教授2022年成果精选

人物介绍

鲍哲南教授，斯坦福大学化学工程系教授，首位在斯坦福大学担任院长的华人女性。1970年出生于中国江苏省南京市，1993年和1995年分别获得美国芝加哥大学硕士和博士学位，现为美国斯坦福大学化学工程系主任。2016年，鲍哲南教授当选美国国家工程院院士，2017年当选美国国家发明家学会会士，2021年当选中国科学院外籍院士、美国艺术与科学院院士，2022年获号称“诺奖风向标”的引文桂冠奖，成为诺贝尔奖的热门人选。

鲍哲南教授作为有机电子材料和器件领域的著名学者，其研究成果为柔性电子技术打下了坚实的基础。同时，鲍哲南教授和崔屹教授合作，在锂电池等能源领域也有突出的成就。迄今为止，鲍哲南教授已发表了700多篇研究论文，授权130多项美国专利，其谷歌学术H指数>198。

2022年，鲍哲南教授在电子皮肤等聚合物设计和能源储存等方面共发表40篇文章，其中包括4篇nature/science正刊，9篇nature/science子刊，5篇JACS等，被引用10000+。

课题组主页：https://baogroup.stanford.edu/people

接下来小编从电子皮肤等聚合物设计和锂电池等能源领域两个方面重新回顾一下过去一年鲍老师的工作，希望每一位读者都能有所收获，以鲍老师为榜样，在新的一年里自己科研水平一路向前冲！

一、电子皮肤等聚合物设计

1. Nature：高亮度全聚合物可拉伸LED最新设计

用于皮肤的下一代发光显示应该同时具备柔性、可拉伸性和明亮性，此前报道的可拉伸发光器件大多基于无机纳米材料，如发光电容、量子点或钙钛矿，但其局限性在于：1）需要在高工作电压下工作；2）在应变下的拉伸性和亮度、分辨率有限。另一方面，本征可拉伸聚合物材料具有良好的应变耐受性，然而实现高亮度仍然是本征性发光二极管面临的一大挑战。

在此，斯坦福大学鲍哲南教授等人报告了一种具有7450 cd/cm²的高亮度，5.3 cd/A的电流效率和100%应变拉伸性的全聚合物发光二极管（APLED）。本文制造可拉伸的全聚合物发光二极管，颜色为红色，绿色和蓝色，实现了皮肤无线供电和脉冲信号的实时显示，这项工作也标志着高性能可拉伸显示器的跨越式进步。相关论文以“High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilution”为题发表在Nature。

对于实际应用，基于可拉伸APLED附着在人体皮肤上时需要长时间发挥作用的需求，本文发光二极管与一种柔性的无线能量收集系统搭配，可以在约9 V的低电压下连续为可拉伸APLED供电，其能够根据人类心跳的测量频率，通过反复眨眼来指示实时脉冲信号。总之，通过合理的材料工程和优化的器件制造，作者实现了可拉伸和高效的APLED。

High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilution，Nature, 2022, https://doi.org/10.1038/s41586-022-04400-1

2. Nature：一种用于大脑和肠道的组织模拟递质传感器

神经递质在调节中枢神经系统和外周（包括胃肠道）的神经回路动力学方面起着至关重要的作用，对其实行实时监测将为了解神经功能和诊断疾病提供极其关键的信息。然而，尚未开发合适的适合用于监测体内神经递质动力学的生物电子工具，特别是在肠道神经系统中，这主要受限于能够检查柔软、复杂和活跃移动的器官的生物传感工具极其稀少。

在此，斯坦福大学鲍哲南教授和陈晓科等人通过将金属络合聚酰亚胺的激光图案制成嵌入在弹性体中的相互连接的石墨烯/纳米颗粒网络中，从而引入了一种名为NeuroString的模拟组织的电化学传感器，实现了在神经化学生物界面的可拉伸。NeuroString传感器能够在小鼠的大脑中进行慢性体内实时，多通道和多路复用单胺传感，以及测量肠道中的血清素动力学，而不会受到不必要的刺激和扰动的蠕动运动。所描述的弹性和顺应的生物传感界面在研究神经递质对肠道微生物、脑-肠道通讯具有广泛的潜力，并可能最终扩展到全身其他软器官中的生物分子传感中。

