革命性物質作用力實現次世代功能化分子計畫



本中心何佳安教授與默克集團共同籌辦第三屆默克年輕科學人獎圓滿落幕

本中心與國立臺灣大學生命科學院、理學院、化學系與生化科技學系,及默克集團(Merck KGaA, Darmstadt, Germany)共同籌辦的「第三屆默克年輕科學人獎」於臺大博雅教學館圓滿落幕。 開場致詞由本中心教授周必泰,以己身生命經驗為引,鼓勵學生「認真、堅持地去做研究,必能有豐收成果之日」;理學院副院長陳俊顯教授,也蒞臨勉勵年輕世代;生命科學院副院長何佳安,則鼓勵年輕世代展現自我,並以改善人類生活福祉與健康為研究目標,持續精進。

默克生命科學事業體科學研究與實驗室解決方案負責人佐藤弘康表示:「默克年輕科學人獎已邁入第三屆,在每一屆競賽我們都能見證新一代科學家的誕生。默克相信以好奇心與科學、科技的力量來驅動創新,持續推廣科普教育,鼓勵更多年輕科學人投入科學,並透過自身影響力,成為科學追求者的榜樣,延續科學的生命力。」

活動以默克生命科學事業體業務處處長—劉婉舲博士帶來「學界轉業界」的經驗談拉開序幕。有別於一般主題性年會,「默克年輕科學人獎」將跨領域研究者齊聚一堂互相交流。主辦單位特別設計「壁報交流集點活動」,鼓勵所有參賽選手多了解不同的研究趨勢。除了能看到來自全臺超過百位年輕科學人齊聚臺大,分享專業熱情,更從他人的研究中獲得新的想法與刺激。而「口頭競賽」則由博士級以上參賽選手角逐兩大領域年度大獎,並在最後的頒獎典禮上,進行了3分鐘的口頭論文演說,展現他們的口語發表實力。


在競賽之餘,也特別邀請到臺大化學系教授,同為本中心主任陳浩銘為年輕科學人揭示成功職涯的關鍵思維,另外,為協助年輕科學人畢業後迅速接軌職場,默克特別聘請專業講師,帶領新鮮人突破職場潛規則,建立職場人脈、個人信譽與品牌。

活動壓軸由臺大生命科學院院長江伯倫教授進行閉幕致詞,在經歷一天的競賽後,他勉勵在座參賽者,年輕是追逐理想的時期,並祝福與會年輕科學人在未來皆能大放異彩。


本文摘自台大校訊第1607期

(發佈日期:2024/06/06)


周必泰教授團隊打破有機強放光世界紀錄,有助生醫及通訊產業發展

本中心周必泰教授主持的國際研究團隊,將本身所保持的有機強放光世界紀錄,由原先的840奈米一舉突破到1000奈米,對未來生醫及通訊科技發展有很大幫助。 周必泰教授的研究成果已於2022年10月10日正式發表於國際光電頂尖的《自然光電》期刊,未來有望應用於即時生醫影像及生化感測解析,成為穿載式生醫檢測的利器,同時其可降低資訊傳遞吸收損失,提升光纖科技效能。 近紅外(NIR)波長在1000~1700奈米的範圍俗稱紅外二區(NIR(II)),在生醫領域上,它可以穿過皮膚組織以及血管做深層成像檢測或啟動藥物作用,也是重要可穿戴式生醫產品(如血氧計、光療貼片)的主要光源。

有機分子材料在紅外二區在能隙定律中具顯著的熱淬滅效應,理論上其放光產率接近於零,不太可能適合於紅外二區發光應用。因此如何讓有機分子在紅外二區有強放光性質,長久以來在國際光電科研上被認為是一個不可能達成的任務。 為了化不可能為可能,周必泰的團隊自2017年起從理論基礎出發,思考若耦合是不可避免發生的定律,那麼是否可以經由其他方式,來有效的降低有機材料激子/振動的耦合強度,進而減低熱消散的發生機率。


周必泰的團隊透過與清大教授季昀海洋大學教授洪文誼以及國家同步輻射中心博士莊偉綜的合作,利用鉑金屬錯合物配位基分子的更加平面化,以及將有機化合物中的氫原子氘化(將氫以其同位素氘置換),一舉突破團隊2020年發表在自然光電的世界紀錄840奈米,在分子的放光原理及設計上做出卓著的國際性貢獻。

據此設計合成製備出的電致發光元件(OLED),其放光波長已達到1000奈米,內部量子產率達21%,外部4.2%,皆為目前之世界紀錄。 周必泰表示,未來將挑戰前所未有的有機分子紅外三區範圍(1700-2000奈米)的放光領域,以及將現有成果商業化,並歡迎有興趣的學者及業者能一起來共襄盛舉。


