城大材料、納米、鈣鈦礦與液滴發電研究

香港城市大學(CityUHK)綜合信息數據庫 · 04 科研模塊 本文聚焦城大高被引學者最集中、Nature Index 與專利產出主力的領域——材料科學、納米材料、機械工程與電機/電子工程，並以可溯源的方式敍述幾項標誌性突破（鈣鈦礦太陽能電池、雙相納米結構金屬、相工程納米材料、太赫茲/毫米波）。四條深挖線索另有專篇：高熵合金與先進金屬、張華與相工程納米材料、鈣鈦礦太陽能電池、王鑽開與液滴發電機。 平台機構(SKLTMW、NPMM、CASM)見 institutes-and-labs.md；高被引學者逐人名單見 named-centres-and-honours.md；專利轉化見 output-and-startups.md。

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如果只能用一張表格向外人解釋城大科研「強在哪裏」，材料科學這一欄必定加粗。2024 年，頂級材料期刊《Advanced Materials》專門為城大出了一期特刊，標題直白得近乎自誇——「Three Decades of Materials Research Excellence at CityU」。一所建校僅四十餘年、體量在港八校中偏小的大學，能讓同行頂刊願意用一整期篇幅回顧其「三十年材料研究卓越史」，這本身就是一種同行認證。

# 一、為什麼材料/工程是城大的「招牌」

若把城大的科研拆開看，材料科學與工程幾乎是其國際可見度的核心引擎：

• 高被引學者集中：2025 年城大 32 位 Clarivate 高被引學者^※中，相當部分集中於材料科學、化學、納米材料（逐人見 named-centres-and-honours.md）。
• 30 週年專刊背書：2024 年城大正名 30 週年之際，頂級材料期刊《Advanced Materials》出版 「Three Decades of Materials Research Excellence at CityU」專刊^※，系統回顧城大三十年材料研究——這是同行對其材料學地位的一種公開認可。
• 平台支撐：太赫茲及毫米波國家重點實驗室(SKLTMW)、貴金屬材料國家工程研究中心香港分中心(NPMM)、先進結構材料中心(CASM)等，均落在材料/工程方向（見 institutes-and-labs.md）。

以下按「能源材料 → 結構材料 → 納米科學 → 電子/電磁工程」四條線，講其代表性突破。

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# 二、標誌性突破（一）：鈣鈦礦太陽能電池的「熱穩定」難題

敍事（據城大新聞稿與《Science》論文）。 鈣鈦礦太陽能電池(perovskite solar cell)以高光電轉換效率著稱，但長期受熱不穩定性困擾，難以商業化。據 城大新聞稿(2023-10-20)^※，城大化學系朱宗龍(Zhu Zonglong)教授團隊設計了一種自組裝單分子層(self-assembled monolayer, SAM)，並將其錨定在氧化鎳納米顆粒表面作為電荷抽取層，從而顯著提升器件的熱穩定性。

據該報道，改進後的器件在約 65℃ 高温下連續運行逾 1,000 小時後，仍保留逾 90% 的效率，轉換效率達 25.6%。相關論文以《Stabilized hole-selective layer for high-performance inverted p-i-n perovskite solar cells》為題發表於 《Science》，系城大與華中科技大學李忠安(Li Zhongan)教授合作完成(據 城大新聞稿(2023-10-20)^※)。這條研究線的更多細節——包括界面工程與非揮發添加劑的兩次前情突破、以及與美國 NREL 合作攻克「量產」瓶頸的過程——見專篇《鈣鈦礦太陽能電池》。

這項工作是城大「能源材料」方向的代表：既對應清潔能源的國家/全球需求，也契合校內香港清潔能源研究院(HKICE)的佈局（見 institutes-and-labs.md）。

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# 三、標誌性突破（二）：雙相納米結構，把鎂合金做到「接近理論強度」

敍事（據《Nature》論文）。 城大工學院在高強度結構材料上有長期積累。據 發表於《Nature》(2017)的論文《Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys》^※，研究團隊提出雙相納米結構(dual-phase nanostructuring)思路：把亞 10 納米的納米晶粒嵌入非晶玻璃殼層，製成兼具高強度與高變形能力的鎂合金薄膜。

據該論文與城大相關報道，所得雙相材料的強度接近近理想極限，約 3.3 GPa，比傳統晶態鎂合金強約 10 倍，超變形能力約為鎂基金屬玻璃的 2 倍；由於鎂可生物降解，該材料被指有望用於可降解醫療植入物(據 城大研究報道(2017)^※)。

