一、概况:

人类社会的持续发展正面临着信息、能源、环境和健康方面的重大挑战。未来城市将承载越来越多的人口,低效率、高能耗、老龄化等“城市病”日益严峻。利用智能材料与功能实现对海量信息的高速处理、实现清洁高效的能源管理、实现精准的生命健康管理,建设智慧型、节能型的智能生态社会、实现可持续发展,已成为人类社会发展不可逆转的历史潮流。

智能材料是信息技术、清洁能源技术与生物技术在物质层面的承载,是多种材料“元素”为实现复杂功能而在不同尺度上“有机”装配而成的微结构材料。智能材料可感知声、光、电、磁、热等多种物理场,并能够耦合和调控外场,在空域、时域和多维度上实现物质、能量与信息的交换、存储和传输,具备信息识别与处理能力,可实现自适应、自反馈,自修复等功能,同时对环境友好,并与生物兼容。智能材料依托功能结构化和结构功能化的微结构材料新概念,依靠先进材料与制造技术,面向现代化的高速信息、高效能源与个性化、智能化医疗的重大需求,具有天然的跨学科特性。不仅科学意义重大,同时具有广泛的经济与社会效益。另一方面,由于其天然的跨学科特性,传统的学科划分和由繁化简的知识体系,不足以解决信息、能源和健康问题涉及的多尺度、多维度、多自由度相互作用的复杂体系。从学科深度交叉融合寻找突破口,加深对智能材料的理解、创造新知识,发展智能新材料和新功能,开发新型装备和软件平台,加速智能材料与功能的研究和开发进程,是必由之路。

目前正是我国经济结构转型升级的重要时期。建设以高效节能和环境友好为要求、以知识和人才为依托、以知识创新为驱动力的创新型经济,是经济社会持续发展的必要条件。拟建设的智能材料与功能集成实验室,以材料的功能结构化和结构功能化相互依存为宗旨,以材料、光学、能源、生物医学多学科交叉融合为特色,以制备新型微结构智能材料、探索智能响应机理和发展智能功能为核心,为人类社会的可持续发展提供智能化的新材料、新技术和系统解决方案,建成以智能材料前沿科学研究为核心的研究中心,使之成为高新技术的孵化器、高端人才的培养基地。

二、科研方向、特色和主要任务:

智能材料与功能集成实验室以材料、信息、能源和生命多学科交叉融合为特色,面向信息、能源和生命健康方面的重大挑战,创造新知识、培养领军人才、寻求系统解决方案。一方面,面向国家需求,积极承担重大科研任务;另一方面,积极推动成果转化,服务社会经济。

实验室主要科研方向如下:

1.面向信息应用的智能材料与功能

1)电、磁、声、力超构材料与功能

2)光电异质结构和信息器件

3)类脑器件与类脑计算

2.面向能源应用的智能材料与功能

1)高效蓄电池功能与超级电容器

2)高热电优值材料与废热利用

3.面向生命健康的智能材料与功能

1)用于疾病诊断和病灶跟踪的检测制剂及支持功能

2)智能药物输送系统

3)生物活性材料与智能组织工程

4.材料精细合成与精准制造

1)材料精细合成与制备

2)纳米压印技术与功能集成

3)高精度材料组装与打印

三、主要学术带头人基本情况

学术带头人基本情况:

专业技术职务

专 业

祝世宁

教授

凝聚态物理

陈延峰

教授

材料物理与化学

陆延青

教授

凝聚态物理

吴迪

教授

凝聚态物理

四、设备情况:

目前实验室已具备脉冲激光沉积系统(PLD)、分子束外延系统(MBE)、离子束沉积镀膜仪(IBSe)等生长设备;纳米压印机、光刻机、等离子刻蚀机(ICP)、脉冲激光器、3D打印机等加工设备;以及综合物性测量系统(PPMS),磁学测量系统(SQUID),场发射扫描电子显微镜(SEM),原子力显微镜(AFM)、反射高能电子衍射仪(RHEED)、光电子能谱仪、X射线衍射仪、同步热分析仪、微波近场显微镜、激光超声光学集成测试系统、HORIBA iHR320成像光谱仪、时间相关单光子计数系统等分析测试表征设备。

五、机构中长期发展规划和预期目标(5-10年):

期目

智能材料与功能集成实验室面向信息、能源和健康方面的重大挑战,创造新知识、培养领军人才、寻求解决方案,促进高效节能、环境友好的、以知识和人才为依托的、以创新为驱动力的创新型经济,争取建设成为江苏省或教育部重点实验室。

