聯合實驗室名稱：納米材料與力學聯合實驗室
項目統籌者：呂堅教授（城大）
摘要
於2008年，在裘槎基金的支持下，納米材料與力學聯合實驗室正式成立。在2018年，於一項評估中國科學院和香港學術機關聯合建立的實驗室的研究表現的報告中，我們被認可為四間「卓越聯合實驗室」之一。這個項目是一個綜合未來發展的關鍵設備為更有成效的合作奠定基礎。
打破形狀由生產而來的局限和達到應用要求的材料性能一直都是不同領域的材料研究員和工程師所追求的目標。在這個項目，我們將運用一個有系統的方法以生產具有不同機械性能並適合應用於生物醫學和輕量級結構的3D列印品。我們首先將建設一個2/3/4D增材製造系統來製造金屬基底的材料（例如：鈦基﹣﹣它被廣泛應用在生物醫學和輕量級結構上），並測試打印材料的機械性能。對應不同的應用，不同的零件要具備不同的機械性能來應付要求；我們會把在發明4D打印技術（已刋登在SCIENCE ADVANCES期刋）時所獲得的知識和技術應用在[1]製造表面納米材料； [2] 製備超納材料（已刋登在NATURE期刋）； 和[3] 對3D列印品進行後處理以進一步提高它們的機械性能來應付應用上的需要。在項目的後期，我們最終會配合不同的後期處理以製造出有不同結構、機械特性和應用潛力的金屬列印品，將有助發展高耐磨性、輕盈而高強度的醫療植入物。這項目的成果將促進發展高耐磨性和高強度的輕量級醫療植入物，有望可用於社會。
這項目的研究內容由3項主要任務組成： (1)建設2/3/4D金屬材料增材製造系統和測試打印材料的機械性能； (2)研究後期處理（例如：表面機械磨研技術和物理氣相沈積技術）對列印品的機械性能的影響； (3)研究項目中建設的設備所製作的列印品的潛在應用。
聯合實驗室名稱：機器人學聯合實驗室
項目統籌者：李文榮教授（城大）
摘要
3D電路打印技術是開發新一代先進傳感與機器人執行系統的基礎技術。此項技術將電路與各種機械性能優異的新型功能材料以複雜的幾何結構融為一體，並結合多材料三維打印等其他新型數字、機械製造技術，研究人員將能實現自組加工，進而製造出機械結構更加複雜的機器人執行器。多材料三維打印利用多種不同剛度梯度的軟材料直接打印機器人零件，能夠避免複雜的成型技術或裝配步驟。此外，針對特定的功能實現，多材料三維打印機通過引入新一代的定製材料和功能，將可以直接製造四維執行器——這種機器人執行器將具備應激性，自變形性及嵌入式可編程等特性。
中科院-香港機器人學聯合實驗室將利用世界領先的電子產品精密增材製造系統，開發下一代三維傳感系統並開展四維機器人執行器方面的前沿研究。我們通過對該系統的進一步改進，先進的傳感及導電材料（如氧化石墨烯、碳納米管及其他納米材料）也將能嵌入到三維機械結構中。這些納米材料通常保存在液體溶液中，以往只能通過傳統的MEMS（微機電系統）製造技術，如光刻和刻蝕來製造。但通過三維直接打印和可變形材料技術，傳感/電路原型設計及開發成本都將會降低，研發時間將會更短。
我們的團隊將在香港城市大學（CityU）安放並使用這台電子產品精密增材製造系統，與沈陽自動化研究所聯合實驗室共享該設備。在確保系統運作穩定和規範操作流程（包括安全指引）後，我們將最終與城大及其他香港院校的研究人員共同使用本系統。在為期兩年的項目結束時，我們將演示由該系統製造的若干集成傳感及執行裝置，包括：(1)用於跟踪小鼠運動的注射式“運動傳感膠囊”；(2)用於物聯網球形機器人的集成天線；(3)用於生物融合機器人的細胞-電-刺激陣列；(4)基於生物融合的細胞執行器。