該方向的領軍人物呂堅(Jian Lu)教授（機械工程講座教授、工學院院長、HKIAS 資深院士）在實驗力學、殘餘應力、結構材料上著作甚豐，其工作常見於《Nature》《PNAS》《Nature Communications》《Science Advances》等期刊（呂堅的院士榮譽見 named-centres-and-honours.md）。這條結構材料線在高熵合金這一更前沿的分支上還有一系列突破——從「鈷調控抑制納米顆粒粗化」到打破強度—延展性取捨的新機理，詳見專篇《高熵合金與先進金屬》。

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# 四、標誌性突破（三）：相工程納米材料(PEN)

敍事（據城大研究故事頁）。 城大化學系張華(Zhang Hua)教授(郝氏(Herman Hu)納米材料講座教授)提出並系統化了「相工程納米材料(Phase Engineering of Nanomaterials, PEN)」概念——即把相(phase)當作與成分、形貌、尺寸、維度並列的一個結構參數，通過調控納米材料的相態來設計其性質與功能(據 城大研究故事(2020-05-21)^※)。

PEN 的核心是製備具非常規相的金屬與二維(2D)納米材料，並外延生長異質結構以服務多種應用。張華是材料/化學領域被引極高的學者之一，長期入選 Clarivate 高被引學者（詳見 named-centres-and-honours.md），PEN 也成為城大納米科學對外的標誌性概念之一。從「氧化石墨烯模板首合成 hcp 相金納米方片」到「Nature Conference on Phase Engineering of Nanomaterials 2024」的學科建制化，這條概念從提出到成為國際會議主題的完整脈絡，見專篇《張華與二維納米材料相工程》。

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# 五、電子/電磁工程：太赫茲、毫米波與 6G

在電機/電子工程方向，城大的旗艦是太赫茲及毫米波國家重點實驗室(SKLTMW)——香港工程領域第一個國家重點實驗室，2008 年 3 月經科技部批准（詳見 institutes-and-labs.md）。其核心方向包括：

• 天線設計（含毫米波/太赫茲頻段的高性能天線）；
• 射頻集成電路(RFIC)設計;
• 快速電磁計算方法;
• 面向 6G 通信、太赫茲成像與光譜的前沿應用。

這條線把城大的無線通信、電磁、集成電路研究統合在一個國家級平台之下，也是其工程類美國專利產出的重要來源之一（專利見 output-and-startups.md）。

元曲面天線：軟件定義的 6G「萬能」天線。 電機工程學系系主任陳智厚(Chan Chi-hou)教授團隊的一項進展，把這條線從「實驗室指標」推進到了「可編程的通信硬件」。據 城大新聞稿(2024-12-16)^※，團隊與南京東南大學合作，研製出一種元曲面天線(metasurface antenna)，論文《A synthetic moving-envelope metasurface antenna for independent control of arbitrary harmonic orders》發表於 《Nature Communications》。該天線通過 1-bit 編碼策略，以軟件方式同時生成並獨立控制多個諧波頻率分量——相當於用一塊硬件天線，實現過去需要多套系統才能完成的頻譜調控，團隊稱其可用於下一代大容量高安全信息系統、實時成像、無線功率傳輸及 6G 關鍵技術之一的感知與通信一體化(ISAC)。這項工作獲香港研究資助局與深圳市自然科學基金支持（據同一新聞稿）。

從實驗室到 600 米礦井：SKLTMW 的應用出口。 2026 年，SKLTMW 的 6G 研究第一次有了一個具體到「井下」的應用場景。據 城大新聞稿(2026-07-02)^※，實驗室與中國煤炭科工集團(CCTEG)簽署合作，雙方將在一處 600 米深的地下礦井開展實地勘察，探索 6G 通信與智能技術在煤礦安全場景下的應用，這也延續了此前 雙方 2026 年 4 月互訪協議^※確立的合作方向——地下環境信號傳播、井下定位與智能監測，是太赫茲/毫米波技術在民用工業場景為數不多的深井實測案例。

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# 六、機械工程與先進製造：從飛機蒙皮到一滴雨水發電

除結構材料外，城大機械工程在增材製造（3D/4D 打印）、金屬玻璃、先進合金、仿生表面等方向亦有產出。城大相關團隊曾就 2D/3D/4D 增材製造的科學進展^※發表綜述性工作。這些工作多與 NPMM、CASM 等平台協同（見 institutes-and-labs.md）。