相关论文以“A tissue-like neurotransmitter sensor for the brain and gut”为题发表在Nature。

A tissue-like neurotransmitter sensor for the brain and gut，Nature, 2022, https://doi.org/10.1038/s41586-022-04615-2

3. Nature Biomedical Engineering：具有本体感觉反馈的低功率可拉伸神经形态神经

通过将神经信号从运动皮层传递到肌肉，神经康复装置可以增强肢体的运动，但神经由于影响脊髓或下运动神经元的损伤而受损。然而，传统的神经假肢装置是刚性的和耗电的。在此，韩国首尔国立大学Tae-Woo Lee教授和美国斯坦福大学鲍哲南教授等人报告了一种可拉伸的神经形态植入物，它可以恢复患有神经系统运动障碍的小鼠腿部的协调和平滑运动，使动物能够踢球，走路或跑步。

神经形态植入物通过从兴奋性突触后信号产生电生理信号，并提供本体感觉反馈来充当人工传出神经。该器件以低功耗运行（~典型微处理器系统的1/150）和由水凝胶电极组成，该电极连接到包含有机半导体纳米线（充当人工突触）的可拉伸晶体管，通过离子凝胶连接到包含碳纳米管应变传感器（充当人造肌肉主轴）的人工本体感受器。具有本体感觉反馈的可拉伸电子设备可能会激发用于神经康复的先进神经形态设备的进一步发展。

相关论文以“A low-power stretchable neuromorphic nerve with proprioceptive feedback”为题发表在Nature Biomedical Engineering。

A low-power stretchable neuromorphic nerve with proprioceptive feedback，Nature Biomedical Engineering, 2022, https://doi.org/10.1038/s41551-022-00918-x

4. Nature Nanotechnology：使用非拉伸聚合物半导体和导体的硬界面驱动可拉伸电子产品

半导体聚合物薄膜是可穿戴和生物医学应用中柔性电子产品的基本组成部分，然而高迁移率半导体聚合物通常伴随着易碎，即使在小应变下也很容易断裂（<10%）。最近，报道了通过分子设计和纳米限域，使半导体聚合物薄膜的固有机械性能得到明显改善。

在此，美国斯坦福大学鲍哲南教授和加州大学洛杉矶分校金丽华教授等人证实了工程化半导体薄膜和基板之间的界面特性，可以明显延迟薄膜中的微裂纹形成。本文提出了一种通用的设计策略，在半导体薄膜和衬底之间通过动态非共价交联形成一个耗散界面聚合物层，从而使得层之间的界面韧性很高，抑制分层和应变离域。因此，裂纹的生成和扩展明显延迟到更高的应变。

相关论文以“Tough-interface-enabled stretchable electronics using non-stretchable polymer semiconductors and conductors”为题发表在Nature Nanotechnology。

具体而言，高迁移率半导体聚合物薄膜的裂纹起始应变从30%提高到110%，没有任何明显的微裂纹。尽管卸载后塑料半导体薄膜和弹性衬底之间存在很大的应变不匹配，但坚韧的界面层有助于保持粘合和出色的循环耐久性和坚固性。此外，界面层有助于减少不同层之间热膨胀系数的不匹配，这种方法可以改善各种半导体聚合物、导电聚合物甚至金属薄膜的开裂应变。

Tough-interface-enabled stretchable electronics using non-stretchable polymer semiconductors and conductors, 2022, https://doi.org/10.1038/s41565-022-01246-6

5. Nature Biotechnology：智能绷带助力伤口护理和加速愈合

基于多模态可穿戴设备的“智能”绷带，能够实现实时生理监测和积极干预，以促进慢性伤口的愈合。然而，当前的智能绷带技术整合到传感器和刺激器方面发展能力有限。同时，虽然电极对于可靠的信号传导至关重要，但现有粘性敷料的分离会导致伤口组织在没有可切换粘附的情况下发生二次损伤。

