城大材料、纳米、钙钛矿与液滴发电研究

香港城市大学(CityUHK)综合信息数据库 · 04 科研模块 本文聚焦城大高被引学者最集中、Nature Index 与专利产出主力的领域——材料科学、纳米材料、机械工程与电机/电子工程，并以可溯源的方式叙述几项标志性突破（钙钛矿太阳能电池、双相纳米结构金属、相工程纳米材料、太赫兹/毫米波）。四条深挖线索另有专篇：高熵合金与先进金属、张华与相工程纳米材料、钙钛矿太阳能电池、王钻开与液滴发电机。 平台机构(SKLTMW、NPMM、CASM)见 institutes-and-labs.md；高被引学者逐人名单见 named-centres-and-honours.md；专利转化见 output-and-startups.md。

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如果只能用一张表格向外人解释城大科研「强在哪里」，材料科学这一栏必定加粗。2024 年，顶级材料期刊《Advanced Materials》专门为城大出了一期特刊，标题直白得近乎自夸——「Three Decades of Materials Research Excellence at CityU」。一所建校仅四十余年、体量在港八校中偏小的大学，能让同行顶刊愿意用一整期篇幅回顾其「三十年材料研究卓越史」，这本身就是一种同行认证。

# 一、为什么材料/工程是城大的「招牌」

若把城大的科研拆开看，材料科学与工程几乎是其国际可见度的核心引擎：

• 高被引学者集中：2025 年城大 32 位 Clarivate 高被引学者^※中，相当部分集中于材料科学、化学、纳米材料（逐人见 named-centres-and-honours.md）。
• 30 周年专刊背书：2024 年城大正名 30 周年之际，顶级材料期刊《Advanced Materials》出版 「Three Decades of Materials Research Excellence at CityU」专刊^※，系统回顾城大三十年材料研究——这是同行对其材料学地位的一种公开认可。
• 平台支撑：太赫兹及毫米波国家重点实验室(SKLTMW)、贵金属材料国家工程研究中心香港分中心(NPMM)、先进结构材料中心(CASM)等，均落在材料/工程方向（见 institutes-and-labs.md）。

以下按「能源材料 → 结构材料 → 纳米科学 → 电子/电磁工程」四条线，讲其代表性突破。

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# 二、标志性突破（一）：钙钛矿太阳能电池的「热稳定」难题

叙事（据城大新闻稿与《Science》论文）。 钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cell)以高光电转换效率著称，但长期受热不稳定性困扰，难以商业化。据 城大新闻稿(2023-10-20)^※，城大化学系朱宗龙(Zhu Zonglong)教授团队设计了一种自组装单分子层(self-assembled monolayer, SAM)，并将其锚定在氧化镍纳米颗粒表面作为电荷抽取层，从而显著提升器件的热稳定性。

据该报道，改进后的器件在约 65℃ 高温下连续运行逾 1,000 小时后，仍保留逾 90% 的效率，转换效率达 25.6%。相关论文以《Stabilized hole-selective layer for high-performance inverted p-i-n perovskite solar cells》为题发表于 《Science》，系城大与华中科技大学李忠安(Li Zhongan)教授合作完成(据 城大新闻稿(2023-10-20)^※)。这条研究线的更多细节——包括界面工程与非挥发添加剂的两次前情突破、以及与美国 NREL 合作攻克「量产」瓶颈的过程——见专篇《钙钛矿太阳能电池》。

这项工作是城大「能源材料」方向的代表：既对应清洁能源的国家/全球需求，也契合校内香港清洁能源研究院(HKICE)的布局（见 institutes-and-labs.md）。

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# 三、标志性突破（二）：双相纳米结构，把镁合金做到「接近理论强度」

叙事（据《Nature》论文）。 城大工学院在高强度结构材料上有长期积累。据 发表于《Nature》(2017)的论文《Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys》^※，研究团队提出双相纳米结构(dual-phase nanostructuring)思路：把亚 10 纳米的纳米晶粒嵌入非晶玻璃壳层，制成兼具高强度与高变形能力的镁合金薄膜。

据该论文与城大相关报道，所得双相材料的强度接近近理想极限，约 3.3 GPa，比传统晶态镁合金强约 10 倍，超变形能力约为镁基金属玻璃的 2 倍；由于镁可生物降解，该材料被指有望用于可降解医疗植入物(据 城大研究报道(2017)^※)。

