原子级制造:前沿与应用 Nature conference大会报告人介绍（二）

主办单位

开云足球俱乐部联合《自然-通讯》、《自然-材料》、《自然-纳米技术》和《自然-电子学》

时间

2025年11月10日（报到）~ 11月14日

形式

线下会议

地点

中国南京·南大国际会议中心

Nature Conference 专题

原子级制造技术进展

纳米材料与纳米器件的原子级精度控制

表征与分析方法

陈倩

伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校

个人简介

陈倩，现任伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校材料科学与工程系教授（Racheff Scholar）。她于北京大学化学系获学士（2007），2012 年在 UIUC 获材料科学与工程博士（导师：Steve Granick），随后以 Miller Fellowship 在加州大学伯克利（Paul Alivisatos 实验室）开展博士后研究。其团队将液相 TEM 与原位电子显微学、机器学习相结合，推进软材料的动态成像与可编程自组装研究；研究成果发表于 Nature Materials、Nature Communications、Science Advances、JACS、ACS Central Science 等顶级期刊。她的学术成就获得广泛认可，曾获美国化学会 Victor K. LaMer 奖（ACS Victor K. LaMer Award, 2015）、《福布斯》“30 岁以下科学领域杰出青年”（Forbes 30 Under 30 in Science, 2016）、美国空军青年科学家奖（AFOSR Young Investigator Award, 2017）、美国国家科学基金会青年教师奖（NSF CAREER Award, 2018）及阿尔弗雷德·斯隆研究奖（Alfred P. Sloan Research Fellowship, 2018）等荣誉。

图注：原子模板印刷构建“补丁”纳米颗粒

（图片来源：Nature 646, 592–600 (2025).）

研究方向

陈倩教授的研究聚焦于软物质与纳米材料体系的动态行为及其可编程结构构筑。她的团队以液相透射电子显微镜（liquid-phase TEM）为核心手段，发展多种原位电子显微学方法，用于实时揭示纳米颗粒的自组装、形貌演化和界面反应过程。结合机器学习与数据驱动分析，他们实现了复杂显微视频的定量化解析与动力学机制提取，并在可编码胶体、功能性纳米结构的组装调控以及蛋白质、高分子体系的结构转化研究中取得进展。这些工作进一步拓展到电池材料与节能膜等应用体系的界面调控。总体而言，陈教授致力于构建“动态成像—机理解析—可编程设计”一体化研究框架，为理解并工程化调控软材料的多尺度行为提供了新的思路。

代表工作：

1、原子刻蚀制备 Patchy 纳米粒子：利用在纳米粒子表面形成的可逆原子级掩膜，实现聚合物配体在特定晶面的选择性接枝，从而在纳米粒子表面构建具有特定化学功能的“补丁”。该方法实现了对补丁纳米粒子的高精度且组分可控的制备，为设计信息编码的纳米基元并将其自组装成复杂超晶格提供了一条全新的合成路径，对先进功能材料的理性构筑具有重要意义。Nature 646, 592–600 (2025).

2、自组装纳米粒子晶格中的纳米尺度声子动力学：将液相透射电子显微技术应用于纳米力学领域，首次在自组装的纳米粒子超晶格中，直接实现对声子（晶格振动）的实空间成像与动力学解析。揭示了纳米晶格中声子的局域化与传输行为，并通过引入几何与拓扑概念阐明了其调控机制。这项工作将原位显微学从结构表征拓展至动力学谱学，为设计具有特定振动特性的纳米力学超材料提供了关键的实验依据与理论框架。Nat Mater. 2025 Oct;24(10):1616-1625.

3、定量成像与机器学习联用揭示聚酰胺膜纳米形态发生机制：本研究将定量三维电子断层成像与机器学习分析相结合，首次对商用聚酰胺分离膜的纳米形态发生（nanomorphogenesis）过程进行精确三维可视化与量化分析。研究将合成条件、纳米形貌演化与膜的分离性能建立定量关联，并将形貌演化机制与Turing型反应-扩散理论相关联。该工作建立了从基础表征到工业性能优化的一体化研究框架，对节能膜材料的理性设计具有直接指导意义。Science Advances, 8 (8), eabk188 (2022).

