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查尔斯·利伯

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查尔斯·利伯（Charles M. Lieber，生于1959年）是美国化学家，也是纳米科学与技术领域的先驱。2011年，汤森路透基于利伯的科学出版物的影响，将他评为2000-2010年十年间世界领先的化学家。[1] 利伯在同行评审的科学期刊上已发表400多篇论文，并编辑和撰写了许多关于纳米科学的书籍。[2] 他作为主要发明者，已拥有50多项美国专利与应用，并于2001年和2007年分别创立了纳米技术公司Nanosys和Vista therapy。[3] 他因在纳米材料和纳米器件的合成、组装和表征、纳米电子器件在生物学中的应用以及作为纳米科学领域众多领导者的导师而闻名。[4]

1 教育和科学研究编辑

利伯“花了他童年的大部分时间打造——并拆解——立体声音响、汽车和飞机模型。”[5] 他在富兰克林马歇尔学院获得化学学士学位，于1981年以优异成绩毕业。随后，他在斯坦福大学内森·刘易斯的实验室进行表面化学研究并获得化学博士学位，之后在加州理工学院哈里·格雷的实验室进行为期两年的博士后研究，研究方向为金属蛋白长距离电子转移。[3] 利伯尔自认是个好胜心强的人，他觉得“要给自己尽快、优先且完美地完成工作的压力”[6] 并开拓新的领域：“作为科学家，我喜欢做的是研究尚未被证实的事物”。[7] 在哥伦比亚大学和哈佛大学的早期职业生涯中，他研究了维度和各向异性对准2D平面结构和准1D结构性质的影响，这使他对如何制造一维导线这一问题产生了兴趣，并使他顿悟到，如果一项技术要从纳米材料的新生工作中产生，“这就使得它需要互连——非常小的线状结构来传输信息、传送电子以及将器件连接在一起。”[6] 利伯早期支持利用极小物体的基本物理优势来融合光学和电子学领域，并在纳米材料和生物结构之间建立界面，[8] 并且由此“开发全新的技术，那些我们今天甚至无法预测的技术。”[9]

2 职位编辑

查尔斯·利伯于1987年加入哥伦比亚大学化学系担任助理教授（1987-1990年）和副教授（1990-1991年），随后转任到哈佛大学担任正教授（1992年）。他现在同时在哈佛大学化学和化学生物学系，以及哈佛鲍尔森工程和应用科学学院担任约书亚—贝丝·弗里德曼校级教授。2015年，他担任了化学和化学生物学系主任。[3]

3 研究成果编辑

查尔斯·利伯对一系列功能纳米材料和异质结构的合理生长、表征和应用的贡献为纳米科学自下而上的范例提供了核心概念。包括功能纳米线构建模块的合理合成、这些材料的表征以及它们在从电子、计算、光子学和能源科学到生物和医学等领域的应用。[10]

纳米材料合成。在查尔斯·利伯的早期工作中，他阐述了纳米线的设计生长的动因，在这种设计生长中，成分、尺寸、结构和形态可以在很宽的范围内进行控制，[11] 并概述了首次可控合成独立单晶半导体纳米线的通用方法，[12][13] 为周期表中几乎任何元素和化合物的纳米线的可预测生长提供基础。他提出并论证了纳米尺度轴向异质结构生长的基础概念[14] 以及具有新的光子和电子特性的纳米线超晶格的生长，[15] 这也是当下科学家们在纳米线光子学和电子学领域中的所做努力研究的基础。同时，他也提出并论证了径向核壳纳米线结构的异质结概念[16] 和单晶多量子阱结构。[17] 利伯还展示了一种合成方法，将受控立体中心——扭结引入纳米线，[18] 为三维纳米器件带来了配备越来越复杂和功能性纳米结构的可能性。

纳米结构表征。查尔斯·利伯开发了扫描探针显微镜的应用，可以直接实验测量单个碳纳米管和纳米线的电学和力学性质。[19][20] 这项工作表明，可以合成具有受控电性质的半导体纳米线，为器件组装提供电子可调功能纳米尺度构建模块。此外，利伯发明了化学力显微镜，以纳米分辨率表征材料表面的化学性质。[21]

纳米电子学和纳米光子学。查尔斯·利伯已经使用量子约束的核/壳纳米线异质结构来证明弹道传输、[22] 超导邻近效应和量子传输。[23] 功能性纳米级电子和光电器件的其他应用例子包括使用单纳米线作为活性纳米级空腔的纳米级电驱动激光器、[24] 碳纳米管纳米镊子、[25] 基于纳米管的超高密度机电存储器、[26] 全无机全集成纳米光伏电池[27] 、功能逻辑器件和使用组装半导体纳米线的简单计算电路。[28] 这些概念实现了纳米线应用在英特尔的电路线图上的集成，以及这些结构当前自上而下的实现。[29]