该方向的领军人物吕坚(Jian Lu)教授（机械工程讲座教授、工学院院长、HKIAS 资深院士）在实验力学、残余应力、结构材料上著作甚丰，其工作常见于《Nature》《PNAS》《Nature Communications》《Science Advances》等期刊（吕坚的院士荣誉见 named-centres-and-honours.md）。这条结构材料线在高熵合金这一更前沿的分支上还有一系列突破——从「钴调控抑制纳米颗粒粗化」到打破强度—延展性取舍的新机理，详见专篇《高熵合金与先进金属》。

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# 四、标志性突破（三）：相工程纳米材料(PEN)

叙事（据城大研究故事页）。 城大化学系张华(Zhang Hua)教授(郝氏(Herman Hu)纳米材料讲座教授)提出并系统化了「相工程纳米材料(Phase Engineering of Nanomaterials, PEN)」概念——即把相(phase)当作与成分、形貌、尺寸、维度并列的一个结构参数，通过调控纳米材料的相态来设计其性质与功能(据 城大研究故事(2020-05-21)^※)。

PEN 的核心是制备具非常规相的金属与二维(2D)纳米材料，并外延生长异质结构以服务多种应用。张华是材料/化学领域被引极高的学者之一，长期入选 Clarivate 高被引学者（详见 named-centres-and-honours.md），PEN 也成为城大纳米科学对外的标志性概念之一。从「氧化石墨烯模板首合成 hcp 相金纳米方片」到「Nature Conference on Phase Engineering of Nanomaterials 2024」的学科建制化，这条概念从提出到成为国际会议主题的完整脉络，见专篇《张华与二维纳米材料相工程》。

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# 五、电子/电磁工程：太赫兹、毫米波与 6G

在电机/电子工程方向，城大的旗舰是太赫兹及毫米波国家重点实验室(SKLTMW)——香港工程领域第一个国家重点实验室，2008 年 3 月经科技部批准（详见 institutes-and-labs.md）。其核心方向包括：

• 天线设计（含毫米波/太赫兹频段的高性能天线）；
• 射频集成电路(RFIC)设计;
• 快速电磁计算方法;
• 面向 6G 通信、太赫兹成像与光谱的前沿应用。

这条线把城大的无线通信、电磁、集成电路研究统合在一个国家级平台之下，也是其工程类美国专利产出的重要来源之一（专利见 output-and-startups.md）。

元曲面天线：软件定义的 6G「万能」天线。 电机工程学系系主任陈智厚(Chan Chi-hou)教授团队的一项进展，把这条线从「实验室指标」推进到了「可编程的通信硬件」。据 城大新闻稿(2024-12-16)^※，团队与南京东南大学合作，研制出一种元曲面天线(metasurface antenna)，论文《A synthetic moving-envelope metasurface antenna for independent control of arbitrary harmonic orders》发表于 《Nature Communications》。该天线通过 1-bit 编码策略，以软件方式同时生成并独立控制多个谐波频率分量——相当于用一块硬件天线，实现过去需要多套系统才能完成的频谱调控，团队称其可用于下一代大容量高安全信息系统、实时成像、无线功率传输及 6G 关键技术之一的感知与通信一体化(ISAC)。这项工作获香港研究资助局与深圳市自然科学基金支持（据同一新闻稿）。

从实验室到 600 米矿井：SKLTMW 的应用出口。 2026 年，SKLTMW 的 6G 研究第一次有了一个具体到「井下」的应用场景。据 城大新闻稿(2026-07-02)^※，实验室与中国煤炭科工集团(CCTEG)签署合作，双方将在一处 600 米深的地下矿井开展实地勘察，探索 6G 通信与智能技术在煤矿安全场景下的应用，这也延续了此前 双方 2026 年 4 月互访协议^※确立的合作方向——地下环境信号传播、井下定位与智能监测，是太赫兹/毫米波技术在民用工业场景为数不多的深井实测案例。

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# 六、机械工程与先进制造：从飞机蒙皮到一滴雨水发电

除结构材料外，城大机械工程在增材制造（3D/4D 打印）、金属玻璃、先进合金、仿生表面等方向亦有产出。城大相关团队曾就 2D/3D/4D 增材制造的科学进展^※发表综述性工作。这些工作多与 NPMM、CASM 等平台协同（见 institutes-and-labs.md）。

