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拓扑电子态研究应用前景广阔

【晒晒科技新成果】

光明日报记者齐芳

未来，变革性技术会出现在哪个方向？

拓扑电子态及其材料研究，极有可能。

拓扑电子态是什么？中国科学院院士、中国科学院物理研究所所长方忠这样解释：“它是一大类新的量子物态，其研究对当前物理学的发展产生了深远影响，不仅深刻改变人类对物态的认识，也为变革性技术的出现提供新的可能。”

2023年度国家自然科学奖一等奖颁给了由方忠院士领衔的“拓扑电子材料计算预测”。

对普通人来说，拓扑电子态太难弄懂，但要说到新拓扑材料的可能用途，大家或许就能明白，为什么这个领域会成为国际凝聚态物理界竞争的焦点和热点。它能实现低能耗的电荷输运，用于开发低能耗的电子器件；它将为未来磁存储设备和量子计算机提供关键设备……

方忠领导的研究小组，是我国拓扑电子态及其材料研究的中坚力量。2003年起，研究团队从零起步、跟跑、并跑到交替领跑，独立做出若干具有国际影响力的工作——计算预测首个量子反常霍尔效应绝缘体、计算预测首个拓扑狄拉克半金属和首个外尔半金属、提出并实现判别拓扑性质的普适计算方法、建立拓扑材料数据库……在关键时间节点上，他们引领了学科的发展，将我国推到拓扑电子材料研究的世界前列。

中国科学院物理研究所研究员翁红明自2010年回国后，加入方忠团队，并成为核心人员之一。2013年，他和同伴在众多候选物中，经过计算分析，确认化合物砷化钽（TaAs）就是一直在寻找的非磁性外尔半金属。这一结果在国内外引起强烈关注，掀起实验验证外尔费米子的激烈竞争。最终，TaAs成为世界上首个经实验确认的外尔半金属。

那些伏案计算的日日夜夜、那些走了弯路的焦虑和失望、那些突破瓶颈的欣喜和鼓舞……如今再谈起，都已云淡风轻。翁红明更愿意谈的是科学本身：“我们的研究不仅在拓扑材料上取得突破，更为凝聚态物理发展提供了一种新的研究范式——通过计算研究来推动实验进展。”在他看来，物理固然是一门实验科学，但发展到现在，理论研究应该发挥更大的指导作用，计算研究能从浩如烟海的化合物中迅速筛选出最具潜力的材料，从而加速新物态和新材料的发现。“我们已经形成‘理论计算—样品制备—实验测量—器件开发’的全链条正反馈研究模式。应该说，这一研究范式引领并推动了拓扑电子态研究领域跨越式大发展。”

理论研究仍要加强，但下一步更要关注如何调控拓扑物态、利用拓扑物性为功能器件的应用奠定基础。方忠说：“前景广阔！我相信，拓扑电子态研究的大门刚刚打开，拓扑时代的黎明即将到来！”

《光明日报》（2024年08月11日 01版）

来源：光明网-《光明日报》

专访香港理工大学讲座教授郑子剑：香港科研水平全球领先柔性电子应用前景广阔

手机可以像手帕一样折叠放进口袋，电视可以像画轴一样自由收卷，随身佩戴的智能产品不仅薄如蝉翼，还能像衣服一样，和皮肤全面贴合，实时监测身体的各项指标和数据……

在经典科幻片《终结者》中，“仿生皮肤”可以完美复现真实皮肤的触觉、痛觉和温度感知等功能，让人造假肢、仿生机器人拥有真实感觉。

这些场景并非狂想，它所展示的正是柔性材料和柔性电子技术的未来。在香港，郑子剑教授带领的研究团队，正在一步步将这些人类的美好想象和科幻片中的场景变为现实，将柔性电子这一革命性的技术进行产业化落地。

郑子剑是香港理工大学软材料及器件讲座教授，近日他在接受南财记者专访时表示：“未来，柔性电子在智能穿戴产品、生物医疗、大健康、运动监测、机器人等方面都有广阔的应用前景。”