信息、能源和健康问题,均涉及多尺度、多维度、多自由度相互作用的复杂体系。传统的学科划分和由繁化简的知识体系,不足以解决如此复杂的问题。从学科深度交叉融合寻找突破口,加深对智能材料的理解、创造新知识,发展智能新材料和新功能,开发新型装备和软件平台,加速智能材料与功能的研究和开发进程。

汇聚智能材料领域的世界级专家学者,为信息、能源和健康等社会可持续发展的重大课题提供深层次的战略咨询和规划,“双力驱动”引导人才培养,为智能材料科研人员提供先进的仪器设备和尖端的实验技能培训,使之成为智能材料与功能集成领域的学术带头人和相关行业的领导者,促进创新型经济和社会可持续发展。

在智能材料可控制备、器件设计与功能集成方面取得重大突破,掌握控制复杂智能材料、结构与系统集体响应、协同工作的原理,实现突破传统材料性能局限的、人工设计的智能响应新材料,为信息高密度存储和高速处理、能量高效转化和存储、人类健康和疾病诊断治疗提供材料基础和整体解决方案,推动新一代产业技术革命。

科学研究规划:

发展电磁超构材料技术,调控电磁波的频率、振幅、位相和纠缠等基本物理量,实现电磁超构材料在微波精密仪器、智能控制和通讯系统,雷达系统等领域高端应用。

发展声子晶体、声超构材料的设计、制备和集成技术,发展亚波长集成的电声器件、吸声器件和发声器件;开展力学超构材料研究,开发突破质量定律限制的轻质、高强度、高韧性、高阻尼智能材料,实现高效节能、吸能安全、低音降噪、隐身等重要功能。

发展原子尺度结构和成分可控的薄膜外延工艺,揭示界面对称性破缺、晶格畸变和维度限制对序参量的调控规律,实现高密度多态存储、电控磁存储与传感、太赫兹探测和成像系统。

发展低功耗、高速度的类脑计算与存储融合技术;开发能感知外部刺激,具有刺激依赖可塑性且可以模拟突触累积、激活、适应行为的类脑功能材料;实现能够执行人工认知、识别与分类的器件原型,发展具有类脑判断与推理等思维方式的硬件技术。

研究高效、长寿命锂离子电池电极材料、开发锂空气电池,研制快速充电的大容量动力电池系统,发展高效能源管理方案;设计制备低成本、高储能密度复合材料,发展轻质、高比功率超级电容器。

利用能带理论和微结构设计优化材料电输运和热输运,发展提高材料热电优值的方法,开发车用热电模块,利用汽车发动机尾气余热进行热电发电,为汽车提供辅助电源。

以疾病发生与发展过程中的生命过程或组织功能的改变为对象,设计、制备能够识别、标记、检测这些改变的智能纳米材料,通过产生特定的光、电、磁或生物化学信号,获得对疾病的检测、分析、跟踪、诊断甚至治疗,发展分子影像、靶向标记制剂、结合光、电、磁或辐射产生治疗作用的制剂等。

改变现有口服、注射等全身性给药的方法,针对特定的病变部位,研究病变本身的独特性质,通过药物、药物制剂等的特殊设计,尤其是以纳米材料为载体的纳米药物,发展靶向、专一、精准和可调控的给药系统,在提高药物利用率的同时降低药物副作用。

通过分子设计方法制备新材料,或对传统材料进行复合、改性,结合糖、酶、蛋白等生命分子以及细胞等生命活动的基础元素,结合3D打印等新型材料制备技术,使材料在获得良好生物相容性的同时,可以响应甚至参与生命过程从而体现生物功能,实现对人体组织功能的支持、补充、修复或替换。

发展合成与制备的分子科学模型,实现分子设计和结构调控,发展尺寸、形貌和组分可控的金属、氧化物和半导体纳米结构的绿色、大规模合成与制备方法,为纳米材料在光、电催化,能源高效存储与转化,环境检测与治理,疾病诊断与治疗等关键领域的应用提供材料支持。

发展不同尺度复杂结构的高效、大规模压印技术;以压印技术为核心,为高密度信息器件开发10纳米以下微纳加工所需的材料、设备和工艺流程,形成完整的技术体系,并以此为基础实现光、电、磁、生物医疗等相关功能器件的研制和集成。

发展三维光、电诱导纳米装配技术,实现分子、量子点、金属纳米颗粒等在微纳光学材料/结构上的高精度组装,研究0维与1维纳米功能单元的大规模组装,实现高性能薄层光电材料的大规模制备,研究复合生物材料的3D成型与组装技术,发展可植入的智能人工组织和器官。