最近，在2021年6月30日出版的《自然指數 2021 材料科學》增刊中，新加坡國立大學的材料科學研究産出排名世界第7位。這本享有盛譽的增刊探討了研究人員如何重新思考材料的性質和潛力，以推動制造、藥物發現、産品設計等方面的進步，新加坡國立大學是新加坡唯一進入該指數前10名的大學。
一直以來，材料科學的研究都非常重要，幾乎每一項突破都能重新塑造人類文明。人類對材料的研究貫穿了曆史長河，從石器時代到青銅時代再到鐵器時代。今天，我們對材料科學有了更深入的了解，在現在這個時代，沒有單一的定義時代的材料，許多有用的材料都有待探索。
從氣候危機到量子計算機，材料研究有望在應對一些最緊迫的全球危機面前發揮關鍵作用。因此，爲了加快這一重要研究領域的進展，新加坡國立大學將材料科學指定爲重點關注領域。值得關注的是，新加坡國立大學在材料研究方面已達到全球頂級水平，並且雲集了全球最頂尖的相關人才。
這篇文章將重點介紹新加坡國立大學工程、材料科學和研究機構的頂尖科學家及其創新研究。
Kostya Novoselov 教授
在21 世紀，最重要的材料研究進展之一是石墨烯的分離——這是世界上第一種二維 (2D) 材料。自從這一個技術被廣泛應用，二維材料的研究開始蓬勃發展，在光伏、半導體、電極和水淨化等領域都實現了巨大突破。
2D 材料的發現要歸功于 Konstantin Novoselov 教授和 Andre Geim 教授，兩人因此獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。Novoselov教授現在就職于新加坡國立大學材料科學與工程學院，並將在這裏深入這個領域的研究。
Novoselov教授
2D 材料只有一個原子那麽薄。時至今日，科研人員已經預測了大約700種穩定的 2D 材料，還有許多有待合成。在這個廣泛的範圍內，“不同的 2D 材料具有不同的特性，它們可以是金屬、半導體、超導體、鐵磁體等。”Novoselov教授解釋說。
這一系列卓越的特性意味著2D材料可以應用于許多領域。“我們的2D材料被廣泛應用于各種領域，從能源解決方案到複合材料，從可印刷電子到光電子，”他說。
更重要的是，Novoselov教授的最新研究結合了二維材料和支配生命物質的原理，開發出具有定制特性的新型智能材料，這些仿生材料可以應用于從人工神經網絡到智能膜的所有領域。
Antonio Castro Neto 教授
另一位原子級超薄材料領域的先驅是新加坡國立大學高級二維材料中心 (CA2DM) 的主任 Antonio Castro Neto 教授。CA2DM 成立于2010年，致力于基于二維晶體（如石墨烯）的變革性技術的理論建模和開發。
Castro Neto 教授也是新加坡國立大學物理學和材料科學與工程學院的特聘教授，同時他也是新國立電氣與計算機工程學院的教員，是石墨烯各個方面的專家。他進一步描述了二維材料提供的獨特優勢，“它們具有普通三維材料所不具備的物理和化學特性——例如極端的量子行爲。這意味著這些材料中的電子表現得像波，而不是粒子。”
Castro Neto 教授
這些極端的量子行爲可以創造具有革命性能力的下一代電子元件，而石墨烯等二維材料已經被用于量子計算機的開發。
“新材料是工業4.0的基礎，”Castro Neto 教授在解釋材料研究的重要性時說到， “納米技術、生物技術、量子計算、人工智能、3D 打印和物聯網 (IoT) 的進步都需要新材料，這些新材料隨後會影響電子、食品、水、環境、能源等基本領域，”
他最近帶領一個團隊創造了一類新的智能材料，這種材料具有二維材料的結構，但表現得像電解質。這種被稱爲“2D電解質”的材料可以開辟一種在體內輸送藥物的新方法，有關這種材料的研究已于2021年5月12日發表在 Advanced Materials雜志上。
Barbaros Özyilmaz 教授