纳米结构组装和计算。查尔斯·利伯提出了许多纳米线和纳米管构件组装的并行和可扩展方法。流体定向组装[30] 和随后的大规模电寻址平行和交叉纳米线阵列组装的发展被《Science》期刊列为2001年的重大突破之一 。[31] 他还开发了一种免光刻的方法，利用掺杂调制的半导体纳米线来弥补从宏观到纳米尺度的差距。[32][33] 利伯最近引入了组装概念“纳米复合”[34] 其可以用于以与材料无关的确定性方式排列纳米线。他利用这个概念创建了一个可编程纳米线逻辑瓦[35] 和第一台独立的纳米计算机。[36]

生物学和医学中的纳米电子学。查尔斯·利伯首次展示了蛋白质的直接电检测、[37] 单个病毒的选择性电检测[38] 以及癌症标记蛋白和肿瘤酶活性的多重检测。[39] 他的方法是使用电信号进行高灵敏度、无标签检测，可用于无线/远程医疗应用。最近，利伯展示了一种克服德拜筛选的通用方法，这使得这些测量在生理条件下具有挑战性，[40] 克服了硅纳米线场效应器件传感的局限性，并为其在诊断保健应用中的使用开辟了道路。利伯还开发了用于细胞/组织电生理学的纳米电子设备，这项应用可以高分辨率记录并显示从培养的心脏细胞中的电活动和动作电位的传播。[41] 最近，利伯实现了将3D纳米晶体管[42][43] 中有源晶体管与外部世界的连接分开。他的纳米技术支持的3D细胞探针以点状分辨率检测单分子、细胞内功能甚至光子。[44]

4 当前研究编辑

纳电子学和脑科学。纳米电子细胞工具的发展支持了利伯关于脑科学中转换电记录和神经元活动调节的观点[45] 。这项工作包括诸如将纳米线晶体管阵列与神经元集成在一起，[46] 绘制具有高时空分辨率的急性脑切片的功能活动图[47] 和能够与复杂神经网络连接的三维结构。[48] 他开发了大孔3D传感器阵列和合成组织支架来模拟自然组织的结构，并首次生成了可以在3D中受神经支配的合成组织，这使得在细胞培养后产生互穿3D电子神经网络成为了可能。[49] 利伯目前的工作重点是以最小/无创的方式将电子集成到中枢神经系统中。[50][51] 最近，他证明了这种大孔电子设备可以通过注射器注射到大脑的指定区域。[52] 慢性组织学和多重记录研究证明了最小的免疫反应和可注射电子设备与神经元电路的无创整合。[52][53][54] 减少的疤痕可以解释网状电子设备在长达一年的时间尺度上所表现出的记录稳定性。[55][56] 这种与大脑电子集成的概念作为一种纳米技术工具，有潜力能够治疗神经系统和神经退化性疾病、中风和创伤性损伤，该技术已经引起了许多媒体的关注。 《科学美国人》（《Scientific American》） 将可注射电子产品评为2015年十大改变世界的创意之一。[57] 《Chemical & Engineering News》称之为“2015年最显著的化学研究进展”[58]

5 荣誉表彰编辑

  • 2004年美国化学学会材料化学奖[59]
  • 2009年美国化学学会无机化学分部无机纳米科学奖[60]
  • 2010年美国材料学会（MRS）弗雷德·卡弗里（Fred Kavli） 纳米科学杰出讲师[61]
  • 2012年沃尔夫化学奖[62]
  • 纳米研究奖，2013年清华大学出版社/斯普林格（Springer）[63]
  • 2013年IEEE纳米技术先锋奖[64]
  • 威拉德·吉布斯奖章奖（2013）[65]
  • 2016年美国材料学会（MRS）冯·希佩尔夫人奖[66] （2016年）
  • 2016年雷姆森奖 [67]
  • 2017年美国国家卫生研究院主任先锋奖[68]

6 其他荣誉与职位编辑

查尔斯·利伯是美国国家科学院、美国艺术与科学学院、美国国家医学科学院、美国国家发明家科学院院士，也是中国科学院外籍院士（2015年）。[69] 他是美国材料学会（MRS）、美国化学学会（ACS）（作为创始成员）、美国物理研究所、美国科学促进协会和世界技术网络的会员，以及中国化学学会荣誉会员。[70] 此外，他还是美国物理学会、电气和电子工程师学会、国际光学工程学会、美国光学学会、生物物理学会和神经科学学会的成员。 利伯是《Nano Letters》杂志的联合编辑 ，并在一些其他科技期刊的编辑和咨询委员会任职。[3]

7 其他兴趣编辑

自2007年以来，查尔斯·利伯在他马萨诸塞州列克星敦家的后院种植了巨型南瓜。[71] 2010年，他在罗德岛弗瑞希的农场用一个1610磅重的南瓜赢得了年度称重第一名，[72] 并于2012年带着一个1770磅重的南瓜返回，在当年的称重中获得第二名，但却创下了马萨诸塞州的记录。[73] 他1870磅重的南瓜在2014年被认为是马萨诸塞州最大的南瓜，同年在世界上排名第17位。[73][74] 人们注意到他日常工作和爱好的规模之间的差异：“……一方面，根据他的履历，利伯在化学领域，“对纳米科学和纳米技术领域产生了决定性的影响”。另一方面，他的南瓜可能会在秋季用南瓜特产填满整个Trader Joe's（乔氏超市）。”[75]

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