联合实验室名称：纳米材料与力学联合实验室
项目统筹者：吕坚教授（城大）
摘要
于2008年，在裘槎基金的支持下，纳米材料与力学联合实验室正式成立。在2018年，于一项评估中国科学院和香港学术机关联合建立的实验室的研究表现的报告中，我们被认可为四间“卓越联合实验室”之一。这个项目是一个综合未来发展的关键设备为更有成效的合作奠定基础。
打破形状由生产而来的局限和达到应用要求的材料性能一直都是不同领域的材料研究员和工程师所追求的目标。在这个项目，我们将运用一个有系统的方法以生产具有不同机械性能并适合应用于生物医学和轻量级结构的3D列印品。我们首先将建设一个2/3/4D增材制造系统来制造金属基底的材料（例如：钛基﹣﹣它被广泛应用在生物医学和轻量级结构上），并测试打印材料的机械性能。对应不同的应用，不同的零件要具备不同的机械性能来应付要求；我们会把在发明4D打印技术（已刋登在SCIENCE ADVANCES期刋）时所获得的知识和技术应用在[1]制造表面纳米材料； [2] 制备超纳材料（已刋登在NATURE期刋）； 和[3] 对3D列印品进行后处理以进一步提高它们的机械性能来应付应用上的需要。在项目的后期，我们最终会配合不同的后期处理以制造出有不同结构、机械特性和应用潜力的金属列印品，将有助发展高耐磨性、轻盈而高强度的医疗植入物。这项目的成果将促进发展高耐磨性和高强度的轻量级医疗植入物，有望可用于社会。
这项目的研究内容由3项主要任务组成： (1)建设2/3/4D金属材料增材制造系统和测试打印材料的机械性能； (2)研究后期处理（例如：表面机械磨研技术和物理气相沉积技术）对列印品的机械性能的影响； (3)研究项目中建设的设备所制作的列印品的潜在应用。
联合实验室名称：机器人学联合实验室
项目统筹者：李文荣教授（城大）
摘要
3D电路打印技术是开发新一代先进传感与机器人执行系统的基础技术。此项技术将电路与各种机械性能优异的新型功能材料以复杂的几何结构融为一体，并结合多材料三维打印等其他新型数字、机械制造技术，研究人员将能实现自组加工，进而制造出机械结构更加复杂的机器人执行器。多材料三维打印利用多种不同刚度梯度的软材料直接打印机器人零件，能够避免复杂的成型技术或装配步骤。此外，针对特定的功能实现，多材料三维打印机通过引入新一代的定制材料和功能，将可以直接制造四维执行器——这种机器人执行器将具备应激性，自变形性及嵌入式可编程等特性。
中科院-香港机器人学联合实验室将利用世界领先的电子产品精密增材制造系统，开发下一代三维传感系统并开展四维机器人执行器方面的前沿研究。我们通过对该系统的进一步改进，先进的传感及导电材料（如氧化石墨烯、碳纳米管及其他纳米材料）也将能嵌入到三维机械结构中。这些纳米材料通常保存在液体溶液中，以往只能通过传统的MEMS（微机电系统）制造技术，如光刻和刻蚀来制造。但通过三维直接打印和可变形材料技术，传感/电路原型设计及开发成本都将会降低，研发时间将会更短。
我们的团队将在香港城市大学（CityU）安放并使用这台电子产品精密增材制造系统，与沈阳自动化研究所联合实验室共享该设备。在确保系统运作稳定和规范操作流程（包括安全指引）后，我们将最终与城大及其他香港院校的研究人员共同使用本系统。在为期两年的项目结束时，我们将演示由该系统制造的若干集成传感及执行装置，包括：(1)用于跟踪小鼠运动的注射式“运动传感胶囊”；(2)用于物联网球形机器人的集成天线；(3)用于生物融合机器人的细胞-电-刺激阵列；(4)基于生物融合的细胞执行器。