抗疲劳铝合金：飞机发动机风扇叶片用得上的强度。 「结构材料」与「增材制造」两条线在这项成果上交汇。据 城大研究故事(2023-10-24)^※，吕坚教授领衔、联同城大王浩伟教授与上海交通大学陈哲教授团队，用激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)技术，把纳米级 TiB₂ 颗粒装饰进 AlSi10Mg 铝合金粉末，制成一种命名为 NTD-Al 的新合金。据该报道，其疲劳强度达 260 MPa，抗疲劳性能比同类 3D 打印铝合金提升逾一倍，甚至超过传统锻造高强度铝合金；论文《Achieving ultrahigh fatigue resistance in AlSi10Mg alloy by additive manufacturing》发表于《Nature Materials》，并被《Science》收入「研究亮点(Research Highlights)」栏目，评价其为一种可推广到其他合金体系的抗疲劳通用策略。该合金已用于制造飞机发动机风扇叶片等大型薄壁结构件，并完成原型鉴定测试（据同一报道）。这项工作与「双相镁合金」出自同一位领军人物之手，呼应本文第三节所述吕坚在结构材料上的长期积累，也与高熵合金与先进金属一文的合金设计思路一脉相承。

同属机械工程门下、但走的是完全不同的路数——仿生表面科学。城大机械工程系讲席教授王钻开团队从荷叶不沾水的原理出发，一路做到 2020 年《自然》封面级成果：一滴从 15 厘米高处落下的水，经他们设计的场效应晶体管式液滴发电机，能瞬间点亮 100 只小型 LED 灯泡。这条从「超疏水」到「发电」再到「266 年莱顿弗罗斯特难题」的研究线，详见专篇《王钻开与液滴发电机》。

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# 七、极限尺度上的材料奇迹：会拉伸的金刚石与会折纸的陶瓷

材料科学有一条常见的直觉：越硬越脆。城大的两项工作专门挑战这条直觉——把「脆」的材料做「韧」，靠的不是配方而是尺度。

纳米金刚石：被拉伸 9%仍不碎的「脆」材料。 金刚石是自然界最硬的材料之一，但块体金刚石几乎没有弹性变形能力，稍受拉伸即断裂。据 发表于《Science》(2018)的论文《Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond》^※，城大领衔的国际团队通过等离子体刻蚀工艺，把沉积在硅基底上的金刚石薄膜制成约 300 纳米量级的单晶与多晶金刚石针状结构。据该论文，单晶金刚石针在最大拉伸应变达约 9%、接近理论弹性极限的条件下仍完全可逆地恢复原状，对应的最大拉伸应力约 89 至 98 吉帕(GPa)。研究认为，纳米尺度下缺陷稀少、表面相对光滑，是实现这种「近乎不碎的拉伸」的关键机制，团队指出该发现或可用于纳米技术、生物医学乃至量子信息技术，例如基于金刚石针的细胞给药方式。

4D 打印陶瓷：能折纸的陶瓷前驱体。 陶瓷同样以硬而脆著称，传统 3D 打印难以直接制成复杂形状的陶瓷部件。据 城大官方报道(2018-08-30)^※，城大团队研发出一种由聚合物与陶瓷纳米颗粒混合而成的「陶瓷墨水」，用其 3D 打印出的陶瓷前驱体柔软可拉伸，可被拉伸至原长度三倍以上而不断裂，从而能折叠出类似折纸(origami)的复杂构型，再经程序控制释放、自我变形定型为坚固陶瓷结构。相关成果以《Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures》为题发表于《Science Advances》，被称为全球首例「陶瓷的 4D 打印」。这项工作与前述抗疲劳铝合金同属城大在增材制造上「让脆性材料获得柔性加工窗口」的思路延伸，也回应本文第一节所述城大材料学「平台重、突破密」的整体特征。

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# 八、材料与光电的交叉：仿生神经形态视觉传感器

并非所有材料学突破都发生在结构或能源领域——城大材料科学及工程学系何耀威(Johnny Ho)教授团队的工作，把「材料设计」直接接到了「感知计算」这条更靠近人工智能的赛道上。

据 城大研究故事(2025-02-24)^※与 发表于《Nature Communications》(2024)的论文《Birdlike broadband neuromorphic visual sensor arrays for fusion imaging》^※，何耀威团队联同中南大学，通过定向排列有机分子构建出范德华 P3HT/GaAs 纳米线 P-N 结，并结合肖特基结，制成一种模仿鸟类视觉的可穿戴仿生传感器。据论文摘要，该器件在单器件与 5×5 阵列中均实现了宽波段非易失存储、弱光感知与近零功耗运行模式，具备超过 5 比特的存内感存算能力，结合可见光与紫外两种成像模式，其储备池计算(reservoir computing)系统对颜色识别的准确率最高达 94%。团队指出该器件在智能驾驶、机器人与先进视觉装置上具应用潜力（据同一论文）。这项工作入选 「2025 年香港十大创科新闻」^※，是继张华「相工程纳米材料」之后，城大材料学系又一项被纳入年度香港创科评选的成果——学系师资与更多院士荣誉见 faculty-and-leaders.md、academicians-and-awards.md。

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