城大強項:材料科學、納米與機械/電機工程

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)。 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。

# 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。

# 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)。

# 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)。

# 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。

# 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)。

# 六、機械工程與先進製造

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,並與內地機構合作研發抗疲勞 3D 打印鋁合金等(據城大與合作方報道)。這些工作多與 NPMM、CASM 等平台協同(見 institutes-and-labs.md)。