G01-原子制造及机理研究组
低维量子材料具有尺寸小、易集成等优点，且由于维度限制，低维材料的电子只能在受限空间运动，使其具备区别于传统材料的独特性能，能够构筑出更小尺寸、更低功耗、更高性能的信息器件。原子级制造已成为当前科学、技术和产业界共同关注的研究前沿和开发重点。基于低维材料的原子尺度精准制造和物性调控来构建未来信息功能器件，需要对所制备材料进行单原子尺度的高精度表征与结构调制，在单电子层次上实施量子物性调控，并探索材料结构与物性的关联，理解其构效关系。本研究小组利用具有单原子分辨能力的扫描隧道显微镜和单化学键分辨能力的原子力显微镜等设备，结合第一性原理计算，在单原子尺度上精准制备纳米石墨烯、石墨烯纳米带、单层硒化铜等多种低维量子材料，并在单电子精度下调控低维量子材料的电学、磁学、拓扑等量子物性。
G02-二维材料结构设计及器件组
二维材料结构设计及器件组的研究方向包括理论计算、低维材料制备和器件应用等多个领域。主要致力于利用计算模拟方法，预测和设计新型二维材料的结构，探究其存在及被合成的可行性以及结构的功能性质如电子性质、磁学性质、拓扑性质、催化性质、储能性质等，从而预测新型二维材料的潜在应用。在实验制备方面，采用化学气相沉积技术、固相合成、水热合成等先进方法，制备结晶度高、质量好、性能佳的低维材料，并通过各种表征技术对其进行深入的物性表征，包括形貌、结构、成分等方面的研究。专注于设计、制备并优化各种低维材料器件，在电子学、光电子学等领域探索其应用潜力，旨在推动低维材料在能源、电子学、光电子学等领域的应用和发展。
1.低维纳米材料相关理论计算与模拟：
新型低维纳米材料设计及其功能性质研究：主要开展石墨烯、类石墨烯、石墨烯纳米带、类石墨烯纳米带等低维纳米材料结构的设计及其功能性质的预测和开发；
材料结构及性质高通量计算：开展新材料的高通量计算；
固体材料中的缺陷、杂质及固体表面的原子分子过程：主要开展缺陷杂质对固体材料结构、性能影响的机理研究。
低维材料的理论计算研究
2.低维纳米材料制备及性能表征：
低维纳米材料器件具有微型化、高能效和集多功能于一身的特点，是未来科学发展的主流趋势之一。随着电子显微学、微加工技术的高度发展，对纳米材料与器件的研究已进入黄金时期。本组主要从事低维纳米材料生长机理及器件电子学的研究，擅长对新现象、新机理和新材料的探究。团队拥有4套化学气相沉积系统，以及1套自主设计的化学气相沉积-手套箱联用系统。近年来，在低维材料的生长调控以及在金属基复合材料中的应用取得了系列研究进展。
首次实现大面积单层铋烯的气相剥离
首次实现单晶Ta2O5纳米棒阵列的生长
先进功能材料制备及应用组的研究方向包括石墨烯功能材料开发与应用、热电材料的制备和性能研究、催化材料的设计、制备和性能研究以及吸波材料的制备和损耗机理研究多个领域。
1.石墨烯功能材料开发与应用
(1)石墨烯热管理材料及器件
随着5G时代的到来，电子器件特别是手机领域，集成度越来越高，性能越来越强，发热量也急剧上升。石墨烯具有高本征热导率(5300W/m.K)，可以作为高导热填料，以及利用设计的独特三维孔隙结构填充相变材料，应用于电子器件散热、均热、相变储热等热管理应用。开发石墨烯复合多功能材料，包括导热各向异性材料，导热屏蔽材料，储热导热相变材料等；开发石墨烯基纳米流体，包括功能修饰石墨烯纳米流体、混合多元石墨烯纳米流体等作为导热传热介质。最终结合各类石墨烯材料，根据电子信息器件的实际应用场景，提供综合的热管理解决方案。
复合相变材料 各向异性导热材料
(2)石墨烯新能源开发与设计