在次，美国斯坦福大学鲍哲南教授等人通过开发一种柔性的生物电子系统来克服这些问题，该系统由无线供电的闭环传感和刺激电路，以及能够按需粘附和分离的皮肤水凝胶电极组成。相关论文以“Wireless, closed-loop, smart bandage with integrated sensors and stimulators for advanced wound care and accelerated healing”为题发表在Nature biotechnology。

在小鼠实验中，本文提出的伤口护理系统可以连续监测皮肤阻抗和温度，并根据伤口环境提供电刺激。在临床前伤口模型中，与对照组相比，治疗组愈合速度提高了~25%，皮肤重塑提高了~50%。此外，观察到单核细胞和巨噬细胞群中促生殖基因的激活，这可能会增强组织再生，新生血管形成和皮肤恢复。

Wireless, closed-loop, smart bandage with integrated sensors and stimulators for advanced wound care and accelerated healing, 2022, https://doi.org/10.1038/s41587-022-01528-3

6. Nature electronics：基于元学习的无衬底纳米网实现手部任务识别

在机器学习的协助下，电子设备（包括电子手套和电子皮肤）可以跟踪人和手的运动并执行其相应指令。然而，这种装置仍然体积巨大，缺乏适应身体弯曲的能力。同时，现有的信号处理模型需要大量的标记数据来识别每个用户的不同任务。

在此，斯坦福大学鲍哲南教授，韩国科学技术院（KAIST）Sungho Jo教授和韩国首尔国立大学Seung Hwan Ko教授等人报道了一种纳米网格人工机械感受器，其与无监督元学习方案集成在一起，可用于数据高效、独立于用户的不同手部任务的识别。同时，纳米网使用生物相容性材料，无需外部材料即可直接打印到皮肤上，从而提高用户舒适度并增加其灵敏度。同时，单个纳米网格可以同时测量来自多个关节的手指运动，提供一种简单的和低计算成本的策略。此外，还开发了一种随时间变化的对比学习算法，可以区分不同的未标记的运动信号。然后，这些元学习的信息用于快速适应各种用户和任务，其中包括命令识别、键盘打字和对象识别。

相关论文以“A substrate-less nanomesh receptor with meta-learning for rapid hand task recognition”为题发表在Nature electronics。

通过这种方式，可以使用单个传感器，解码复杂的本体感受信号，而无需多传感阵列。多关节本体感受信息可以从低维数据重建，减少学习网络的计算处理时间。当执行不同的任务时，来自各种关节运动的信号模式使用放置在手腕上的附加无线模块进行传输。

A substrate-less nanomesh receptor with meta-learning for rapid hand task recognition, 2022, https://doi.org/10.1038/s41928-022-00888-7

7. Science：拓扑超分子网络实现高导电性、可拉伸的有机电子皮肤

基于柔性和导电有机材料的本征可拉伸生物电子设备，被认为是与人体和生物相容的理想界面，但如何将机械强度好的材料与良好的导电材料相结合，尤其是在小特征尺寸下时，这一直是发展过程中遇到的挑战。

在此，斯坦福大学鲍哲南教授等人开发了一种基于拓扑超分子网络的分子工程策略，允许将来自多个分子构建块的竞争效应解耦，以满足其复杂结构的需求。同时，在生理环境中同时获得了高电导率和开裂应变，具有低至细胞规模的直接光模式化。进一步收集柔性和可塑性章鱼的稳定肌电图信号，并进行了精确到单核的局部神经调节，以通过脆弱的脑干控制器官特异性活动。相关论文以“Topological supramolecular network enabled high-conductivity, stretchable organic bioelectronics”为题发表在Science。

作者系统地将聚轮烷引入到由导电聚合物制成的软导电膜中，聚轮烷由一个聚乙二醇（PEG）主链和环糊精组成，由聚乙二醇-甲基丙烯酸酯侧链连接。重点在于：环糊精可以沿着链来回滑动，从而阻止聚乙二醇的结晶，并提供更好的拉伸性。混合聚合物可以被光标记到两微米的特征尺寸，并表现出增强的电导率，使其适合于表面安装和植入的生物电子器件。

Topological supramolecular network enabled high-conductivity, stretchable organic bioelectronics, 2022, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj7564