本新聞摘自中國時報聯合新聞網Yahoo奇摩新聞

(發佈日期:2023/01/03)


本校OLED團隊解密高效率螢光材料發光機制

本中心周必泰教授主持的國際研究團隊,與海洋大學光電所洪文誼教授及常州大學朱衛國教授合作,成功解釋多重共振效應誘導–熱激活化延遲螢光材料的發光機制,研究成果登上國際光電領域排名第一的《自然光電》(Nature Photonics)期刊。該理論的突破有望推動高效螢光發光材料的蓬勃發展,對未來的顯示科技具有重大影響。

多重共振效應誘導–熱激活化延遲螢光材料(Multiple Resonance Effect Induced Thermally Activated Delayed Fluorescence, MR-TADF),由於具有近100%放光效率同時具備高色純度優點,近年來比傳統熱激活化延遲螢光材料以及其他金屬錯合物磷光材料更是備受青睞。然而,其中一個現象卻一直困惑著研究者,那就是一些多重共振效應誘導–熱激活化延遲螢光材料,其分子在光致激發時具有很強的螢光,唯並沒有延遲螢光的跡象;但是這一類發光材料一旦摻雜在合適的主體材料中,卻又能表現出顯著的延遲螢光現象。延遲螢光在有機電致發光(OLED)是重要機制,它可以經由熱激活後捕獲三重態得到延遲螢光,藉此達成100% 放光量子效率。MR-TAD隔離分子及藉由主客體的混合,產生完全不同的光物理現象,已經困擾國際相關研究者多年,也因此阻礙相關OLED 的進展。

周必泰教授領導的團隊,首先合成一系列新穎的MR-TADF分子, 再有系統的與經典的MR-TADF螢光發光材料做深入的對比研究,分別利用光致及電致激發時間解析光譜法以及步進式掃描傅立葉轉換瞬態吸收光譜法(step-scan Fourier-transform transient absorption spectroscopy),在混合共蒸鍍的有機發光層中,發現主體–客體之間可以相互作用,藉此產生瞬態電荷轉移中間體。這中間體能為客體螢光分子的單重態及三重態「搭橋」,提升單重態至三重態的系間穿越(intersystem crossing)及反系間穿越(reverse intersystem crossing)的速率,「創造」出延遲螢光。如圖所示,清楚的闡釋藉由主客體電荷轉移中間體的形成,讓分子可以藉此加快系間以及反系間穿越的速率, 達到熱激活化延遲螢光的產生。在保證光色純度不變的同時,達到高效利用暗態(即三重態)激子。這一嶄新的機制,未來可以讓OLED科研工作者,重新審視一些單重態和三重態的能隙小,足以被熱激活,但本身卻沒有延遲螢光性質的高效螢光材料,有望解決並實現OLED高效藍光材料。

周教授實驗室在藍光與近紅外光物理以及電致發光研究迭創新的里程碑,過去四年來已於頂尖期刊Nature Photonics上連續發表三篇創始性的論文,成果卓著。周教授於2020年獲科技部學術攻頂計畫補助,在光電領域確實已達科技部攻頂的指標。

研究成果全文:The role of host–guest interactions in organic emitters employing MR-TADF 於2021年9月28日發表於《自然光電》(Nature Photonics):https://doi.org/10.1038/s41566-021-00870-3

本新聞摘自台大校訊1494期 (民國110年9月29日出刊)。(發佈日期:2021/09/30)


突破半世紀理論瓶頸 有機電致發光研究躍國際期刊

本中心周必泰教授領導的國際跨校團隊,研究成果打破半世紀以來的理論瓶頸,讓OLEDs(有機電致發光)在近紅外的應用,諸如生醫紅外影像、紅外線醫療、手機紅外辨識、測距與夜視等的大面積二維化及可撓式元件,邁進一大步,成功刊登於國際光電最頂尖的「自然光電」(Nature Photonics)期刊。

該研究「Overcoming the Energy Gap Law in Near-infrared OLEDs by Exciton–Vibration Decoupling」,即利用激子─振動去耦合概念,克服能量間隔定律障礙,藉以製成高效率近紅外有機電致發光元件。起始於周必泰教授在2017年和時任國立清華大學季昀教授(現任職於香港城市大學材料系)及清大材料科學工程學系林皓武教授合作,發表一篇刊登在「自然光電」期刊論文,創始性將「有機電致發光」(OLEDs)波長推至740 奈米波長(一般可見光400-700奈米,愈長愈紅),直到今日,24%發光效率仍是近紅外OLEDs 的世界紀錄,這篇論文廣被專業領域引用超過223 次。