聯合實驗室名稱：機器人與智慧系統聯合實驗室
項目統籌者：張立教授（中大）
摘要
毫米/微米/納米尺寸的微型機器人具有可控的運動能力和多種不同的功能，在微創醫學上很有前景，特別是靶向治療和微型外科手術。現今的研究中，已有各種驅動和控制微型機器人運動的策略。在生物醫學體內應用中，磁場被認為是最有前途的工具之一。低強度磁場對生物細胞和組織無害，並且可以多自由度和高精度地遙距驅動微型機器人。
到目前為止，雖然磁控微型機器人已經被廣泛研究，其製造技術亦有很好的發展，不過當中仍然有不少的挑戰。這包括如何設計和製造具有高解析度的微型機器人，如何以生物無害和廉價的材料製造微型機器人，以及如何將微型機器人實際用於醫療應用上。
本研究的總體目標是開發一種基於三維列印的微型醫療機器人，並將開發出的微型機器人用於眼科治療中，滿足實際應用的需求。在與香港中文大學醫學院眼科學與視覺科學系的共同努力下，我們提出了一種創新的三維微型列印方法，可以製造出多種微型機器人，從而用於眼科治療的微創臨床應用。三維列印的微型機器人具有多種特性，包括可調節的設計、優異的生物相容性、可生物降解性等等。此外，我們還計劃開發一種配合眼科臨床影像工具的磁場驅動系統，用於跟蹤和控制鼻淚管和眼球中的微型機器人。在進行生物體外和動物體內的可行性研究後，我們與醫學院夥伴期望建立一種基於微型機器人的眼科治療手段。總體而言，本計劃中三維列印機是本聯合實驗室的關鍵設備，與其九個研究項目直接相關。
我們預計本聯合實驗室的研究將能實現微型機器人在眼科治療中的實際應用。本項目研發的先進技術和成果將為香港和中國內地作出重要貢獻，尤其是在醫療機械人和微創治療領域。
聯合實驗室名稱：微電子聯合實驗室
項目統籌者：潘永安教授（科大）
摘要
由香港科技大學（HKUST）納米系統製造實驗所（NFF）與中國科學院微電子研究所（IMECAS）共同建立的微電子聯合實驗室申請購買一臺先進的用於化合物半導體刻蝕的電感耦合等離子體（ICP）蝕刻設備。該設備的購置和安裝將顯著提高聯合實驗室加工相關化合物半導體的能力，包括氮化鎵（GaN），砷化鎵（GaAs），磷化銦（InP）和銻化銦（InSb）等材料。新的刻蝕設備將為香港和粵港澳大灣區（GBA）的半導體微電子/光子學領域的研究提供更先進的設備支持，並將很好地與北京IMECAS的基礎設施形成互補。
化合物半導體，特別是III-V族化合物半導體，有很多不同的材料組合，帶隙和材料特性。它們被廣泛用於不同的領域，例如大功率電子器件，高頻器件，發光二極管（LED），激光光源，光學放大器，光開關和調製器，光電探測器和集成量子光源等。它們都是現在及未來高科技發展的重要材料，可用於節能系統，下一代信息技術和通信，人工智能（AI），用於自動化和環境監測的固態傳感器，以及量子技術等。這些器件重量輕，結構緊湊，沒有移動部件，可以異質集成到硅基微/納系統中，所以在晶圓製造行業具有巨大的潛在效益。
在微/納系統製造過程中，一個非常重要的工藝步驟是通過乾法蝕刻將器件圖案轉移到化合物半導體。本申請所提出的用於化合物半導體刻蝕的ICP蝕刻系統能夠滿足上述各種應用的工藝要求。該設備具有高蝕刻速率，高深寬比，高選擇性和低側壁粗糙度。新設備將安裝在NFF潔淨室中，與現有的 ICP蝕刻機同時運行，用於化合物半導體器件製備。兩臺蝕刻設備將會分開處理不同的材料，從而減小不同材料引起的交叉污染。我們將以更加有效和可靠的方式為相關領域的研究及創新工作提供設備支持。本申請提出的設備也將進一步促進香港與中科院之間的研究合作。