联合实验室名称：机器人与智慧系统联合实验室
项目统筹者：张立教授（中大）
摘要
毫米/微米/纳米尺寸的微型机器人具有可控的运动能力和多种不同的功能，在微创医学上很有前景，特别是靶向治疗和微型外科手术。现今的研究中，已有各种驱动和控制微型机器人运动的策略。在生物医学体内应用中，磁场被认为是最有前途的工具之一。低强度磁场对生物细胞和组织无害，并且可以多自由度和高精度地遥距驱动微型机器人。
到目前为止，虽然磁控微型机器人已经被广泛研究，其制造技术亦有很好的发展，不过当中仍然有不少的挑战。这包括如何设计和制造具有高解析度的微型机器人，如何以生物无害和廉价的材料制造微型机器人，以及如何将微型机器人实际用于医疗应用上。
本研究的总体目标是开发一种基于三维列印的微型医疗机器人，并将开发出的微型机器人用于眼科治疗中，满足实际应用的需求。在与香港中文大学医学院眼科学与视觉科学系的共同努力下，我们提出了一种创新的三维微型列印方法，可以制造出多种微型机器人，从而用于眼科治疗的微创临床应用。三维列印的微型机器人具有多种特性，包括可调节的设计、优异的生物相容性、可生物降解性等等。此外，我们还计划开发一种配合眼科临床影像工具的磁场驱动系统，用于跟踪和控制鼻泪管和眼球中的微型机器人。在进行生物体外和动物体内的可行性研究后，我们与医学院伙伴期望建立一种基于微型机器人的眼科治疗手段。总体而言，本计划中三维列印机是本联合实验室的关键设备，与其九个研究项目直接相关。
我们预计本联合实验室的研究将能实现微型机器人在眼科治疗中的实际应用。本项目研发的先进技术和成果将为香港和中国内地作出重要贡献，尤其是在医疗机械人和微创治疗领域。
联合实验室名称：微电子联合实验室
项目统筹者：潘永安教授（科大）
摘要
由香港科技大学（HKUST）纳米系统制造实验所（NFF）与中国科学院微电子研究所（IMECAS）共同建立的微电子联合实验室申请购买一台先进的用于化合物半导体刻蚀的电感耦合等离子体（ICP）蚀刻设备。该设备的购置和安装将显著提高联合实验室加工相关化合物半导体的能力，包括氮化镓（GaN），砷化镓（GaAs），磷化铟（InP）和锑化铟（InSb）等材料。新的刻蚀设备将为香港和粤港澳大湾区（GBA）的半导体微电子/光子学领域的研究提供更先进的设备支持，并将很好地与北京IMECAS的基础设施形成互补。
化合物半导体，特别是III-V族化合物半导体，有很多不同的材料组合，带隙和材料特性。它们被广泛用于不同的领域，例如大功率电子器件，高频器件，发光二极管（LED），激光光源，光学放大器，光开关和调制器，光电探测器和集成量子光源等。它们都是现在及未来高科技发展的重要材料，可用于节能系统，下一代信息技术和通信，人工智能（AI），用于自动化和环境监测的固态传感器，以及量子技术等。这些器件重量轻，结构紧凑，没有移动部件，可以异质集成到硅基微/纳系统中，所以在晶圆制造行业具有巨大的潜在效益。
在微/纳系统制造过程中，一个非常重要的工艺步骤是通过干法蚀刻将器件图案转移到化合物半导体。本申请所提出的用于化合物半导体刻蚀的ICP蚀刻系统能够满足上述各种应用的工艺要求。该设备具有高蚀刻速率，高深宽比，高选择性和低侧壁粗糙度。新设备将安装在NFF洁净室中，与现有的 ICP蚀刻机同时运行，用于化合物半导体器件制备。两台蚀刻设备将会分开处理不同的材料，从而减小不同材料引起的交叉污染。我们将以更加有效和可靠的方式为相关领域的研究及创新工作提供设备支持。本申请提出的设备也将进一步促进香港与中科院之间的研究合作。