團隊以卡通畫面比喻,說明深奧的科學研究,假設「激子」是一位挖路工人,開始用鑽孔機鑽洞,鑽孔機的振動傳給這位工人,工人就強烈的振動起來,經由摩擦的各種小振動轉變為熱消散出去,再假設有3位工人組合在一起鑽孔, 因相互之間存在某種作用力的關係,讓他們排列的非常整齊,在受力均勻下,鑽孔機傳來的振動,在共振之下平均由3個工人來分攤,這時每位工人(激子)和振動的耦合就減少到只有1位工人(激子)時的3分之1,依此類推,N個工人藉由某種力的結合均勻共振,理論上耦合的強度對每位「激子」而言就減弱到1/N,也就是說熱消散的機率可減低到一個工人的1/N,能量守恆下, 當熱消散降低時, 放光的機率就增加及增強。

團隊說明,實際機制並不如卡通般描述的簡易,但理論上是可行的,這也是化學以及材料領域的精華之一。周必泰教授聯合清華大學季昀教授及其學生王聖夫,設計合成新穎的鉑金屬化合物,藉著鉑與鉑之間的作用力,成功達成分子自組裝的目標,一舉將鉑金屬錯合物的放光波長推到空前的960奈米,大於900奈米的元件需要特殊的近紅外量測系統。中國蘇州大學廖良生教授、我國海洋大學洪文誼教授及淡江大學徐秀福教授亦參與合作,而研究最艱難部分則由論文的第一作者台大化學系博士生魏佑臣突破,利用理論及實驗互相印證,打破半世紀以來咸認為有機強紅外發光是不可能達成的瓶頸,引領未來在近紅外有機發光領域的學術基礎研究,以及促進紅外光產業應用之契機。相關資訊請參見自由時報「自然光電」 (Nature Photonics)期刊。(發佈日期:2020/07/10)


臺大/中研院合作團隊把奈米複合物的導電行為變容易了

近二十年是奈米材料的革命世代。奈米管、奈米薄片和巴克球(buckyballs)等這些僅由幾千個原子所組成的對科學產生了時代性的震撼。為了讓這些發現對我們巨觀的真實世界產生真正的影響,我們必須將數百萬個這樣小的奈米物質組在一起形成巨觀物質。

由國立臺灣大學物理學系副教授謝馬利歐以及中央研究院原子與分子科學研究所副研究員謝雅萍所共同組成的MY-Lab團隊,過去一直致力於將這些石墨烯奈米片形成的膜鋪在玻璃片或塑膠片上,來製成應用於螢幕和太陽能的透明可撓式電極。然而這個目標卻比預期中的還難實現。使用較厚的奈米片所塗成的導電膜較導電,但透明電極卻因此變得較不透光;較大的奈米片組成的透明導電膜理論上應該比較導電,但由於奈米片間的接點變少,反而更不利於導電。

MY-Lab研究團隊試著去找出最佳化的奈米導電膜條件,但因為奈米片的形狀跟方向是非常不規律地,根本沒有現成的理論模型可以來預測或解釋實驗所量到的數據! 為了解決這樣複雜的電子導電行為,他們和一個來自香港大學的訪問學生一起開發了自己的預測工具。

現成的計算都是將奈米材料變成規則形狀而過度簡單的預測電流,導致計算失真。MY-Lab團隊相反地,用類似網路通訊的連結或大腦中的網絡連結為模型,並將材料和網絡間的連結視為由數百個具有各自電組的片狀薄膜所組成,而其所形成的總電阻可再利用曾經預測過動物遷徙的模型被簡易地計算出來。這個方法不僅適用於許多複雜的奈米材料,使建模變得容易許多,對於沒有程式經驗的研究人員而言也能很快上手。

他們使用這種新方法,首次計算出片狀薄膜和奈米管混合物等真實的奈米結構的導電行為,此外,計算中也顧及了每一單一奈米結構間的複雜傳導行為,這有助於預測複雜材料中所具有的新特性,並為將來的研究提供靈感。

回到研究團隊的初衷,研究人員成功的用奈米片狀薄膜的模擬結果驗證了他們在實驗上所獲得的結果。透過樣品的兩個簡單測量(光吸收和薄膜電阻)與其模擬結果進行比較,可進而預測出單一奈米片狀薄膜自己的特性,這種方法使實驗人員無需使用高功率顯微鏡或專門的測量工具就得以比較各式薄膜及材料的特性,進而預測出最佳的奈米電極形狀結構及其應該的電晶體表現。最終,研究小組研究了大約兩百種的奈米結構,找出了最適合做為電極的理想奈米片。