石墨烯具有高电导率，可作为高性能导电剂代替传统炭黑在电极中构建导电网络，降低电极内阻，应用于超级电容、锂电负极等新能源领域。以石墨烯作为锂、钠离子电池的导电剂或负极材料，研究石墨烯对电池首效、比容量、充放电等性能的影响；研究石墨烯纳米材料由于量子约束效应和表面效应对外界刺激敏感，并与各种形式的水强烈相互作用产生电力的现象。
氧化石墨烯湿法发电
(3)石墨烯传感与器件
石墨烯具有优异的力学性能，可应用在传感、信号采集、电磁屏蔽等领域。利用层间的强π-π键和范德华相互作用，可实现可控自组装结构，石墨烯因其高导电性、超轻、高柔韧性、高机械强度等优点，广泛应用于压阻传感器，并且其可变形和生物相容性成为电子皮肤的理想材料。以氧化石墨烯为原料，通过水热反应或定向冷冻干燥技术得到多孔的，具有优异的压缩回弹性能石墨烯气凝胶，研究其在应变传感及人机交互等领域的应用；制备柔性石墨烯电子皮肤，采集人体运动、呼吸、脉搏等信号；研究根据不同功能需求通过微观结构的调控制备三维多孔石墨烯材料，使其具有密度小、孔隙率高和比表面积大等特点，来改善材料的电磁屏蔽效能。
人体足部运动监控 rGO/SF气凝胶(GSA)传感器应用
(4)石墨烯环保润滑等应用
石墨烯独特的热化学稳定性、化学惰性、对分子的不渗透性和极高的长径比使其具有优异的阻隔性能和化学稳定性，可作为防腐材料在金属防腐中具有巨大的应用潜力。通过氧化还原程度调控、三维多孔结构设计与及特殊功能化修饰使得石墨烯复合材料对不同染料、重金属废液具有截留、特异性吸附作用，在水处理技术中具有巨大的应用潜力。石墨烯二维纳米材料，单层厚度仅有0.34 nm，使其能够均匀牢固地附着在摩擦界面，形成石墨烯润滑膜，大大减小了器械零件间的摩擦系数和磨损率。
防腐材料应用 选择性吸附应用 减摩润滑应用
2.热电材料的制备和性能研究
热电材料是一种能够实现热能和电能之间直接转换的功能材料，具有广泛的应用前景，包括废热发电、太阳能热源发电、极端环境下的能源供给等。热电材料的性能主要取决于其热电优值（ZT值），该值与材料的塞贝克系数（S）、电导率（σ）和热导率（κ）相关。理想的热电材料应具有高塞贝克系数、高电导率和低热导率。利用水热法将功能化的多壁碳纳米管(f-MWCNTs)和还原氧化石墨烯(rGO)结合到Bi2S3基质中，以优化其热电性能。
Bi2S3复合f-MWCNTs热电性能 Bi2S3复合rGO热电性能
3.催化材料的设计、制备和性能研究
(1) NH3-SCR脱硝催化剂DFT与实验
选择性催化还原NOx技术一种有效降低NOx排放的方法。这一技术具有环保意义，因为它有望降低大气中的NOx浓度，改善空气质量，并减少对大气和水体的污染。此外，SCR技术还对工业和能源生产过程中的NOx排放进行控制，有助于符合环境法规和标准。CoAl2O4催化剂是一类具有尖晶石型晶体结构的铝基催化剂，它在NOx消除方面具有极高的活性和较高的选择性。
CoAl2O4催化剂NH3-SCR脱硝DFT Fe掺杂CoAl2O4催化剂NH3-SCR脱硝性能
(2)光催化材料制备与性能
太阳能被视为是解决能源和环境问题的最具潜力和希望的能源选择。太阳能作为一种清洁可再生的绿色能源，它一方面可以通过光催化技术转换为氢能，而氢能源是一种高能量密度、无污染、燃烧均匀、燃烧速度快的能源。另一方面，它能为光催化材料分解和矿化各种不易处理的有机污染物提供必要的光子，从而实现降解而不产生二次污染效应。因此，研究太阳能的有效利用至关重要。而光催化技术为人类提供了一条新途径来利用太阳能。
CuCo/TiO2光催化剂产氢 Ag@TiO2光催化剂产氢
4.吸波材料的制备和损耗机理研究