联合实验室名称：三亚海洋科学综合(联合)实验室
项目统筹者：钱培元教授（科大）
摘要
珊瑚礁哺育了各种各样的海洋生物。但近些年来，由于全球气候变暖、过度捕捞、海洋酸化等原因，导致被喻为“海底热带雨林”的珊瑚礁急剧退化。珊瑚微生物是维持珊瑚礁生态系统不可缺少的重要组成成分之一。藻类与珊瑚共生，通过光合作用为珊瑚提供氧气。一些珊瑚中的细菌能够参与珊瑚礁生态系统的能量循环，并且帮助宿主抵御致病菌的侵害。香港区域的珊瑚位于全球珊瑚礁分布的边缘区域，之前的研究表明，本区域珊瑚具有很强的适应性。在过去的五年中，我们与中国科学院南海海洋研究所的黄辉教授，及中国科学院深海科学与工程研究所的谢强教授合作，研究了南海区域内珊瑚与微生物的共生关系。这一联合研究由NSFC-广东联合基金重点研究项目资助，由于其卓越的研究成果，该项目在结题时被NSFC评定为优秀项目。在此，我们拟继续深化双方的合作，重点关注南海海域中不同地域的珊瑚在环境压力下的适应性，并从分子生物学角度阐明其适应机制。为此，我们计划利用香港科技大学海岸海洋实验室（CML）优越的海水系统，在CML中建立小规模的围隔生态系统。联合实验室在三亚曾拥有过类似设施，但在去年秋天被台风损毁，内地最近将资助其重建。为了测试该系统的使用效率，我们将在香港及三亚利用南海海域内（包括香港）相同品种的珊瑚开展平行实验。这一系统同样可以用于研究环境压力（特别是温度和CO2）对香港其他海洋生物的影响。通过这一围隔生态系统，香港的海洋科学家将来可以在可控实验条件下研究珊瑚共生关系的形成、变化及功能，为比较实验室实验与自然环境下的实验（野外观测）构建桥梁。
联合实验室名称：深港生物材料联合实验室
项目统筹者：吕维加教授（港大）
摘要
世界人口在老化。到2050年超60岁的人口将占世界总人口的22%。香港政府统计处的数据显示到2064年大于等于65岁的人口比例将由15%急剧上升至36%。跟老龄化相关的骨质疏松症极易导致骨折。大量花费被用于骨折病人的手术和术后康复。美国在2005年用于骨折的医护费是170亿美元，而香港在2017年用于髋部骨折的医疗费为5,200万港元，而且这一数字在未来10-20年还将继续上升。这些花费给病人、家庭、医疗系统和社会带来了沉重的经济负担和医护负担。
因此，我们团队（深港生物材料联合实验室）多年来一直致力于应用于骨折治疗的生物活性材料的研发。我们和合作实验室紧密合作而有了高水准的产出，因此被评为2018年中国科学院优秀实验室。为了在骨质疏松的功能性骨再生方面有更深入的研究产出，我们致力于：1) 建立用于老年性骨折治疗的生物活性材料的研发和评价技术平台；2) 研究利用CT骨矿物质分析系统分析用于动物的生物材料的功效；3)通过利用上述动物身上获得数据来准备后期的临床试验和产品；4) 服务于粤港澳大湾区。
本研发平台将利用我们的科研知识和资源的协同作用来达到目标。我们将致力于高水准的科研，而且更重要的是致力于研发有效的治疗策略来达到骨折病人的功能性骨修复目标。最终我们的功能性生物材料将有利于病人和社会，有效减轻本地，大湾区，乃至全球的医疗及社会经济负担。
联合实验室名称：功能材料与器件联合实验室
项目统筹者：李振声教授（城大）
摘要