抗疲勞鋁合金：飛機發動機風扇葉片用得上的強度。 「結構材料」與「增材製造」兩條線在這項成果上交匯。據 城大研究故事(2023-10-24)^※，呂堅教授領銜、聯同城大王浩偉教授與上海交通大學陳哲教授團隊，用激光粉末牀熔融(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)技術，把納米級 TiB₂ 顆粒裝飾進 AlSi10Mg 鋁合金粉末，製成一種命名為 NTD-Al 的新合金。據該報道，其疲勞強度達 260 MPa，抗疲勞性能比同類 3D 打印鋁合金提升逾一倍，甚至超過傳統鍛造高強度鋁合金；論文《Achieving ultrahigh fatigue resistance in AlSi10Mg alloy by additive manufacturing》發表於《Nature Materials》，並被《Science》收入「研究亮點(Research Highlights)」欄目，評價其為一種可推廣到其他合金體系的抗疲勞通用策略。該合金已用於製造飛機發動機風扇葉片等大型薄壁結構件，並完成原型鑑定測試（據同一報道）。這項工作與「雙相鎂合金」出自同一位領軍人物之手，呼應本文第三節所述呂堅在結構材料上的長期積累，也與高熵合金與先進金屬一文的合金設計思路一脈相承。

同屬機械工程門下、但走的是完全不同的路數——仿生表面科學。城大機械工程系講席教授王鑽開團隊從荷葉不沾水的原理出發，一路做到 2020 年《自然》封面級成果：一滴從 15 釐米高處落下的水，經他們設計的場效應晶體管式液滴發電機，能瞬間點亮 100 只小型 LED 燈泡。這條從「超疏水」到「發電」再到「266 年萊頓弗羅斯特難題」的研究線，詳見專篇《王鑽開與液滴發電機》。

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# 七、極限尺度上的材料奇蹟：會拉伸的金剛石與會摺紙的陶瓷

材料科學有一條常見的直覺：越硬越脆。城大的兩項工作專門挑戰這條直覺——把「脆」的材料做「韌」，靠的不是配方而是尺度。

納米金剛石：被拉伸 9%仍不碎的「脆」材料。 金剛石是自然界最硬的材料之一，但塊體金剛石几乎沒有彈性變形能力，稍受拉伸即斷裂。據 發表於《Science》(2018)的論文《Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond》^※，城大領銜的國際團隊通過等離子體刻蝕工藝，把沉積在硅基底上的金剛石薄膜製成約 300 納米量級的單晶與多晶金剛石針狀結構。據該論文，單晶金剛石針在最大拉伸應變達約 9%、接近理論彈性極限的條件下仍完全可逆地恢復原狀，對應的最大拉伸應力約 89 至 98 吉帕(GPa)。研究認為，納米尺度下缺陷稀少、表面相對光滑，是實現這種「近乎不碎的拉伸」的關鍵機制，團隊指出該發現或可用於納米技術、生物醫學乃至量子信息技術，例如基於金剛石針的細胞給藥方式。

4D 打印陶瓷：能摺紙的陶瓷前驅體。 陶瓷同樣以硬而脆著稱，傳統 3D 打印難以直接製成複雜形狀的陶瓷部件。據 城大官方報道(2018-08-30)^※，城大團隊研發出一種由聚合物與陶瓷納米顆粒混合而成的「陶瓷墨水」，用其 3D 打印出的陶瓷前驅體柔軟可拉伸，可被拉伸至原長度三倍以上而不斷裂，從而能摺疊出類似摺紙(origami)的複雜構型，再經程序控制釋放、自我變形定型為堅固陶瓷結構。相關成果以《Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures》為題發表於《Science Advances》，被稱為全球首例「陶瓷的 4D 打印」。這項工作與前述抗疲勞鋁合金同屬城大在增材製造上「讓脆性材料獲得柔性加工窗口」的思路延伸，也回應本文第一節所述城大材料學「平台重、突破密」的整體特徵。

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# 八、材料與光電的交叉：仿生神經形態視覺傳感器

並非所有材料學突破都發生在結構或能源領域——城大材料科學及工程學系何耀威(Johnny Ho)教授團隊的工作，把「材料設計」直接接到了「感知計算」這條更靠近人工智能的賽道上。

據 城大研究故事(2025-02-24)^※與 發表於《Nature Communications》(2024)的論文《Birdlike broadband neuromorphic visual sensor arrays for fusion imaging》^※，何耀威團隊聯同中南大學，通過定向排列有機分子構建出範德華 P3HT/GaAs 納米線 P-N 結，並結合肖特基結，製成一種模仿鳥類視覺的可穿戴仿生傳感器。據論文摘要，該器件在單器件與 5×5 陣列中均實現了寬波段非易失存儲、弱光感知與近零功耗運行模式，具備超過 5 比特的存內感存算能力，結合可見光與紫外兩種成像模式，其儲備池計算(reservoir computing)系統對顏色識別的準確率最高達 94%。團隊指出該器件在智能駕駛、機器人與先進視覺裝置上具應用潛力（據同一論文）。這項工作入選 「2025 年香港十大創科新聞」^※，是繼張華「相工程納米材料」之後，城大材料學系又一項被納入年度香港創科評選的成果——學系師資與更多院士榮譽見 faculty-and-leaders.md、academicians-and-awards.md。

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