這些成果最近發表在《自然材料(Nature Materials)》,此期刊影響因子高達46.8。作者希望材料科學和奈米技術的研究人員將受到激勵,以新的方法來突破他們對奈米結構驚奇特性的認知。

本新聞摘自No. 78 of NTU Highlights (June 2020) (發佈日期:2020/05/25)


乳癌快速篩檢新方法

本中心徐丞志教授實驗室與臺大醫院王明暘醫師合作開發5分鐘診斷的技術,利用紙噴灑游離法結合高解析質譜儀,快速取得粗針穿刺腫瘤組織的化學訊號,利用建立好的機器學習模型,判斷此腫瘤組織為良性或惡性組織。整個過程僅需將組織以濾紙承載即可直接以質譜儀分析,5分鐘內即可完成診斷,準確度可達87.5%。相關研究成果發表於國際分析化學領域重要期刊《Analytical Chemistry》,並獲選為當期的期刊封面,並於2020年1月20日正式刊出。相關資訊請參見研究論文台大校訊


力阻全球暖化—陳浩銘教授與跨國研究團隊之研究榮登《Science》

本中心陳浩銘教授與瑞士洛桑理工學院胡喜樂教授等人所組成的跨國研究團隊,發展出化學反應之臨場分析技術,首度發現「新型催化劑—單原子三價鐵」,能取代金或銀等貴金屬催化劑,以極高轉化效率且極低耗能的電解方式,將二氧化碳轉化為一氧化碳,大幅降低催化劑成本。不僅高效率回收二氧化碳,延緩全球暖化,還能產生一氧化碳進而再製其它燃料,相當具有商業發展價值,卓越的研究成果於今(2019)年6月14日榮登於全球頂尖學術期刊《科學》(Science)

該跨國研究團隊費時3年,使用國家同步輻射研究中心的「台灣光源(Taiwan Light Source)」與和「日本同步加速器光源(SPring-8)的台灣合約光束線」,利用「臨場X光吸收光譜(Operando X-ray absorption spectroscopy)」技術,即時觀察二氧化碳轉化為一氧化碳的反應過程中,催化劑的價態與化學環境等條件,成功找到高效且低廉的新型催化劑,獲得了全球注目的突破性成果。

二氧化碳還原反應被公認為是目前解決溫室效應問題最有機會的途徑,近年來利用太陽能、風能等潔淨能源所產生的電能將溫室氣體-二氧化碳(CO2)還原為一氧化碳(CO)備受關注,如此一來可同時實現溫室氣體的減量並進一步轉換為可被人類利用的燃料。在目前研究大多以金或銀等貴金屬做為二氧化碳還原為一氧化碳之催化劑,而其他的催化劑則需要極高的施加電壓,才能達到相同的轉化效能,高電壓意味著高耗能,不符合經濟效益。這個研究首度發現,使用「單原子三價鐵」當催化劑,即使在極低電壓下,二氧化碳轉化成一氧化碳的效率為90%,是目前全世界已知最佳的轉化效率,甚至優於貴金屬催化劑的轉化效率。然而在這個研究裡面,更重要的一個問題是-為什麼此單原子鐵的活性如此之高?與過去所合成的單原子鐵有何差異?為解開高活性背後所隱藏的關鍵秘密,陳浩銘教授利用國輻中心位於台灣與日本的光束線,並配合該團隊近幾年所發展之X光臨場分析技術,發現高活性鐵單原子催化劑之秘密為保持穩定的高氧化態,這是其活性能夠媲美甚至超越貴金屬催化劑的關鍵。

值得一提的是,由單原子三價鐵製成的新型電催化劑,不僅可以高效且低廉的方式回收二氧化碳,減低二氧化碳量,還可以產出一氧化碳。產生的一氧化碳可以再進一步轉換成烴類或碳氫化合物,可用來製造燃料、塑膠和其他材料,如此一來即可以實現將危害地球環境的二氧化碳轉換為人類可以使用的“燃料”,若是還原反應所需要的電能是來自於取之不盡用之不竭的太陽,將可以實現現代科技重大的里程碑“人工光合作用”-以太陽能將水與二氧化碳轉換成氧氣與人類可以使用的燃料。

國家同步輻射研究中心的台灣光源以及日本同步加速器光源的台灣合約光束線,二十多年來產出許多卓越的研究成果。而在這個研究中使用搭造於同步輻射中心的「臨場X光吸收光譜技術」,被廣泛應用在觸媒催化與電化學等領域,可洞悉化學反應過程中,物質的電子結構與原子結構。陳浩銘教授使用此關鍵技術,成功揭開單原子三價鐵是提升轉化效率的大功臣,單原子周圍的環境成功的幫助對抗外來干擾,進一步有效的穩定反應中心而展現出如此高的轉化率,這是一項獨步全球的新發現。


