美国专利美国发表论文

近日，电子 科技 大学材料与能源学院夏川教授以第一作者和共同通讯作者身份在国际著名期刊Nature Chemistry (《自然–化学》)上发表题为“General synthesis of single-atom catalysts with high metal loading using graphene quantum dots”的研究论文。该研究开发了一套高载量过渡金属单原子材料的普适性合成策略，实现了高达 40 wt.% 或 3.8 at.% 的高过渡金属原子负载，比目前报道的单原子负载量提升了几倍甚至数十倍。 该工作由电子 科技 大学、加拿大光源和美国莱斯大学三个单位共同合作完成。材料与能源学院的夏川教授为论文第一作者和通讯作者，美国莱斯大学的汪淏田教授和加拿大光源的胡永峰教授为论文通讯作者。该合作团队在电催化材料研究和电化学反应器设计领域建立了坚实的基础，并取得了丰硕的研究成果。 过渡金属单原子材料具有极高的原子利用率、独特的电子结构以及明晰且可调的配位结构，在各种电催化过程中展现出优异的活性。但常规单原子材料中金属原子密度较低（通常小于5 wt.%或1 at.%），大大限制了其整体催化性能及工业应用前景，因此发展出高载量过渡金属单原子材料普适性合成策略至关重要。现有“自上而下”和“自下而上”工艺对提高合成单原子材料的金属负载量有很大的局限（图1, a-b）。以碳材料负载的单原子为例，现有的“自上而下”方法通过在碳材料载体表面制造缺陷，然后通过缺陷稳定单原子。然而，无法精确调控缺陷尺寸导致缺陷位点的数目极大地受到限制，而且当金属负载量提高时，容易在大尺寸的缺陷位处形成团簇。“自下而上”方法则使用金属和有机物前驱体（如金属有机框架、金属-卟啉分子、金属-有机小分子）热解碳化的方式获得负载金属单原子的碳材料。在金属负载量过大时，金属原子之间将因为没有足够的隔离空间而导致热解过程中团簇或者颗粒的产生。 鉴于此，该团队发展了区别于现有“自上而下”和“自下而上”工艺的单原子催化材料制备方法（图1c），以突破单原子负载量的限制。该团队创新性地使用比表面大、热稳定性高的石墨烯量子点作为碳基底，对其进行-NH2基团修饰，使其对金属离子具有高配位活性。引入金属离子后可得到以金属离子作为节点、功能化石墨烯量子点作为结构单元的交联网络，最后热解即可得到高载量的金属单原子材料。相较于传统“自上而下”和“自下而上”的单原子催化剂合成方法，该研究报道的方法既保证了高含量金属离子初始锚定时的高分散性又能有效抑制后续热解过程基底烧结重构引起的金属原子团聚。 XAFS、HADDF-STEM等多种表征手段证明，由该法制得的负载型金属单原子催化材料在保证金属原子单分散的同时还能实现远超现有文献报道水平的金属载量。借助该方法，该团队成功制备出质量分数高达41.6%（原子分数为3.84%）的Ir单原子催化材料（图2），该负载量相较于文献报道的Ir单原子最高载量提升了数倍。 另外，该合成策略还具有普适性，能够用于制备其他贵金属或非贵金属的高载量金属单原子催化材料。例如，在碳基底材料上，Pt单原子的负载量最高可达32.3 wt.%，Ni单原子负载量可达15 wt.%（图3）。 夏川，电子 科技 大学材料与能源学院教授，国家青年人才。研究方向为基于新能源的电催化、电合成、电化学生物合成，致力于实现碳平衡的能量与物质循环。在“液体燃料与基础化学品现场合成”这一特色方向开展了深入、系统的研究，在反应器与催化剂设计领域均取得丰硕成果，共发表学术论文50余篇，授权美国专利3项，H因子34，引用5200余次。近五年来，以第一作者/通讯作者身份在Science、Nat. Energy、Nat. Catal.、Nat. Chem.等国内外高水平期刊共发表论文20余篇，其中ESI高被引论文9篇，热点论文2篇。