萤光生物成像是一种强有力的、非侵入式、非电离辐射以及非破坏性的技术，这种技术可以对疾病尤其是对肿瘤进行定量化的诊断、靶向以及监测。然而，该类传统技术被局限用于薄层样品或者组织（~1mm）。紫外-可见-红外光（250-900nm）具有有限的穿透深度迫使深层细胞和组织的光学技术仍举步维艰。总所周知，短波红外区（900-1700nm）的萤光成像可大幅提升萤光成像的分辨率（超过100倍）并且达到厘米级别的穿透深度。然而，与可见光区域的探针相比，短波红外波段内高效的萤光探针仍然十分稀缺。除了在材料设计以及合成方面挑战之外，另一个重大难题是可配套短波红外探针表征活体生物学行为的设备也很相当有限。目前香港地区还没有可用的短波红外成像设备，该类仪器在中国的数量也不超过10台。因此，当务之急是需在香港配置短波红外萤光设备进行高分辨成像的深层的细胞和组织活体成像。该短波红外设备不仅将强有力地支持联合实验室的研究工作，并将有助于香港地区的生物医学成像领域研究工作者。
功能材料与器件联合实验室研究团队具有多学科交叉研究的经验，团队将利用提议中的成像系统表征和发展具有高量子效率的短波红外萤光探针用于活体内肿瘤组织、免疫反应等高分辨监测和诊断。长远来看，该短波红外成像和光谱系统将会成为需要对深处细胞、组织以及小动物进行高分辨生物成像的香港研究人员一个重要的表征设备。
联合实验室名称：中子散射科学技术联合实验室
项目统筹者：王循理教授（城大）
摘要
作为全国最大的科学设施之一，位于香港以北约70公里的东莞的中国散裂中子源（CSNS）旨在成为世界一流的多学科研究中心，包括物理，化学，生物，材料科学和材料工程等。位于同一个粤港澳大湾地区的香港科学界将是CSNS的直接受益者之一。另一方面，香港科学界，利用其在材料科学和生物医学等方面的悠久传统，可以积极推动CSNS从一个建筑项目逐渐过渡到一个大型科学设施。
本项目旨在加强香港联合实验室的研究基础设施，以利用CSNS最先进的中子源。我们计划利用中子散射的独特特征 - 对同位素的敏感性，通过使用同位素替代来实现精确的结构确定。通过利用中子散射长度与同位素的大对比度，中子散射可以提供前所未有的结构见解。例如，在由较轻原子构成的复杂有机材料中，通过常规方法（如X射线散射或电子显微镜）难以区分，可以采用同位素取代来标记特定的原子或分子，以增强散射对比度，从而实现对结构的精确识别。
CSNS现有三条光束线向用户开放：用于晶体学和材料科学研究的通用粉末衍射（GPPD），用于聚合物和生物分子等大尺度结构的小角度中子散射仪（SANS）和用于薄膜测量的中子反射仪（MPR）。基于这三条光束线的功能，我们建议研究以下技术上重要的材料：1）高熵合金； 2）无定形金属玻璃； 3）有机光伏材料； 4）钙钛矿卤化物光电材料。使用同位素取代的样品进行的测量是独特的，并将展示中子散射和CSNS的效用。
该项目将建立一个功能材料的样品同位素标记平台，开发基本中子散射数据分析方案以及培养有经验的中子用户。更重要的是，它将向潜在的香港用户展示CSNS的能力，促进充满活力的香港中子散射用户群的发展。
联合实验室名称：光伏太阳能联合实验室
项目统筹者：肖旭东教授（中大）
摘要
黄铜矿和硫铜锡锌矿基半导体，由于其合适的能带、较强的光吸收、以及与其他电池材料相比（例如，钙钛矿材料）在工作温度下拥有更优越的稳定性，因此，是一类非常重要的光伏太阳能电池材料。其中，铜铟镓硒（CIGS）和铜锌锡硫（CZTS）就是其典型代表。它们不仅可以以薄膜的形式生产，而且可以在轻薄可卷曲的柔性基板上生产。目前CIGS的光电转换效率记录为23.35%，高于多晶矽太阳能电池的记录。CZTS的光电转换效率约为11%。改善CZTS材料的最大瓶颈是其中的金属元素浓度波动引起的有害二次物相。虽然CIGS太阳能电池的性能已经很好，但在表面处理、体相成分梯度工程和体相缺陷控制方面的研究依然非常活跃。为进一步提高此类电池的性能仍然需要不断的努力。