新加坡國立大學材料科學與工程系主任 Barbaros Özyilmaz 教授專注于加速石墨烯和其他二維材料在工業中的廣泛應用。
2D 材料通常被描述爲完美的原子晶體，它們在和原子一樣薄的薄片中規則地間隔開。雖然這種基本結構爲 2D 材料提供了超乎尋常的電氣和機械性能，但它目前成本高昂，且難以大規模生産。因此，同樣來自NUS物理學院和 CA2DM 的 Özyilmaz 教授研究了如何使 2D 材料更加穩定。
Özyilmaz 教授
通過他的前沿研究，Özyilmaz 教授最近發現，二維材料可以合成爲非晶體的薄膜。這些非晶 2D 薄膜仍然具有晶體 2D 材料的一些理想特性，但更堅固，且制造成本更低。“我們的非晶薄膜可以在更低的溫度下合成。”Özyilmaz 教授說，這一突破使得二維材料能夠普遍適用于工業應用。
這一新發現于去年發表在《自然》期刊上，爲石墨烯得商業化提供了一條捷徑，並引起了許多公司的興趣。
Silvija Gradečak-Garaj 教授
綠色能源生産的目標是許多材料研究領域正在努力攻克的難題。新加坡國立大學材料科學與工程學院的 Silvija Gradečak-Garaj 教授，也是NUS先進材料企業實驗室的聯合主任，是該領域的先驅之一，通過了解和控制原子材料來開發用于能源應用的新材料。
Gradečak-Garaj 教授說：“我的總體研究策略是將獨立的納米級物體組裝結合到功能器件中，以應用于納米電子學、納米光子學中的能量收集和轉換。”
“在我的實驗室中，我們團隊設計了新方法，能夠觀察材料的生長，並在生長過程中調整參數，以控制所得材料的成分、結構、尺寸和形態，”她解釋說。
Gradečak-Garaj 教授
舉一個例子，Gradečak-Garaj 教授最近開發了半透明的太陽能電池，該電池結合了一系列納米級材料以提高太陽能電池效率。這些納米級材料包括吸收陽光並産生電子的納米粒子、有效收集電子的納米線和導電的石墨烯。“這些設備是靈活的，因此它們可以用于大而彎曲的表面，而不像傳統的太陽能電池一樣又平又硬。此外，由于它們是半透明的，它們甚至可以融入制作窗戶的材料中，”她說。
“最終，我們研究的目標是設計出有效使用新能源來保護自然資源、解決與全球變暖相關危機的方法，”
Liu Bin 教授
新加坡國立大學副校長兼化學與生物分子工程負責人劉斌教授對各種應用中與光相互作用的材料很感興趣。“我們的目標是通過開發高效的有機半導體催化劑，將太陽能轉化爲清潔且易于獲取的能源燃料，”劉斌教授描述道。
不僅如此，她的研究還專注于有機功能材料的設計與合成及其在生物醫學中的應用。她通過納米加工將有機分子和聚合物材料帶到水介質中，成功地挖掘出了有機分子和聚合物材料在生物應用中的巨大潛力。
劉斌教授
“我們努力使用具有生物相容性的有機材料，特別是那些具有聚集誘導發射 (AIE) 特性的材料，實現關鍵生物過程的可視化和對某些疾病的非侵入性治療，”她解釋道。
基于AIE材料的獨特特性，她發明了具有高靈敏度、特異性、光穩定性和生物相容性的AIE成像工具。“我們根據研究界的需求發明了名爲 LuminiCell 的 NUS衍生産品，並且將我們的發明商業化，這將有助于全球研究人員解決複雜的生物成像問題，”她說。
LuminiCell 提供實時細胞追蹤，與現有工具相比，持續時間增長了3 倍，亮度高 10 倍。借助 LuminiCell，研究人員可以對細胞行爲進行成像，從而爲癌症、傳染病、血管疾病等提供新的診斷和更高的治療能力。
2021年6月8日，劉教授獲得英國皇家化學會百年獎，源于她在有機分子和納米材料中的創新設計和合成方面的工作，這些發現極大的推進了生物醫學的研究和應用。
Benjamin Tee 教授
生物醫學領域是一個依賴新材料定期開發的領域。在該領域廣受認可的創新者是來自新加坡國立大學材料科學與工程學院的校長助理教授 Benjamin Tee。他目前的研究是推進可以感知環境的智能電子皮膚材料。
