从原子的视角认知微观世界

在更小的尺度、更极端的应用条件下去理解并调控材料的“结构-性能”关系，是材料科学家的终极奋斗目标。本次报告将以“先进表征技术在柔性Si太阳能电池中的应用”为案例，展示透射电子显微镜（TEM）和聚焦离子束显微镜（FIB）等硬件，支持跨学科基础研究工作的底层逻辑与发展机遇；将以“从原子尺度评估稀土净化高端轴承钢锭有效性的方法”为案例，展示球差电镜和FIB等表征技术在具体工程问题中的应用与前景。基于这两个研究案例，进而阐述一种新的材料研发思路：基于先进表征技术驱动的新材料研发。

硼掺杂金刚石（BDD）的制备和应用

BDD（硼掺杂金刚石）电极是一种具有高稳定性、高耐久性、高导电性和高催化活性的电极材料， 因此它在许多领域都有广泛的应用场景。 1.电化学领域：BDD电极可以用于电化学分析、电化学合成和电催化等领域。由于其优异的导 电性能和化学稳定性，BDD电极可以用于制备高纯度的有机化合物、进行电化学氧化还原反应等。 2.水处理：BDD电极可以用于水处理领域，如饮用水的净化、废水的处理等。由于其良好的催化 性能和抗污染性能，BDD电极可以有效地去除水中的有害物质，如重金属离子、有机污染物等。 3.生物医学：BDD电极还可以应用于生物医学领域，如生物传感器和电化学检测等。由于BDD 电极具有良好的生物相容性和电化学性能，可以用于检测生物分子的浓度和活性等。 4. 能源领域：BDD电极也可以用于能源领域，如超级电容器、燃料电池和太阳能电池等。

金刚石FET制造方法及其应用

金刚石因其许多极端的物理特性，如最高的硬度，极端耐磨性，良好的力学、生物相容性、摩擦学性能以及较高的脆性断裂强度等被认为是终极半导体。金刚石场效应晶体管（FET）因其出色的高功率和高频性能、卓越的热导率、宽禁带、高载流子迁移率和快速饱和速度，在快速准确的生物医学检测方面展现出巨大的潜力。报告人概述了金刚石FET的制造方法，以及金刚石FET的表面功能化及其在生物医学检测中的应用。

探索金刚石纳米针阵列：制备及其在生物医学工程中的新兴应用

近年来，金刚石纳米材料因其独特的物理和化学性质而引起了人们的极大兴趣。其卓越的机械强度、化学稳定性、生物相容性和高导热性使其成为广泛生物医学应用的理想候选者。各种形式，包括纳米金刚石、金刚石纳米薄膜和金刚石纳米针阵列（DNNA），已经被制造和使用，表现出显著的稳定性和低细胞毒性。特别是，高纵横比和高密度DNNA因其机械坚固性、化学稳定性和良好锻造的生物纳米界面的独特组合，在活细胞操纵和分析方面展现出巨大的潜力。另一方面，金刚石材料的化学稳定性使得制备和功能化具有挑战性，这可以通过更广泛的应用来改进。最近的研究工作集中在金刚石纳米针制造技术的开发和优化上，旨在实现对几何形状和阵列布局的精确控制，并增强其在靶向药物递送、细胞操纵和生物传感应用中的功能化。该领域的一个显著突破是通过创新的制造工艺成功合成了有序的DNNA，例如结合自上而下和自下而上的方法。这些努力显著提高了所得纳米针结构的均匀性、可重复性和可扩展性。 利用其独特的结构，金刚石纳米针阵列已成为各种生物医学应用的新型多功能平台。通过表面的化学修饰和生物功能化，DNNA提供了一种独特的生物界面，能够穿透细胞内部并分析细胞内分子，而不会损害细胞的完整性。此外，这些纳米针的纳米级分布使DNNA能够以空间分辨率从生物样本中收集异质信息。因此，DNNA已在多个领域得到有效利用，从靶向药物递送到高度敏感和选择性的生物传感。 在本次演讲中，我们介绍了我们在利用偏压辅助等离子体蚀刻制造高纵横比DNNA方面的持续努力，该DNNA随后被功能化和集成为各种生物医学应用的通用平台技术。摘要首先阐明了偏压辅助等离子体蚀刻DNNA制造的工作原理，然后展示了许多生物医学应用。具体来说，我们展示了DNNA在活细胞操作中的出色性能，特别是在跨多种细胞类型的高效细胞内递送、活细胞中的高通量细胞内分子追踪以及疾病模型中的时空转录组图谱绘制方面。在结论部分，我们总结了尚未解决的挑战，并讨论了DNNA促进的未来潜在应用。我们强调在这一领域继续研究和创新的重要性，以进一步释放DNNA在生物医学工程及其他领域的变革潜力。

用于高通量细胞内递送的金刚石纳米针阵列

在细胞生物学研究以及基因和细胞治疗中，将外来物质和分子引入活细胞具有重要意义。细胞内递送的主要障碍是穿过细胞膜。为了克服这一点，已经开发了各种各样的生物、化学和物理方法。在这里，我介绍了我们利用金刚石纳米针阵列促进荧光探针、药物、纳米粒子和基因的高效和高通量细胞内递送的工作。特别是，该技术已被证明能够在神经元中实现极高的转染效率（约45%对商业转染方法的约1-5%）。除了应用，这项技术的生物效应也得到了研究。预计这项技术将在基础细胞生物学研究和一系列临床应用中非常有用。