聯合實驗室名稱：三亞海洋科學綜合(聯合)實驗室
項目統籌者：錢培元教授（科大）
摘要
珊瑚礁哺育了各種各樣的海洋生物。但近些年來，由於全球氣候變暖、過度捕撈、海洋酸化等原因，導致被喻為“海底熱帶雨林”的珊瑚礁急劇退化。珊瑚微生物是維持珊瑚礁生態系統不可缺少的重要組成成分之一。藻類與珊瑚共生，通過光合作用為珊瑚提供氧氣。一些珊瑚中的細菌能夠參與珊瑚礁生態系統的能量循環，並且幫助宿主抵禦致病菌的侵害。香港區域的珊瑚位於全球珊瑚礁分布的邊緣區域，之前的研究表明，本區域珊瑚具有很強的適應性。在過去的五年中，我們與中國科學院南海海洋研究所的黃輝教授，及中國科學院深海科學與工程研究所的謝強教授合作，研究了南海區域內珊瑚與微生物的共生關係。這一聯合研究由NSFC-廣東聯合基金重點研究項目資助，由於其卓越的研究成果，該項目在結題時被NSFC評定為優秀項目。在此，我們擬繼續深化雙方的合作，重點關注南海海域中不同地域的珊瑚在環境壓力下的適應性，並從分子生物學角度闡明其適應機制。為此，我們計劃利用香港科技大學海岸海洋實驗室（CML）優越的海水系統，在CML中建立小規模的圍隔生態系統。聯合實驗室在三亞曾擁有過類似設施，但在去年秋天被颱風損毀，内地最近將資助其重建。為了測試該系統的使用效率，我們將在香港及三亞利用南海海域內（包括香港）相同品種的珊瑚開展平行實驗。這一系統同樣可以用於研究環境壓力（特別是溫度和CO2）對香港其他海洋生物的影響。通過這一圍隔生態系統，香港的海洋科學家將來可以在可控實驗條件下研究珊瑚共生關係的形成、變化及功能，為比較實驗室實驗與自然環境下的實驗（野外觀測）構建橋梁。
聯合實驗室名稱：深港生物材料聯合實驗室
項目統籌者：呂維加教授（港大）
摘要
世界人口在老化。到2050年超60歲的人口將佔世界總人口的22%。香港政府統計處的資料顯示到2064年大於等於65歲的人口比例將由15%急劇上升至36%。跟老齡化相關的骨質疏鬆症極易導致骨折。大量花費被用於骨折病人的手術和術後康復。美國在2005年用於骨折的醫護費是170億美元，而香港在2017年用於髖部骨折的醫療費為5,200萬港元，而且這一數字在未來10-20年還將繼續上升。這些花費給病人、家庭、醫療系統和社會帶來了沉重的經濟負擔和醫護負擔。
因此，我們團隊（深港生物材料聯合實驗室）多年來一直致力於應用於骨折治療的生物活性材料的研發。我們和合作實驗室緊密合作而有了高水準的產出，因此被評為2018年中國科學院優秀實驗室。為了在骨質疏鬆的功能性骨再生方面有更深入的研究產出，我們致力於：1) 建立用於老年性骨折治療的生物活性材料的研發和評價技術平臺；2) 研究利用CT骨礦物質分析系統分析用於動物的生物材料的功效；3)通過利用上述動物身上獲得資料來準備後期的臨床試驗和產品；4) 服務於粵港澳大灣區。
本研發平臺將利用我們的科研知識和資源的協同作用來達到目標。我們將致力於高水準的科研，而且更重要的是致力於研發有效的治療策略來達到骨折病人的功能性骨修復目標。最終我們的功能性生物材料將有利於病人和社會，有效減輕本地，大灣區，乃至全球的醫療及社會經濟負擔。
聯合實驗室名稱：功能材料與器件聯合實驗室
項目統籌者：李振聲教授（城大）
摘要