人个简介艾伦黑格艾伦黑格（1936— ） ，1936 年生于依阿华州苏城。现为加利福尼亚大学的固体聚合 物和有机物研究所所长，是一名物理学教授。因有关导电聚合物的发现而成为 2000 年度诺贝尔化学奖三名得主之一。 （另外两位是：美国科学家艾伦马克迪尔米德和 日本科学家白川英树） 。编辑本段 个人成就他的工作引起了世界各国对臭氧层的关注，促使国际上对保护臭氧层问题及时采 取了一致的行动艾伦-j-黑格简介，从而使人类和地球上的生物有可能避免由臭氧层耗损带来的巨大灾 难。编辑本段 质的突破在人们的印象中，塑料是不导电的。在普通的电缆中，塑料就常被用作导电铜丝 外面的绝缘层。但本年度三名诺贝尔化奖得主的成果，却向人们习以为常的观念提出 了挑战。他们通过研究发现，经过特殊改造之后，塑料能够表现得像金属一样，产生 导电性。人们都知道塑料与金属不同，通常情况下，它是不能导电的。在实际生活中， 人们经常将塑料用作绝缘材料， 普通电线中间是铜导线， 外面包着的就是塑料绝缘层。 但令人惊奇的是，荣获今年诺贝尔化学奖的人打破了人们的这个常规认识。他发现， 经过某些方面的更改，塑料能够成为导体。 瑞典皇家科学院 10 日决定，将 2000 年诺贝尔化学奖授予美国科学家艾伦黑格、 艾伦马克迪尔米德和日本科学家白川英树，以表彰他们有关导电聚合物的发现。

所 谓聚合物，是由简单分子联合形成的大分子物质，塑料就是一种聚合物。聚合物要能 够导电，其内部的碳原子之间必须交替地以单键和双键结合，同时还必须经过掺杂处 理——也就是说，通过氧化或还原反应失去或获得电子。编辑本段 推动发展黑格、马克迪尔米德和白川英树等在 70 年代末就作出了一些原创性的发现，由 于他们的开创性工作，导电聚合物成为物理学家和化学家研究的一个重要领域，并产 生很多有价值的应用。利用导电塑料，人们研制出了保护用户免受电磁辐射的电脑屏 保、以及可除去太阳光的智能窗户。除此之外，导电聚合物还在发光二极管、太阳能 电池和移动电话显示装置等产品上不断找到新的用武之地。编辑本段 获奖简介黑格、马克迪尔米德和白川英树黑格、马克迪尔米德和白川英树 2000 年 10 月 10 日 15:15（北京时间 21:15） ，瑞典皇家科学院宣布，三位科学家 因为对导电聚合物的发现和 发展而获得本年度诺贝尔化学奖。他们是：美国加利福 尼亚大学的艾伦J黑格、 美国宾夕法尼亚大学的艾伦G马克迪尔米和日本筑波大学的 白川英树德。 人们都知道塑料与金属不同，通常情况下，它是不能导电的。在实际生活中，人 们经常将塑料用作绝缘材料，普通电线中间是铜导线，外面包着的就是塑料绝缘层。

但令人惊奇的是，荣获今年诺贝尔化学奖的人打破了人们的这个常规认识。他发现，经过某些方面的更改艾伦-j-黑格简介，塑料能够成为导体。 塑料是聚合体，构成塑料的无数分子通 常都排成长链并且有规律地重复着这种结构。要想让塑料能够传导电流，必须使碳原 子之间交替地包含单键和双键粘合剂，而且还必须能够让电子被除去或者附着上来， 也就是通常说的氧化和还原。这样，这些额外的电子才能够沿着分子移动，塑料才能 成为导体。 这三位科学家于七十年代末最先发现了这一原理，在他们的努力下，导体塑料已 经发展成为化学家和物理学家们重点研究的一个科学领域。这个领域已经孕育出了一 些非常重要的实际应用。他们三人因为这项杰出贡献获得了今年的诺贝尔化学奖。编辑本段 获奖理由艾伦黑格获奖现场艾伦黑格是半导体聚合物和金属聚合物研究领域的先锋，目前主攻能够用作发光材 料的半导体聚合物，包括光致发光、发光二极管、发光电气化学电池以及激光等等。 这些产品一旦研制成功，将可以广泛应用在高亮度彩色液晶显示器等许多领域。 在人们的印象中，塑料是不导电的。在普通的电缆中，塑料就常被用作导电铜丝 外面的绝缘层。 2000 年度三名诺贝尔化奖得主的成果， 但 却向人们习以为常的“观念” 提出了挑战。