柔性电子技术作为一种新兴的技术领域，近年来引起了广泛关注。它指的是在柔性材料基础上，通过微纳米加工技术制造出具有可弯曲、可折叠、可延展等特点的电子产品。柔性电子技术拓宽了电子产品的应用范围，为各行各业带来了极大的创新空间。

郑子剑。资料图

80后科学家投身热门科研

郑子剑的履历堪称完美，是标准的“学霸”履历。

2003年，郑子剑清华大学毕业；2007年，在英国剑桥大学获得化学博士学位。此后，他前往美国西北大学国际纳米中心，从事博士后研究。郑子剑表示，自己在本科时就对科研产生兴趣，享受“把自己喜欢的事情做好”的感觉。

在三所世界顶尖学府的求学和科研经历，让郑子剑对中、英、美三种不同的科研教育体系的特点深有体会。

谈及中国科研教育体系，郑子剑指出：“我觉得（国内）大家能学到一个很好的东西，就是我们对这个领域的热爱和努力。”

这三段学习经历，造就了郑子剑的科研心态，也坚定了他对柔性电子领域未来发展前景的信心。

“国家对柔性电子领域的定位是非常高的，将其纳入‘十三五’和‘十四五’规划。从未来应用的角度来说，包括生命健康等诸多领域需要柔性电子，中国开始步入老龄化社会，柔性电子在健康医学的应用有广阔的市场前景。”郑子剑指出。

柔性电子行业作为一个快速发展的新兴科技产业，未来市场前景广阔。据《财富商业洞察》统计，2023年全球柔性电子市场规模为271.1亿美元。预计该市场将从2024年的294.0亿美元增长到2032年的709.7亿美元，预测期内复合年增长率为11.6%。中投产业研究院的相关报告显示，国内柔性电子产业目前各类研究机构超过10家，相关企业超过300家。

2009年，郑子剑从美国回到香港理工大学任教，当时在香港从事柔性电子研究的团队寥寥无几。15年后的今天，几乎香港所有知名大学都有团队在进行相关研究，柔性电子已然成为一个非常热门并且仍在上升期的研究领域。

以柔性电子为核心的关键核心技术与战略性新兴产业，正在成为我国在颠覆性科技领域实现弯道超车的重要赛道。

“在这一领域香港有着不少杰出的科学家，大部分的科学家年纪跟我差不多，甚至有些比我还年轻。”郑子剑坦言，“香港柔性材料方面的研究处于国际第一梯队的位置。”

郑子剑实验室研究人员展示“透气柔性电子”样品，该材料可贴在皮肤上实现无线数据传输，不会引起发炎。资料图片

透气柔性电子领航人

作为香港最年轻的讲座教授之一，郑子剑在柔性电子这一新兴领域的研究和商业化应用探索已是“佼佼者”，至今发表超过200篇SCI期刊论文，其中有不少文章在《科学》（Science）和《自然材料》（Nature Materials）等具有国际影响力的期刊上发表。

2018年和2023年，郑子剑分别获得香港科技领域授予45岁以下学者的两项最高学术荣誉：香港青年科学院创始成员和香港工程科学院青年部创始成员。

除在应用生物及化学科技学系担任讲座教授外，他还担任了包括香港理工大学（惠州）大亚湾技术创新研究院院长、港理大（温州）创新技术研究院中心主任、智能可穿戴研究院副院长、材料与器件中心实验室副主任等职。

在基础科研方面取得的卓越学术成就，并没有让郑子剑囿于实验室。近年来，他积极推动柔性电子科研成果的产品转化和商业化，研发出了可用于“重症监护的无线透气心电贴片”、“超柔软高效能织物锂电池”和“植入式生物电子装置”等基于先进柔性电子研究的产品。目前，部分产品已经进入商业孵化阶段。

“透气柔性电子”是郑子剑科研团队研究的一大特色。围绕“透气柔性电子”的概念，团队开发了一系列适应皮肤透气排汗特性的柔性电子产品。

“这种设计的好处是，如果将这些设备穿戴在身上，它们可以像衣服一样贴合，即使穿戴几天甚至一周，也不会引起皮肤的过激反应。这为柔性电子在未来不同领域的长期应用，尤其是在医院或病人等皮肤更加脆弱环境中的应用，提供了坚实的基础。”郑子剑表示。