螢光生物成像是一種強有力的、非侵入式、非電離輻射以及非破壞性的技術，這種技術可以對疾病尤其是對腫瘤進行定量化的診斷、靶向以及監測。然而，該類傳統技術被局限用於薄層樣品或者組織（~1mm）。紫外-可見-紅外光（250-900nm）具有有限的穿透深度迫使深層細胞和組織的光學技術仍舉步維艱。總所周知，短波紅外區（900-1700nm）的螢光成像可大幅提升螢光成像的分辨率（超過100倍）並且達到厘米級別的穿透深度。然而，與可見光區域的探針相比，短波紅外波段內高效的螢光探針仍然十分稀缺。除了在材料設計以及合成方面挑戰之外，另一個重大難題是可配套短波紅外探針表征活體生物學行為的設備也很相當有限。目前香港地區還沒有可用的短波紅外成像設備，該類儀器在中國的數量也不超過10台。因此，當務之急是需在香港配置短波紅外螢光設備進行高分辨成像的深層的細胞和組織活體成像。該短波紅外設備不僅將強有力地支持聯合實驗室的研究工作，並將有助於香港地區的生物醫學成像領域研究工作者。
功能材料與器件聯合實驗室研究團隊具有多學科交叉研究的經驗，團隊將利用提議中的成像系統表征和發展具有高量子效率的短波紅外螢光探針用於活體內腫瘤組織、免疫反應等高分辨監測和診斷。長遠來看，該短波紅外成像和光譜系統將會成為需要對深處細胞、組織以及小動物進行高分辨生物成像的香港研究人員一個重要的表征設備。
聯合實驗室名稱：中子散射科學技術聯合實驗室
項目統籌者：王循理教授（城大）
摘要
作為全國最大的科學設施之一，位於香港以北約70公里的東莞的中國散裂中子源（CSNS）旨在成為世界一流的多學科研究中心，包括物理，化學，生物，材料科學和材料工程等。位於同一個粵港澳大灣地區的香港科學界將是CSNS的直接受益者之一。另一方面，香港科學界，利用其在材料科學和生物醫學等方面的悠久傳統，可以積極推動CSNS從一個建築項目逐漸過渡到一個大型科學設施。
本項目旨在加強香港聯合實驗室的研究基礎設施，以利用CSNS最先進的中子源。我們計劃利用中子散射的獨特特徵 - 對同位素的敏感性，通過使用同位素替代來實現精確的結構確定。通過利用中子散射長度與同位素的大對比度，中子散射可以提供前所未有的結構見解。例如，在由較輕原子構成的複雜有機材料中，通過常規方法（如X射線散射或電子顯微鏡）難以區分，可以採用同位素取代來標記特定的原子或分子，以增強散射對比度，從而實現對結構的精確識別。
CSNS現有三條光束線向用戶開放：用於晶體學和材料科學研究的通用粉末衍射（GPPD），用於聚合物和生物分子等大尺度結構的小角度中子散射儀（SANS）和用於薄膜測量的中子反射儀（MPR）。基於這三條光束線的功能，我們建議研究以下技術上重要的材料：1）高熵合金； 2）無定形金屬玻璃； 3）有機光伏材料； 4）鈣鈦礦鹵化物光電材料。使用同位素取代的樣品進行的測量是獨特的，並將展示中子散射和CSNS的效用。
該項目將建立一個功能材料的樣品同位素標記平台，開發基本中子散射數據分析方案以及培養有經驗的中子用戶。更重要的是，它將向潛在的香港用戶展示CSNS的能力，促進充滿活力的香港中子散射用戶群的發展。
聯合實驗室名稱：光伏太陽能聯合實驗室
項目統籌者：肖旭東教授（中大）
摘要
黃銅礦和硫銅錫鋅礦基半導體，由於其合適的能帶、較強的光吸收、以及與其他電池材料相比（例如，鈣鈦礦材料）在工作溫度下擁有更優越的穩定性，因此，是一類非常重要的光伏太陽能電池材料。其中，銅銦鎵硒（CIGS）和銅鋅錫硫（CZTS）就是其典型代表。它們不僅可以以薄膜的形式生產，而且可以在輕薄可捲曲的柔性基板上生產。目前CIGS的光電轉換效率記錄為23.35%，高於多晶矽太陽能電池的記錄。CZTS的光電轉換效率約為11%。改善CZTS材料的最大瓶頸是其中的金屬元素濃度波動引起的有害二次物相。雖然CIGS太陽能電池的性能已經很好，但在表面處理、體相成分梯度工程和體相缺陷控制方面的研究依然非常活躍。為進一步提高此類電池的性能仍然需要不斷的努力。