他们通过研究发现，经过特殊改造之后，塑料能够表现得像金属一样， 产生导电性。 所谓聚合物，是由简单分子联合形成的大分子物质，塑料就是一种聚合物。聚合 物要能够导电，其内部的碳原子之间必须交替地以单键和双键结合，同时还必须经过 掺杂处理——也就是说，通过氧化或还原反应失去或获得电子。编辑本段 个人自传艾伦黑格1936 年 1 月 22 日严寒的早晨，我出生在爱荷华州苏城。我的童年是在爱荷华州的阿 克伦度过的，那是一个只有 1000 人的中西部小城，离苏城大约 35 英里。我在阿克伦 上的小学。我 9 岁时，父亲便去世了。 父亲死后，我们搬到了奥马哈，这样我母亲就可以离她的娘家近一些。她单身一 人抚养我们，我们与她姐姐及其孩子们住在一所房子里。 我最早的记 忆之一 是母亲告诉我接 受大学 教育的重要性。 我母亲 高中毕业的时 候，获得了上大学的奖学金，但是她父母需要她帮助养家糊口，她不得不去工作。在 我这一辈之前，我父母两家都没有人接受过超过高中程度的教育，所以我一直十分清 楚上大学是我的责任。我和我弟弟是我们这个家族里最先获得博士学位的人。 我的高中生活充满乐趣和挫折，是典型的十来岁孩子的生活。

高中时代最大的收 获就是遇到了我的妻子鲁思，我爱她快 50 年了，她一直是我最好的朋友。 我在内布拉斯加大学的那些年月，是我一生中一段特殊的日子。我刚上大学时的 目标是当一名工程师，我没有想到一个人可以把科学探索当作一种职业。但是一个学 期后，我确信我不适合做工程师。大学毕业时我完成了物理和数学两门专业的学习。 在大学里最精彩的课是西奥多乔根森教的现代物理学。他把我引进了量子物理学和 20 世纪科学的世界。 在伯克利，我的初始目标是跟查尔斯基特尔做纯理论的论文。因此，我决定全 职去获得我的学位，我首先去找了基特尔，问他我是否可以为他工作。他却建议我考 虑同从事与理论有紧密关联的实验工作的人一起工作。这也许是别人给过我的最好的 建议。我听从了他的建议，加入了艾伦波蒂斯的研究小组。 我清楚地记得我第一天在实验室的情景。我在做“原始研究”，终于涉及了真正的 物理学。关于绝缘反铁磁体 KMnF3 的磁性测量，我只做了一天，就写了一个反铁电 的反铁磁体理论，并且非常骄傲地拿给波蒂斯看。他对我很耐心，几天后，我向他道 歉，告诉他我的理论毫无意义，他仍然对我很耐心。通过与波蒂斯的交往，我学会了 如何思考物理学；更重要的是，我开始学习选择题目的良好鉴别能力。

1975 年，有关新金属聚合物——硫氮聚合物(SN)x 的第一批文章出现在文献上。 这一非同寻常的准一维金属激发了我的兴趣，我想要加入这一游戏。我得知，宾夕法 尼亚大学化学系的艾伦马克迪尔米德教授有硫氮聚合物的化学研究背景，我就约了 他见面，目的是说服他与我合作合成(SN)x。 他同意了，一次真正的合作开始了。我们认识到，那是一个横跨化学和物理两个 学科的长期研究，于是决定互相学习。尽管我们在每周的工作时间合作，但通常我们 在没有其他安排的星期六早晨会面，只是为了能尽量相互学习。那时，我对莫特设想 的金属－绝缘体的过渡理论着迷。很快，我们首次发现(CH)x 的导电性能有了显著提 高，而且证实了导电性的提高是由绝缘体（半导体）向金属过渡导致的。 我热爱科学家的生活，热爱与鲁思一起分享激动和失望的日子。她使我的生活充 满了爱和美，40 多年来，她也大度地容忍着我的古怪。我们夫妻二人成功地建立了一 个学术王国，我们的两个儿子，彼得和戴维都从事学术研究。彼得是一位教授、医学 博士，在凯斯西储大学从事免疫学研究。戴维是斯坦福大学的教授和神经学家，他在那里研究人类的视觉。获得诺贝尔奖后，在我接受的所有祝贺当中，使我最为高兴的 是我的孙辈们从他们的爷爷那里获得的骄傲。