本新聞摘自臺灣大學焦點新聞。(發佈日期:2019/07/25)



研究突破

臺灣之光:近紅外有機發光二極體(OLED)效率獨步全球

在科技部卓越領航計畫、教育部邁頂計畫的支持之下,本中心與清大化學系、材料系合組的研究團隊,於2016年12月14日宣佈「近紅外(NIR)發光材料元件」的重大突破。此元件具有高亮度、大面積且物美價廉的優點,未來將可與汽車、醫療及農業產業相互結合。

本研究是以自組裝方式突破了分子放光近紅外區域時在理論上的限制,在實驗上合成出可自組裝成線性排列的鉑金屬錯化合物。其完美的分子排列不僅使放光波長伸延到近紅外光區,且學理上激子和聲子互相影響減弱,造成激子放光增強效應,一舉將近紅外有機發光二極體元件效率的世界紀錄推進了近十倍,達到具商業化24%的外部量子效率,未來將進一步推向1000nm的有機分子放光,相信可開創出台灣近紅外光電致放光相關產業的契機。

本研究的論文已刊登於國際期刊《Nature Photonics》,相關專利也在佈局中,本中心教授周必泰表示,這項近紅外發光材料元件的發展領先國際,堪稱「臺灣之光」。(參考新聞:中國時報 / 工商時報 / 中央通訊社 / 聯合新聞網文教新聞 / DIGITIMES,發佈日期:2016年12月14日)



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新世代有機發光二極體(OLED)已開始被應用在手機的顯示器、電視螢幕,以及固態的照明設備上,逐漸地取代傳統液晶技術以及發光二極體(LED),未來可望更加普及。該元件不但價廉物美,並且可製作出「可撓曲」的平面光源,使顯示器可以像紙張一樣捲起來存放,或是像布料般縫製在衣服上。

由於缺乏長期性的研發,我國顯示器產業界在有機發光二極體的發展上已落後日韓與中國,未來數年後在市場上恐將失去先機,期盼此項近紅外發光材料元件的發展,可再創我國產業發展的契機。 請參見科技部自然科學及永續研究發展司所發佈之新聞稿與簡報資料


學術研討會

第 248 屆美國化學學會(ACS)研討會

本中心周必泰教授於2014年獲聘任美國化學學會(ACS)所屬期刊《Applied Materials and Interfaces》副主編(Associate Editor)。

之後,周必泰教授召集全世界近100位質子轉移研究專家,在2014年8月10-14日,於舊金山舉辦第248屆美國化學學會國際會議。會議中,周教授除了發表"Photoinduced Proton Transfer in Chemistry and Biology"論文之外,並在會中接受表揚,這是全世界最大科研學會(近20萬會員)首次給予臺灣研究學者的肯定。

研討會內容分成 29 種科技類別、9個委員會與原創講題,超過 1013 場的半日口頭講座與 168 篇海報展示時段,包括 Sci-Mix,會中亦排定超過 7400 篇的論文簡報,以及將近 4400 篇的海報簡報。圖片中為周教授與喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)Kyril M. Solntsev 博士,海報上的漫畫是質子轉移的標誌,表示一個質子( H + )從台灣移至美國,象徵質子轉移的概念。

該研討會是由台大慶齡工業研究中心與鎧暘科技(TopGiga Material)所贊助。


第七屆亞洲染料敏化和有機太陽能電池會議

本中心與清華大學低碳能源研究中心、中研院、中國化學會、中技社、成大聯合籌辦的第七屆亞洲染料敏化和有機太陽能電池會議(The 7th Aseanian Conference on Dye-sensitized and Organic Solar Cells)於2012年10月26-29日在台灣大學博雅大樓隆重揭幕。

會中邀請了6位國際知名的學者 Michael Gratzel, Joseph T. Hupp, James Durrant, Hiroshi Segawa, Juan Bisquert, Mercouri G. Kanatzidis 擔任大會主講員,另外也邀請了36位世界各地在染敏化以及有機高分子太陽能電池方面的專家發表演講與海報,與會者來自美國、英國、德國、加拿大、瑞典、瑞士、日本、南韓、新加坡、中國、斯洛維尼亞、西班牙等地,共約600人參加。


人類文明自第三波工業革命之後,奈米科技繼之興起,涵蓋生物、物理、化學、材料、醫學等領域,影響極為深遠。欲進一步了解奈米科技的最新發展,歡迎收看奈米新知影片。