吸波材料是一种电磁功能材料，其可以实现电磁波能量转化从而达到电磁隐身的目的。吸波涂层已被应用军事领域及民用领域，有效地实现了雷达探测隐身及电磁辐射污染消除等功能。铁氧体材料由于具备成本低、稳定性强及损耗能力强等优势，被认为是最具发展前景的一类吸波材料，但是目前铁氧体材料研究中仍存在密度较大、有效吸收带宽较窄及主导损耗机制不明等问题。针对上述铁氧体吸波材料研究中存在的密度问题，可通过特殊的中空结构设计予以解决。而针对其有效吸收带宽的问题，则可通过铁氧体基复合吸波材料的构筑得以改善。深入分析铁氧体基吸波材料的电磁损耗行为与电导率、异质界面及缺陷位点的内在联系，则可阐明其主导的电磁损耗机制，为新型铁氧体吸波剂的制备提供一定的理论基础。
多层核壳空心球铁氧体普适性制备 电磁损耗机制探索
氧化还原反应调控铁氧体异质界面 电磁损耗机制探索
G04-低维纳米生物医学材料组
低维纳米生物医学材料主要围绕各类骨缺损修复领域开展研究，以期满足临床外科治疗的需求。主要研究方向如下：
1.硬骨修复
(1)硫酸钙基复合材料
硫酸钙骨水泥作为骨修复材料由来已久，本团队研制出组织相容性佳、成骨活性高且力学强度接近自体骨的硫酸钙基骨修复材料。后续研究显示，其力学性能、降解性能及成骨活性优于美国 Wright 公司产品。目前已实现小批量生产，正探索规模化生产工艺。
(2)羟基磷灰石基晶须材料
羟基磷灰石（HA）与人体硬组织无机成分相仿，具有优异的生物活性、相容性及骨传导性，是理想的生物材料。本团队成功开发出普通（图 a）、超长（图 b）及 SiO2 改性（图 c）羟基磷灰石晶须，均实现公斤级量产，有望在生物功能材料及工程增韧等领域得到应用。
(3) β-TCP基骨修复支架材料
β-Ca3(PO4)2简称β-TCP，与人体骨骼无机成分相似，具良好理化性能、相容性及可降解性。本团队已用不同方法制出β-TCP基骨修复支架，具良好力学性能、降解性能及生物活性，有望近期在硬骨修复领域临床验证应用。
(4)纳米羟基磷灰石基复合材料
本团队成功制备纳米羟基磷灰石基复合材料（如HA/胶原蛋白、HA/壳聚糖等），研究显示材料具优异力学性能、降解性能及相容性。左图为多孔HA/胶原蛋白支架，右图为其扫描电镜图。
(5)可降解金属镁基材料
金属镁及镁合金是研究和临床应用的热点，具有广阔前景。本团队研发出带有表面活性涂层的金属镁基生物医疗器件，涵盖可降解镁骨修复器件、心血管支架及骨组织工程支架材料等，有望实现市场化推广。
2.软骨修复
(1)椎间盘修复材料
近年来，组织工程学发展迅速，组织工程化椎间盘有望实现退变椎间盘功能重建，为退行性椎间盘疾病开辟新路径。基于此，本团队构建了包含纤维环和髓核的组织工程化椎间盘支架，成功制得 KGM 基复合多孔人造髓核支架和 KGM 基纤维环组织工程支架。分析测试显示，该组织工程复合椎间盘具有与天然椎间盘相似的组织形态和力学特性，为临床应用提供了可能。图左为椎间盘纤维环支架，图右为其扫描电镜图。
(2)静电纺丝法制备的三维多孔支架材料
静电纺丝所得纳米微米纤维具备大比表面积、不规则外观等特征，可应用于模版、过滤膜、催化剂载体、纳米增强膜及组织工程等领域。在生物医用材料方面，该纺丝纳米纤维可用于组织工程、人造血管、组织修复、伤口敷料、药物载体等，具有高比表面积、高孔隙率等特点。本团队通过静电纺丝法制备了KGM基复合多孔支架材料，有望用作人软骨修复的组织工程支架。图左为制备的KGM多孔支架，图右为KGM/SH复合多孔支架。
3.皮肤修复
本团队目前研究的皮肤材料有 CMC/CS/PVP、CMC/CS/SH 等混合膜材料，以及静电纺丝 KGM/CS 载药微球、KGM/CMC 缝合线等。这些材料的研究与制备，将为患者提供更多选择，使皮肤材料研究相关理论更丰富和完善。