在今年美国最大型的科技发明展览——硅谷国际发明创新节上，郑子剑团队的研究成果“可用于重症监护的无线透气心电贴片”，获得了全场第二大奖及金奖。这项产品正是“透气柔性电子”研究产品化的最新案例。通过这张像“创可贴”一样贴在病人身上的柔性电子皮肤，可以在不引起皮肤发炎和确保心脏舒适度的前提下，实现非侵入性心电图监测。

郑子剑认为，该项技术可以最大程度避免病房和手术室内传统有线临床设备的移动不便以及信号串扰的潜在问题。他透露，目前在和医院合作进行一系列临床实验，在未来2~3年有望获得医疗器械注册审批，在医疗机构推广应用。

香港对科创发展空前重视

为推动香港优秀科研成果的转化，支持科创发展，香港特区政府推出100亿港元“产学研1+计划”，以配对形式资助不少于100支来自大学教育资助委员会资助的有潜质成为成功初创企业的研发团队。每个获批项目可获1000万至1亿港元不等的资助。

由郑子剑领导的科研项目《下一代动力储能电池复合集流体的中试与量产》脱颖而出成为首批受资助项目之一。该计划将分两期完成：第一期是三年内成功把科研成果转化落地，第二期是随后两年内把科研成果商品化。

郑子剑表示：“产学研1+计划为我们产业化过程中提供了一笔很好的启动资金。每个项目最多可以有五年的时间。而且，在这1亿港元的资助中，特区政府不占股份，这对投资人来说是一个很好的鼓励。”

在郑子剑看来，计划本身除了资金帮助外，还向世界发出了一个重磅的信号，即香港发展创科的坚定决心，这将会增强社会各界对香港创科发展的信心。

该项目入选“产学研1+”计划，也侧面反映了香港激励产学研协作，进一步推动“从1到N”的科研成果转化和产业发展的目标。

柔性电子应用前景广阔

《21世纪》：可否为我们简单介绍一下你从事科研的初心和历程？为何选择柔性电子器件的研究方向？

郑子剑：我做研究的初心其实很简单。在20年前还是本科生的时候，我在想将来要做点什么。后来发现自己对科研比较感兴趣，于是就投身到科研，一步步通过做学生，读书，完成博士的学业，慢慢最终投身到科研的道路上。从科研的角度来说，我一直对柔性材料、柔性电子领域有着浓厚的兴趣。我认为，未来柔性电子在生命健康、运动等多个领域有着很广阔的应用前景。

《21世纪》：目前全球在柔性材料领域前沿研究的重点和方向是什么？香港在这个领域的研究和产品开发处于什么样的位置？

郑子剑：柔性电子前身叫作穿戴电子，始于20世纪60年代，起源于美国。在过去20年，该领域经历了高速发展，预计在未来几十年内也将保持着高速的发展。

目前，两个主要的研究路线正在引领该领域的发展：一是以美国西北大学的John A.Rogers教授为代表的研究，致力于将柔性材料与刚性材料有效结合，刚柔并用，把一个硬邦邦的电子器件变得可以弯曲，可以拉伸，最终用到人或者机器人身上。

另一个方向是以斯坦福大学的鲍哲南教授为代表，从材料出发，一开始就改变了材料本身。比如说现在用的半导体是硅，那么我们就可以开发一套有机半导体，有机半导体的本身就比较柔性，所以是从材料本身的柔性出发，实现全柔性。

目前，香港柔性材料方面的研究还是处于国际第一梯队的位置。在这一领域香港有着不少杰出的科学家，大部分的科学家年纪跟我差不多，甚至有些比我还年轻。15年前，我加入香港理工大学时，从事柔性电子研究的团队在香港寥寥无几。而现在，几乎所有知名大学都有团队在进行相关研究，柔性电子已经成为一个非常热门且仍在上升期的研究领域。所以，我对未来香港在这个领域的发展充满信心。

多元文化背景有利于科研

《21世纪》：你曾在清华大学、香港理工大学、英国剑桥大学和美国西北大学进行科研和学习。你觉得中国、英国、美国的科研人才培养体系和科研成果商业化的机制有什么不同？各自有哪些可借鉴之处？