4、利用机器学习揭示液相电镜视频中的纳米粒子动力学：系统性地将深度学习模型引入液相透射电子显微镜（liquid-phase TEM）数据分析流程，解决了从复杂动态视频中提取定量信息的核心挑战。通过构建模拟训练数据并训练神经网络，团队实现了对纳米颗粒的自动识别、轨迹追踪及运动参数提取，将液相TEM分析从经验性观察转化为高通量定量分析。此研究显著提升了液相TEM在动力学研究中的可重复性和量化能力，并被选为当期期刊封面。 ACS Central Science, 6 (8), pp 1421-1430 (2020) .

Johannes Barth

德国慕尼黑工业大学

个人简介

Johannes Barth 教授现任德国慕尼黑工业大学（TUM）教授并担任院长，他同时也是加拿大不列颠哥伦比亚大学（UBC）客座教授。他于慕尼黑路德维希-马克西米利安大学（LMU）完成物理学学业后，1992年在柏林马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯研究所（Fritz Haber Institute, Max-Planck-Gesellschaft）获得物理化学博士学位（师从诺贝尔奖得主G. Ertl教授）。随后，他在美国 IBM Almaden 研究中心开展博士后研究，并在瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）从事科研工作十余年，期间于1999年获得博士后讲师资格。Barth 教授的团队主要研究界面物理化学现象及功能分子纳米结构的原子尺度组装。其成果已发表在 Nature、Nature Chemistry、Nature Nanotechnology、Journal of the American Chemical Society等国际顶级期刊，在分子控制和超分子化学领域具有重要影响。他曾获得欧洲研究委员会高级研究员资助、Latsis 国际基金会大学奖以及亚历山大·冯·洪堡基金会 Feodor Lynen 奖学金等国际学术荣誉。

图注：Au(111)上炔基卟啉“芳香区”碳原子反应活性骤降

（图片来源：Nat. Chem. 15, 1765–1772 (2023)）

研究方向

Johannes Barth 教授的研究聚焦于表面分子纳米科学与界面物理化学，核心目标是原子尺度上揭示并操控分子在固体表面的行为，从而构建功能纳米结构。他的团队以扫描隧道显微镜（STM）和非接触式原子力显微镜（nc-AFM）为核心工具，并结合X射线光电子能谱（XPS）、低能电子衍射（LEED）及第一性原理计算，系统研究分子在金属和氧化物表面的吸附、扩散、自组装及反应动力学。团队通过分子设计（如定制卟啉、酞菁等大环分子）、表面模板化（利用晶体表面晶格导向）以及外场调控（如隧穿电流诱导），精确调控（图片来源：Nat. Chem. 15, 1765–1772 (2023)）

分子间的范德华力、氢键和金属-配体相互作用。在此基础上，他们成功搭建了从离散有机金属配合物到二维共价有机框架等多种高度有序超分子结构。这些结构被应用于分子开关、单分子磁体、量子比特前驱体及表面催化活性中心的探索，不仅加深了对超分子组装规律和表面手性表达的理解，也为分子电子学和量子信息技术提供了新材料与方法。

代表性工作：

1、表面原子与分子纳米结构工程: 构建了以扫描隧道显微镜（STM）为核心，整合低能电子衍射（LEED）、X射线光电子能谱（XPS）与密度泛函理论（DFT）计算的研究体系。不仅总结了在金属单晶表面通过分子自组装、模板效应和定点操控实现原子级精准结构的策略，更深刻揭示分子间及分子-基底相互作用的核心原理。该工作为此后“自下而上”构建功能纳米结构确立了标准化的实验方法与理论框架，成为分子电子学、量子比特阵列及表面催化活性中心设计领域的奠基性工作。Nature. 2005 Sep 29;437(7059):671-9.