编辑本段 受聘教授艾伦黑格艾伦黑格 由于艾伦黑格的卓越贡献，化学研究所举行了聘任艾伦黑格教授为化学所名誉 研究员的仪式。参加聘任仪式的有科技部副部长程津培院士、国家自然科学基金委主 任陈佳洱院士、中国科学院化学部副主任刘元方院士、中国科学院基础局局长金铎研 究员、中国科学院理论物理研究所于渌院士，国家自然科学基金委副主任、化学所学 委会主任朱道本院士、钱人元院士、黄志镗院士、朱起鹤院士。 聘任仪式由王梅祥所长主持，王梅祥所长和朱道本主任向艾伦黑格教授颁发聘 书。王梅祥代表化学所在仪式上讲话，他说：“艾伦黑格教授(A.J. Heeger)是国际著名 的物理学家。现为美国加州大学圣巴巴拉分校物理系教授，并兼任该校高分子及有机 固体研究所所长，是国际导电高分子研究的先驱，主要研究领域包括：有机及聚合物 光电子材料和器件的物理与材料科学。发表论文 600 多篇，获美国专利 40 多项，其 论文被引用次数在全世界名列第 64 名。艾伦黑格教授十分重视将科研成果向生产力 的转化。 近年来他领导 UNIAX 公司的研究小组解决了聚合物发光单色显示屏的高效、 长工作寿命等一系列基础与技术问题，使聚合物发光显示屏进入了产业化。

由于他的 杰出贡献，荣获 2000 年诺贝尔化学奖”。 艾伦黑格教授在受聘仪式发言中风趣地说道，他是一个物理学家，在 2000 年成 为了化学家。他用自身的例子，生动说明了学科界限越来越模糊，交叉合作是如此的 重要。应邀嘉宾程津培副部长、陈佳洱主任、金铎局长也在聘任仪式上发表了讲话。 随后，艾伦黑格教授在学术报告厅作了题为“半导性和金属性导电聚合物——第 四代聚合物材料”的精彩报告，200 多座位的学术报告厅，座无虚席，有些职工和学生 甚至是一直站着听完这场报告， 并与艾伦黑格教授进行了热烈的讨论。 随后， 艾伦黑 格教授在王梅祥所长的陪同下，参观了中国科学院纳米中心、分子反应动力学国家重 点实验室、有机固体院重点实验室、分子纳米结构与纳米技术院重点实验室。编辑本段 导体塑料艾伦黑格艾伦黑格 导体塑料可以应用在许多特殊环境中，摄影胶卷需要的抗静电物质、计算机显示 器的防电磁辐射罩都会用到导体塑料。而近来研发的一些半导体聚合体甚至可以应用 在发光二极管、太阳能电池以及移动电话和迷你电视的显示屏当中。 有关导体聚合体的研究与分子电子学的迅速发展有着密切的联系。估计将来我们 能够生产出只包含单个分子的晶体管和其它电子元器件，这将在很大程度上提高计算 机的速度，同时减小计算机的体积。我们现在放在公文包里的手提电脑到那时可能只 有手表大小了