郑子剑：英国是“小而精”的教育模式。剑桥大学拥有800多年的历史，传承了对教育体系中思想的自由发展以及对精神灵活性的重视。这样的学习环境不会给你太大的压力，可以让你一直处于比较放松的状态。这也是我们做科研比较喜欢的状态，有利于灵感的激发和深入讨论。

在美国，科研的节奏明显较快。除了自由讨论和灵感的碰撞，美国文化还强调勤奋工作。我在美国学到的重要一课是，在专注于自己的研究领域同时，需要把眼界拓宽一点，不仅仅局限于自己的小领域。美国幅员辽阔，科研环境非常国际化，拥有众多高新技术企业和来自世界各地的老师，这为科研人员提供了更广阔的视角和更多元的交流机会。

在中国，科研人员努力工作的热情是显而易见的。在世界范围内都很难找得出像我们这么努力工作的。内地的科研氛围、极高科研热情和不懈努力的精神都值得我们学习。

总的来说，我觉得其实不同背景的人、不同的文化结合在一起，就是一个很好的科研状态。

透气电子皮肤可实现无线传输

《21世纪》：柔性电子材料具有庞大的市场潜力，应用范围涵盖生理监测、医疗诊断和互动技术。你带领团队研发的柔性电子材料和装置，目前研究的进度处于什么阶段？未来的商业化应用前景如何？

郑子剑：我的团队专注于以柔性电子为中心的研究工作，其中，透气柔性电子是我们研究的特色。在过去的二三十年里，柔性电子的研究主要集中在如何将刚性材料变得柔软，使其能够弯曲和拉伸。然而，人的皮肤作为身体最大的器官，具有多孔结构，能够排出水蒸气和汗液，这是人体维持正常生理功能的关键方式之一。如果柔性电子设备阻碍了皮肤的透气和排汗功能，那么它们就不可能在人体上长期使用。

因此，我们提出了透气柔性电子的概念，旨在使柔性电子设备不仅具有柔性，还能保持透气性。我们课题组采用的方法是利用纤维结构，类似于我们穿的衣服，使用纤维来构建材料、结构器件以及最终的柔性电子系统。在保持柔性和弹性的同时，还能提供透气性。

这种设计的好处是，如果将这些设备穿戴在身上，它们可以像衣服一样贴合，即使穿戴几天甚至一周，也不会引起皮肤的过激反应。这为柔性电子在未来不同领域的长期应用，尤其是在医院或病人等皮肤更加脆弱的环境中的应用，提供了坚实基础。

目前，我们的透气电子皮肤技术已经能够实现无线传输，既可以通过近场通信，类似于刷八达通（香港交通卡）的方式，也可以通过远场通信，如利用蓝牙等进行数据传输。比如，我们身体的温度和脉搏，甚至汗液里面的一些生物标记，如人体pH值、乳酸、葡萄糖含量等，都可以通过这种穿在身上、贴在身上甚至植入体内的电子器件去做监测，随后通过无线的方式传输数据。

复合集流体将改变未来电池行业

《21世纪》：有机构将柔性电池列为“十大新兴技术”之首。相对于传统的刚性电池，柔性电池有什么优势？研究和生产过程中的技术难点主要有哪些？

郑子剑：虽然柔性电池目前尚未在市场上出现，但这一领域的研究已有超过十年。目前，手机和其他设备的电池普遍采用锂电池，这些电池具有较高的能量密度，便于携带。我们期望未来的电池能够实现弯曲甚至拉伸，成为可变形的电池，与柔性电子设备无缝连接，构建一个完全柔性的系统。

例如，尽管现在市面上已有多款折叠屏手机，其屏幕采用柔性电子技术，能够实现折叠，但电池本身却无法折叠。如果未来我们能够开发出柔性电池，就有可能将整个手机设计成可卷曲成环、手提袋，甚至薄如一张纸，从而创造出全新的可折叠和柔性产品。