3、芳香性调控端炔卟啉在Au(111)表面的环化与聚合: 系统研究了芳香性（如何调控端炔取代卟啉在Au(111)表面的环化与聚合反应活性：结合低温STM/nc-AFM 成像、XPS/STS 谱学与 DFT 计算，作者鉴定了反应中关键的局域反应位点及中间体，证明外围碳位的芳香性分布会显著影响C–C偶联与环化路径，从而决定是在表面上发生环化生成新的芳香单元，还是发生聚合形成共价网络。该研究将有机分子芳香性概念与on-surface合成机理直接关联，为在表面可控构建复杂共轭与芳香/反芳香碳骨架提供了重要的设计原则与机理理解。Nat. Chem. 15, 1765–1772 (2023).

4、表面合成烯烃炔: 在Ag(100)晶面上成功实现了由端炔分子通过环化四聚反应，高区域选择性地合成了一维烯烃炔碳骨架。通过高分辨非接触式原子力显微镜（nc-AFM）直接解析了产物的化学键结构，并结合XPS与STS确认了其独特的电子性质。该路线的成功，不仅极大丰富了表面合成化学的工具箱，更证明了表面介导的碳-碳偶联反应在制备传统溶液化学难以获得的新型碳同素异形体方面的巨大潜力，为未来开发具有狄拉克锥、拓扑边界态等特性的碳基纳米线指明了方向。Nat Commun. 2023 Mar 6;14(1):1255.

4、揭示碳基纳米结构边缘与孔隙的“欺骗性”轨道局限: 通过空间分辨扫描隧道谱（STS）与第一性原理计算的紧密结合，证实在石墨烯纳米带与多孔石墨烯的边缘和孔隙处，许多曾被归因于量子限域效应的“轨道局域化”信号，实质上是由基底电子耦合、边缘结构重构或测量中高动量态缺失所导致的假象。论文不仅辨析了真实限域态与“欺骗性”局域化的微观机制，更提出了一套结合态密度与局域势场分析的实验-理论判别准则，为未来基于碳基纳米材料的电子器件设计提供了至关重要的校正依据与理论指导。Nat Commun 15, 1062 (2024).

“原子级制造：前沿与应用”

自然会议系列活动信息

活动时间与地点

会议介绍

“原子级制造:前沿与应用”自然会议于2025年11月10日至11月14日在江苏省南京市召开，旨在汇聚全球原子级制造领域顶尖学者，推动跨学科交流与技术突破。会议由开云足球俱乐部联合《自然-通讯》、《自然-材料》、《自然-纳米技术》和《自然-电子学》主办。

会议组织结构

总召集人

宋凤麒， 开云足球俱乐部

Christian Kuttner， 《自然-通讯》

苏梦颖，《自然-通讯》

Daniel McNally， 《自然-材料》

施璐， 《自然-纳米技术》

黄彦， 《自然-电子学》

总召集人

居冰峰 钱林茂 宋凤麒 孙立涛

召集人委员会（按姓氏拼音排序）

陈远流 陈 磊 崔海龙 杜晓辉 郭云龙 贺 羽

胡鹏程 胡春光 居冰峰 李文昊 刘开辉 潘曹峰

宋凤麒 孙立涛 解国新 姚广保 张振宇 赵纪军

地方组委会（按姓氏拼音排序）

主席 郑海荣

副主席 迟力峰 陈 谦 姜 田 孙立涛

委员 李 涛 刘 斌 宋凤麒 王欣然 王学锋

青年召集人委员会（按姓氏拼音排序）

曹 坤 柴智敏 陈 磊 邓 辉 高威帷 贺 煜

胡国睿 胡春光 李 超 谭元植 武恩秀 闫凌昊

杨睿韬 张敏昊 朱 超

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联系邮箱：nanjing2025nature@163.com

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单位：开云足球俱乐部原子制造研究院

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