能夠感知壓力、溫度和濕度的環境變化是所有人類與生俱來的能力，但如果讓機器來做到這一點就要困難得多。
“我們的皮膚天生就非常穩定，可以適應許多不同的環境。相比之下，大多數材料都沒有這種靈活性，因爲許多傳感器材料是由硅或金屬等較脆的材料制成的，”Tee 教授解釋說。他正在探索和開發新的柔性與可拉伸材料，這些材料將提供更強大的傳感能力。
此外，這些靈活的“電子皮膚”可以自我修複，就像真正的皮膚一樣。這種自主自修複能力爲電子設備提供了一種抵禦損壞的新方法。“如果你的手機屏幕是由可自行修複的材料制成的，你就不需要找維修店了，因爲破裂的屏幕會自愈。” Tee教授提到。
Benjamin Tee 教授
他對電子皮膚的研究也將造福需要使用假肢設備的殘疾人。更靈敏的假肢設備可以減少與肢體缺失相關的幻肢疼痛，並且在使用感上會更加自然和智能。
他最近帶領一個團隊開發了一種稱爲人工神經支配泡沫或 AiFoam 的新材料，它可以模仿人類的觸覺，在不進行接觸的情況下感知附近的物體，並在損壞時進行自我修複。
Lim Chwee Teck 教授
生物醫學領域的另一位先驅是 iHealthTech 的主任 Lim Chwee Teck 教授，他也是新加坡國立大學生物醫學工程的教授。
“衆所周知，癌細胞可以改變它們的生物物理特性，導致它們更易變形且粘性更低。這些變化意義重大，可能導致癌症轉移以及死亡，”Lim教授說。
Lim Chwee Teck 教授
因此，他使用微米和納米力學工具來研究癌細胞的活動，以便更好地了解它們如何在人的身體中進行轉移——轉移是患者死亡的主要原因。他希望這樣的研究不僅能設計出更有效的癌症檢測技術，還能爲治療這種疾病提供更好的策略。
基于他的研究結果，Lim教授開發了一種微流控癌症生物芯片，可以從患者的外周血中檢測和分離循環腫瘤細胞（稱爲液體活檢）。該技術已由 Biolidics Limited 公司商業化，該公司在美國和中國獲得 FDA 上市，並在全球90多個國家投入使用。
今年早些時候，他帶領一個研究團隊開發了一種技術，該技術使用了人工智能，通過分析 pH 值來確定單個細胞是健康的還是已經癌變。每項癌症檢測可在35分鍾內完成，單細胞分類准確率可達95%以上，這項研究已于2021年3月16日首次發表在 APL 生物工程雜志上。
Gui Bazan 教授
除了生物醫學設備外，另一個引起全球關注的材料是活性複合材料。複合材料由兩種或多種不同的材料組合在一起，以提供單個材料無法實現的物理特性。新加坡國立大學化學系教授 Gui Bazan 教授在該領域進行了創新性的研究。
“自從7000多年前人們將稻草或稻殼添加到泥磚中以使其更加堅固以來，我們就已經意識到複合材料的重要性，” Bazan 教授說，“但很少有複合材料是有‘生命’的。因此，我們的團隊開創了含有微生物和具有金屬特性的聚合物，以水凝膠作爲基質的活的‘生物複合材料’。”
Gui Bazan 教授
Bazan 教授的研究結合了化學合成、材料工程、軟電子物質和電微生物學的原理。它爲促進和理解合成元素和微生物群落之間的電子通訊奠定了基礎。
“活的微生物複合材料將利用細菌的多樣性和適應性來制成，”他描述道，“通過正確的生物或非生物組合，可以利用細菌將化學能（即食物）轉化爲電能，達到任何其他方式都無法達到的水平。”
隨著時間的推移，在未來我們可能會利用廢水作爲食物來源，讓細菌去除其中的有機汙染物，同時利用清潔後的廢水作爲綠色能源來發電。
結語
材料研究不僅是發展最快的科學學科之一，也是站在現代技術前沿的學科，它涵蓋了21世紀人類生活的方方面面。而新加坡國立大學擁有的一流科研團隊正在進行全新的研究，並在該領域的各個方面率先提出新的見解。最終，我們都將能夠見證新加坡國立大學進行的尖端材料研究對新加坡和世界産生的深遠影響。
*本文圖片來源于NUS官網