开发柔性电池的主要难点是现有锂离子电池中包含许多刚性材料，尤其是金属集流体，这是一层导电的金属薄膜。目前使用的金属集流体主要是纯铜箔和铝箔，这种材料在过去30年中几乎没有变化。问题在于，这些纯金属箔从材料学角度来看过于刚硬和脆弱，不易弯曲。金属材料的屈服应变大约只有1%，即材料形变超过1%后就容易变薄并断裂。但在柔性材料的弯曲过程中，所需的屈服应变通常至少为5%，这两者之间存在显著差异。从原则上来说，如果继续使用现有材料，要实现从1%到5%的突破将非常困难。

《21世纪》：你的《下一代动力储能电池复合集流体的中试与量产》项目成为首批落实参与“产学研1+计划”的资助项目之一。这项研究项目的核心创新点和技术突破是什么？复合集流体在新能源汽车和储能领域的应用会产生什么影响？

郑子剑：“产学研1+计划”项目是基于复合集流体开展的。这个项目的目标是把复合集流体应用到电池的制造领域，使得电池变得更轻、更薄、能量密度更高。

电池一共有五个部件：正极、负极、隔膜、电解液、集流体。虽然集流体不提供能量，但是在电池中必不可少。过去，集流体大部分用的都是比较重的金属材料，而我们采用复合集流体的概念，将碳和金属进行复合，形成一个薄薄的膜。这个薄膜的机械强度、电化学的稳定性、热稳定性都和金属没有本质区别，但重量是现在金属集流体的几分之一。在量产的情况下，复合集流体的应用可以使电池的价格降到现在的一半。

目前传统锂电池行业最大的应用场景是动力电池，还有储能电池。动力电池市场是最大的市场，而储能电池是发展最快的市场。复合集流体的应用有助于提升电动汽车的续航能力。从储能和用户需求角度考虑，复合集流体的应用体现在每度电可以便宜一些。我们希望我们研发的复合集流体将来能取代或部分取代现有的金属集流体，把复合集流体真正应用到电池里。

教授更适合担任初创企业的技术顾问

《21世纪》：在香港，大学教授在校外创立高科技初创公司的例子非常常见，你怎么看待这种现象？

郑子剑：学校的派生企业或初创企业，技术原则上是国际领先的，技术护城河和技术附加值可能也会比较高。当然，这些企业的弱点在于，教授对创业可能其实并不在行。我觉得教授最好还是扮演一个科学家的角色，做初创公司的技术顾问，然后可以让专业的人士去从事教授不擅长的商业管理。

所以，如果有一个合适的团队，大家可以互取所长、互补所短，这样才比较有可能实现科研成果的产业化和商业化。

香港创科领域迅速崛起

《21世纪》：作为香港青年科学院创始成员和香港最年轻的讲座教授之一，你如何评价香港现在的科创生态圈环境？

郑子剑：我觉得现在香港科创的发展环境越来越好。我2009年6月到香港工作，至今已超过15年了。以我个人经历来说，15年前的创科环境和现在比有着数量级的差距。如今香港的基础科研投入、产品商业化落地，以及对创业的引领、热情和支持力度，都远远高于以前，给年轻人提供了非常多的机会。

我觉得香港有着一个独特的位置——东方明珠，这个地位几十年来没有动摇过，也使得香港能够持续吸引来自全球各地的优秀人才。同时，香港还有一个优势，就是背靠祖国腹地。粤港澳大湾区有强大制造业基础、广阔的幅员、完善的供应链。我认为，香港更要发挥这方面的优势，汇聚人才，把人才的智慧转化到新质生产力的建设中。

《21世纪》：请你谈谈香港和内地在材料科学、柔性电子材料方面的研究有哪些合作的空间？内地可以弥补香港在科研成果转化方面的哪些不足？

郑子剑：香港和内地合作的空间前景正在逐渐变广。科研方面，香港和内地从地区、省市，再到高校都在开展落实双边或多边合作的框架协议。另外，在创业落地的阶段，内地也提供为香港特设的风险投资基金，助力香港创科发展。

现在香港有很多大学在内地设有分校和研究机构，比如香港理工大学在内地有着数量可观的技术创新研究院。我有幸参与到其中一些研究院的工作，比如在香港理工大学温州技术创新研究院，当地政府为我们的研究院提供财政、土地、人员等多方面的支持。我们希望把香港理工大学的科研成果，在研究院进行产业化落地。

（实习生温博宇、黄正皓对本文亦有贡献）

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