8. Science Advances：一种用于实时监测肿瘤消退的柔性电子应变传感器

评估癌症疗效在小鼠模型中的疗效是治疗开发的关键步骤。然而，低分辨率测量工具和小样本量使得确定药物在体内的疗效成为一项困难且耗时的任务。

在此，斯坦福大学鲍哲南教授等人提出了一种商业可扩展的可穿戴电子应变传感器，通过在分钟时间尺度上连续监测皮下植入肿瘤的微米级进展或消退，自动进行癌症治疗的体内测试。结果表明，在两个体内癌症小鼠模型中，本文的传感器在治疗开始后5小时内识别出药物治疗和载体治疗的肿瘤之间的肿瘤体积动力学差异。通过组织学验证，在一周的治疗期间进行的生物发光测量证明了与长期治疗反应的相关性，本文的实时肿瘤回归数据集可以帮助加快和自动化体内癌症治疗筛查过程。

相关论文以“A flexible electronic strain sensor forthe real-time monitoring of tumor regression”为题发表在Science Advances。

A flexible electronic strain sensor forthe real-time monitoring of tumor regression, 2022, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn6550

二、锂电池等能源领域

1. Nature Energy：氟化调控实现高性能锂金属电池

电解液工程对于改善锂金属电池和无负极电池循环稳定性至关重要，使用弱溶剂能够提高锂金属的稳定性。然而溶剂化不足会导致离子团聚、离子运动不佳和盐溶解度低，从而导致离子电导率低。因此，具有微调溶剂化能力的溶剂是同时实现锂金属电解液的循环性、氧化稳定性和离子电导率所必需的。

在此，斯坦福大学鲍哲南教授、崔屹教授和秦健助理教授等人系统地研究了一种能够大规模合成的氟化-1,2-二乙氧基乙烷（氟化-DEE）分子，用作电解液溶剂。其中，1,2-二乙氧基乙烷（DEE）通过迭代调整与不同数量的氟（F）原子官能化，以达到氧化稳定性和离子传导之间的平衡。通过锂溶剂结合能和几何形状，溶剂化环境、核磁共振、分子动力学模拟和扩散有序波谱（DOSY），全面表征了与1.2 M LiFSI配合使用，氟化DEE基单盐单溶剂电解液，并且发现电池（离子电导率和电池过电位）彼此紧密相关。

研究表明，部分氟化中-CHF₂基团比完全氟化-CF₃的离子电导率更高，性能最佳的F4DEE和 F5DEE溶剂都含有-CHF₂。除了高离子电导率和低而稳定的过电位外，它们还实现了大约99.9%的库伦效率，铝（Al）腐蚀也由于来自适量的氟化产生的氧化稳定性而受到抑制。这些特性可使薄Li（50μm）||高载量-NMC811中实现大约270次循环，在无负极Cu||LFP软包电池中循环超过140次，两者都是最先进的性能之一。

相关论文以“Rational solvent molecule tuning for highperformance lithium metal battery electrolytes”为题发表在Nature Energy。

Rational solvent molecule tuning for highperformance lithium metal battery electrolytes，Nature Energy, 2022, https://doi.org/10.1038/s41560-021-00962-y

2. Science：捕获锂金属电池中SEI的溶胀

液-固界面作为科学领域研究的基础，由于现有工具在纳米尺度上同时获取液相和固相的不足，描述这种微妙的界面在本质上是困难的，从而导致了我们对电池系统中关键界面的结构和化学性质的理解上存在巨大差距。

在此，斯坦福大学崔屹教授，Wah Chiu教授和鲍哲南教授等人采用液氮冷冻策略（薄膜玻璃化）来制备含有锂金属的电解液薄膜，实现了在更加真实的条件下观察SEI的稳定性。研究表明，固体电解质间相（SEI）在金属锂负极上存在大量膨胀，其溶胀行为与电解液的化学性质密切相关，对电池的性能起关键性作用。SEI膨胀程度越高，往往表现出较差的电化学循环。

相关论文以“Capturing the swelling of solid-electrolyte interphase in lithium metal batteries”为题发表在Science。

Capturing the swelling of solid-electrolyte interphase in lithium metal batteries，Science, 2022, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8703

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