子曰，“工欲善其事，必先利其器”。为了实现CIGS和CZTS太阳能电池的新工艺，我们必须加强实验室的基础设施，然而我们实验室的设施大部分是十年前建成的。只有配备合适优良的设备，才能实现吸收层生长和器件制造的能力及其可控性。
在本项目中，我们计划：（1）利用电子碰撞发射光谱（EIES）系统升级制造系统，从而原位监测选定元素的沉积速率；（2）增加一些高温坩埚，以提高沉积材料的能力，从而可以修饰吸收层的体相和表面。
有EIES系统的加入，我们的生长系统，包括CIGS以及CZTS吸收层，将具有更高的组分精度、更高的重复性和更高的产率。有更多坩埚的添加，我们将可以沉积KF、RbF或CsF来用于CIGS表面改性和CZTS晶界钝化，以及沉积Ag用于CIGS本体改性，来实现宽带隙CIGS制备的新思路。
联合实验室名称：化学地球动力学联合实验室
项目统筹者：孙敏教授（港大）
摘要
由于锆石具有抵抗风化和蚀变的特性并含有相对较高的铀和铪，成为同位素定年和地球化学示踪最有用的矿物，用于研究岩浆起源，地幔过程，地壳增长，古大陆格局重建等科学问题。目前常用的方法是铀铅和镥铪同位素测试在不同的激光剥蚀点分别进行。但是尽管锆石十分细小（大多小于100微米），仍然常有不均匀的组成（尤其是变质锆石），即锆石的不同部分可能有不同的成因，因此把不同的分析点分别获得的铀铅和镥铪同位素放在一起可能会导致错误的科学解释。此项目将建立一个新的的激光分流技术，同时分析一个激光剥蚀点的铀铅和镥铪同位素组成，这会保障我们实验室立于相关研究的前沿领域。
联合实验室名称：新材料合成和检测联合实验室
项目统筹者：支志明教授（港大）
摘要
香港大学-中科院新材料合成和检测联合实验室致力于开发可用于光化学能转换、光化学器件和材料科学的新光功能分子和化合物。本研究项目涉及合成化学、光化学和激发态动力学，研究体系包括大分子发光聚合物、光捕获有机分子、生物有机-无机催化界面等。随着与香港大学新的研究人员合作，研究范围将扩展到有机-无机复合超分子体系、异相光催化和光化学器件。
我们将通过多学科交叉研究，开发光电子性质和光物理功能可调的新型发光材料，并用于光化学能转换和传感。我们将从机理上深入研究催化剂和催化表面吸收光以后，如何进一步驱动具有选择性的复杂化学反应，而这将使用本项目建立的超快时间分辨吸收和发射光谱技术，来研究光激发产生的短寿命物种的动力学和反应特性。另一方面，联合实验室将研究非贵金属配合物、有机-无机复合胶体、复合双层膜等新材料的激发态性质，研究溶剂极性和底物对其激发态的影响规律对于新型能源材料的设计非常关键。我们也将进一步开发超分子聚合物等新材料。通过这些研究，有望直接利用太阳能激发产生高能量的电子激发态或者电子-空穴对，进而反应生成易于运输的燃料，将非连续的可再生能源储存起来，以可持续的方式提供能源。
联合实验室在高效磷光材料方面已经取得了突出的成果，而未来的工作将在可用于绿色可持续化学能源的功能金属有机层状结构和新的电极材料方面带来新的设计和知识。通过合成化学与材料科学之间的协同作用，将推动香港大学和中国科学院将创新理念变为现实，在全球舞台上取得技术领先优势。