根据2017年中国集成电路产业分析，我国在移动通信和计算机领域的国产芯片，占有比例接近为零，就算到了2020年占有率有所上升，但也很低，我国在芯片领域的发展落后，主要原因是因为缺少先进的光刻机，那何为光刻机呢，简单来说，光刻机是制造芯片的核心装备，它的工作原理有点像相片冲印，需要把集成电路的精细图形，通过光线曝光印到硅片上形成芯片，但一台光刻机的造价十分昂贵，通常在三千万至五亿美元之间，光刻机的优劣直接决定了芯片的性能，而世界上只有少数几个国家拥有高端的光刻机，我国于2018年研发的光刻机，光刻分辨率才22纳米，继续完善后也只能达到10纳米，而在芯片领域发达的国家，早就已经在制造7纳米、5纳米的芯片了。 阿斯麦是世界上能生产7纳米芯片的最大半导体供应商，我国中芯国际在2018年就进口了该类型的光刻机，但因为美国的打压，光刻机迟迟未到，中国制造芯片之路仿佛被人扼住了脖颈，没了芯片我国高 科技 的发展将会受到极大的影响，大到航天航空领域，小到人们手上的手机，就比如说华为基于5纳米工艺打造的，麒麟9000芯片可能成为绝版，而缺少芯片带来的恶劣后果，直接影响了我们的日常生活和国家 科技 发展，不过就算是这样，中国也有无数科研人员正在努力，让中国芯片绕开美国的封锁，比如正在研究的光子芯片的技术，让中国就算没有光刻机，也可以制造出高端的芯片，其中有一位年轻有为的青年科研家，他所带领的团队研究的光子芯片，已初有成效，为中国缺芯的局面带来曙光，他就是麻省理工学院毕业的沈亦晨，今天就和大家聊聊沈亦晨其人，以及他又是怎么用光子芯片打破美国封锁，让中国缺芯局面可解的。 沈亦晨出生在浙江杭州，从小便聪明伶俐，对电器十分感兴趣，喜欢将家里的小电器拆了又装，观察里面的构造，而这也得益于他父亲的影响，沈亦晨的父亲是一位电力工程师，当别的孩子都在玩玩具车时，沈亦晨的玩具就是父亲工作时的各种器材设备，当别的孩子在看漫画书时，沈亦晨看的书就是父亲书柜里那些晦涩难懂的电路图，和电力物理书，在父亲的耳濡目染下，沈亦晨对这一行业拥有着强烈的好奇心，他喜欢去学习去 探索 ，读完高中之后，沈亦晨就前往新加坡和美国，在新加坡南洋理工大学和美国霍普金斯大学，攻读物理专业，沈亦晨就像一条游进了宽阔大海的鱼，如鱼得水，他的知识系统迅速被扩展，并且在纳米光子学领域增长了学识，为后来的光子芯片研究，奠定了坚实的专业基础。 在沈亦晨求学之路上，无论是读研还是读博期间，沈亦晨积极参与光学研究，他在《科学》杂志上发表了论文得到了业界的好评，除此之外他还发表过25篇顶级期刊的论文，还拥有着10项美国专利，沈亦晨对光学研究的孜孜不倦，让他得了一个“追光者”的外号，其实关于光学的研究与应用，在数十年间一直有在进行，沈亦晨在研究中也也发现了光子比电子更快，而且耗能也更低，如果能用光子替代电子，那将是史无前例的进步，但是由于光像是一个难以琢磨的孩子，行为难以预测，也就是光具有不可控性，所以关于光学计算的研究就十分具有挑战性，沈亦晨向来就是喜欢挑战的人，他喜欢一个个谜题在自己手中解开的感觉。 在2016年时沈亦晨创立了自己的第一家公司，主要立足于使用太阳能发电和移动电子显示的方向，接着沈亦晨觉得只研究表面无法得到突破，于是他又成立了一家公司 曦智 科技 ，该公司的目标是要生产出光子芯片，这也正式开启了沈亦晨研究光子芯片的道路，沈亦晨和团队在研究中，建立了一个光学神经网络架构技术，在此技术下架构出来的芯片，就是一个可以变成的纳米光子处理器，能够取代传统电子晶体管，改进电子晶体管的性能 延迟 功耗问题，如果这光子芯片能够研发成功，将会带来飞跃性的进步。 不仅是原电子芯片计算能力的一千倍，它的耗能还将低于电子芯片一百倍，可别小看这一百倍的降低耗能，现在 社会 追求的都是一个低耗能，节约一切资源长途发展，光子芯片能使得全球数据服务器的用电量大大减少，而且应用面也会更加广，对增强现实 自动化等领域助益极大，沈亦晨凭借着这个研究，在2017年将学术成果报告发表在了顶级期刊上，业界为之震动，纷纷夸赞，而沈亦晨在当年也拿下了，麻省理工和哈佛大学 科技 创新赛的第一名，2018年沈亦晨刚成立不到两年的曦智 科技 ，就获得了百度和美国半导体企业的投资，金额高达1000万美元，折合人民币6500万。 现在的沈亦晨还在继续研究光子芯片，他在前几年的突破性进展，为现在中国缺芯的僵持局面，撕开了一道裂口，力挽狂澜般辅助我国解决芯片问题，沈亦晨的曦智 科技 目前已经建立了，设备更为先进 功能更为齐全的光学实验室，全力研发光子芯片的相关技术，虽然一时半会儿还不能马上上线光子芯片，但是只要开始永远不晚，正是有像沈亦晨这样优秀的青年人才，有决心有毅力，热爱学术研究，并且能够将理论与实际结合，勇于担当起兴国重任，才让我国现有的芯片技术快速发展，如今我国7纳米GPGPU芯片已经面世，中芯国际也在进军7纳米SOC芯片的研究，相信在未来，我国一定会“芯心满满”。