子曰，“工欲善其事，必先利其器”。為了實現CIGS和CZTS太陽能電池的新工藝，我們必須加強實驗室的基礎設施，然而我們實驗室的設施大部分是十年前建成的。只有配備合適優良的設備，才能實現吸收層生長和器件製造的能力及其可控性。
在本項目中，我們計劃：（1）利用電子碰撞發射光譜（EIES）系統升級製造系統，從而原位監測選定元素的沉積速率；（2）增加一些高溫坩堝，以提高沉積材料的能力，從而可以修飾吸收層的體相和表面。
有EIES系統的加入，我們的生長系統，包括CIGS以及CZTS吸收層，將具有更高的組分精度、更高的重複性和更高的產率。有更多坩堝的添加，我們將可以沉積KF、RbF或CsF來用於CIGS表面改性和CZTS晶界鈍化，以及沉積Ag用於CIGS本體改性，來實現寬帶隙CIGS製備的新思路。
聯合實驗室名稱：化學地球動力學聯合實驗室
項目統籌者：孫敏教授（港大）
摘要
由於鋯石具有抵抗風化和蝕變的特性並含有相對較高的鈾和鉿，成為同位素定年和地球化學示踪最有用的礦物，用於研究岩漿起源，地幔過程，地殼增長，古大陸格局重建等科學問題。目前常用的方法是鈾鉛和鑥鉿同位素測試在不同的激光剝蝕點分別進行。但是儘管鋯石十分細小（大多小於100微米），仍然常有不均勻的組成（尤其是變質鋯石），即鋯石的不同部分可能有不同的成因，因此把不同的分析點分別獲得的鈾鉛和鑥鉿同位素放在一起可能會導致錯誤的科學解釋。此項目將建立一個新的的激光分流技術，同時分析一個激光剝蝕點的鈾鉛和鑥鉿同位素組成，這會保障我們實驗室立於相關研究的前沿領域。
聯合實驗室名稱：新材料合成和檢測聯合實驗室
項目統籌者：支志明教授（港大）
摘要
香港大學-中科院新材料合成和檢測聯合實驗室致力於開發可用於光化學能轉換、光化學器件和材料科學的新光功能分子和化合物。本研究項目涉及合成化學、光化學和激發態動力學，研究體系包括大分子發光聚合物、光捕獲有機分子、生物有機-無機催化界面等。隨著與香港大學新的研究人員合作，研究範圍將擴展到有機-無機複合超分子體系、異相光催化和光化學器件。
我們將通過多學科交叉研究，開發光電子性質和光物理功能可調的新型發光材料，並用於光化學能轉換和傳感。我們將從機理上深入研究催化劑和催化表面吸收光以後，如何進一步驅動具有選擇性的複雜化學反應，而這將使用本項目建立的超快時間分辨吸收和發射光譜技術，來研究光激發產生的短壽命物種的動力學和反應特性。另一方面，聯合實驗室將研究非貴金屬配合物、有機-無機複合膠體、複合雙層膜等新材料的激發態性質，研究溶劑極性和底物對其激發態的影響規律對於新型能源材料的設計非常關鍵。我們也將進一步開發超分子聚合物等新材料。通過這些研究，有望直接利用太陽能激發產生高能量的電子激發態或者電子-空穴對，進而反應生成易於運輸的燃料，將非連續的可再生能源儲存起來，以可持續的方式提供能源。
聯合實驗室在高效磷光材料方面已經取得了突出的成果，而未來的工作將在可用於綠色可持續化學能源的功能金屬有機層狀結構和新的電極材料方面帶來新的設計和知識。通過合成化學與材料科學之間的協同作用，將推動香港大學和中國科學院將創新理念變為現實，在全球舞台上取得技術領先優勢。