分子电子学（moletronics）是用分子作为单元对分子电子学器件进行装配。这是一个包含物理、化学、材料科学及工程等学科的多学科交叉领域。分子电子学致力于使硅元件尺寸进一步减小。科学家已经在等效分子器件方面进行了诸多探索性研究。分子电子学在电子以及光子应用中逐渐产生影响，如导电聚合物、光色材料、有机超导体、电致变色材料等。为了满足减小硅片尺寸的需求，研究人员有必要将这种新型技术引入到分子层面。虽然分子层面仪器的实验验证和建模分析是一项艰巨的任务，但分子电子学领域依然出现了突破性进展。本文将对不同分子器件和潜在的适用于不同器件的分子应用结合起来进行讨论，如分子晶体管、分子二极管、分子电容、分子导线和分子绝缘体等。本文简要讨论未来的发展趋势以及介绍各种基于石墨烯已取得一定研究成果的分子仪器。
绝对距离测量技术是动态和大范围空间测量的核心。新兴的双光梳测距系统可以利用其相位分辨能力和频率准确性实现高精度及快速距离测量。利用两台相干的光频梳，双光梳测距系统能够实现时间信息和相位信息的快速响应，突破了传统测距系统中的响应带宽、非模糊距离、动态测量等方面的限制。本文介绍了双光梳测距系统，总结归纳了实现该测距系统的关键技术。随着光频梳技术的发展和成熟，双光梳测距系统将有希望展开各种专业应用。
超短脉冲激光在材料加工方面具有独特的优势。其对焦点之外区域的热影响效应非常有限，使超短脉冲激光可被应用于微米甚至纳米尺寸的精密加工。另外，非线性多光子效应使超短脉冲激光可以加工多种透明材料，包括玻璃以及透明高分子材料。基于这些特点，我们利用激光直写技术在高分子衬底上成功制造出了具有三维（3D）结构的高性能微型超级电容器（MSC），在0.1 mA·cm–2的电流密度下表现出42.6 mF·cm–2的峰值比电容。同时，也制造出了可用于探测多种'味道'的柔性传感器阵列。对传感器电极表面进行了不同的处理，如镀金、沉降氧化石墨烯（rGO）以及沉积聚苯胺（PANI）。通过对采集的数据进行主成分分析（PCA），这一传感器阵列可以成功地检测出样品内的不同物质。另外，在3D 结构玻璃微流体通道内由全飞秒激光加工出了具有2D周期性结构的纳米金属表面，可用于实时表面增强拉曼散射（SERS）的检测。全飞秒激光加工过程包括激光烧蚀、激光还原和激光诱导表面纳米工程。这些工作证明了超短脉冲激光在表面精密加工中的巨大潜力。
本文提出了一种基于原子力显微镜（AFM）探针的加工技术制备周期性纳米结构的方法，该方法通过将加工得到的沟槽形貌和沟槽边缘的材料堆积形貌相结合得到周期性纳米结构。研究发现控制相邻沟槽的间距是保证周期性纳米结构质量的重要因素。实验结果表明，当相邻刻划轨迹间的进给量值等于单个沟槽两侧材料堆积峰值间的宽度时，可以通过本方法加工得到较高质量的周期性结构。加工得到的纳米结构周期性可以通过一维和二维快速傅里叶变换（FFT）算法进行评价。在检测得到周期结构的AFM 图像中，取其截面进行FFT并将幅频特性曲线归一化，在幅频特性曲线中用峰值部分面积与总体面积的比值来定量分析纳米结构的周期性。最后，对加工得到的周期性纳米结构产生的颜色化效应进行了研究，证明了其在防伪以及金属传感等领域有潜在的应用价值。
本文研究开发了一种用于牙模三维（3D）重建的双平台激光扫描仪，结合平移和旋转平台用于实现对被测物的完整扫描。提出了一种自动标定法，通过设计一个阶梯状标定靶进行平移标定，再通过一个辅助图案完成旋转标定，整个过程只需要放置标定块和粘贴辅助图案，其他步骤编程完成，简化标定步骤；提出了一种神经网络混合模型的标定算法，将有模型标定法和直接标定法相结合，实现高精度标定。通过实验对本系统及所提出的标定方法的有效性进行了验证，并将其应用于典型牙模的测量。结果表明，研究开发的扫描仪可以应用于牙模以及工程领域中不规则物体形貌的3D测量。
在本文中，笔者采用皮秒激光来制造Stavax钢基板的表面纹理，此钢基板为制造各种高分子聚合物产品模具的关键材料。在Stavax 钢基板上主要有3种类型的表面纹理：周期性波纹、微凸块的双尺度分层二维阵列以及有纳米波纹的微坑阵列。经激光处理后的Stavax钢基板表面的润湿性从其原始的亲水性转变为疏水性，甚至在暴露于空气后具有超疏水性。研究结果清晰地表明，此超疏水性主要是由于表面纹理造成的。超快激光诱导的催化效果可能在改变表面化学性质方面起到次要作用，从而降低了表面能。随后，将金属磨具表面上的经激光处理的表面纹理通过高分子聚合物注射成型工艺复制到聚丙烯基底。由此，聚丙烯模具表面的润湿性从原始的亲水性变成疏水性。此开发工艺在改善塑料制品的湿润控制性和易清洗性方面具有一定潜能。
金属医用材料以其高强度、强抗断性、优良的导电性和良好的生物相容性等特点，在医疗器械中日益得到广泛应用。但金属医用材料表面生物性能的不足在很大程度上限制了其进一步的应用。激光微加工是一种增强材料表面性能的先进技术，本文系统验证、展示激光微加工医用金属生物材料镁合金和钛合金的可行性，阐述其在细胞黏附和液体活检的应用前景。本文研究激光与材料的相互作用、材料微结构演化和表面性能，分析相关细胞行为和表面增强拉曼散射效应。实验结果表明，细胞在激光微加工表面黏附性能好，并可沿预先设计结构方向生长。此外，激光功能表面可显著增强拉曼信号，增强因子可达6×103 以上。
锂离子电池（LIB）对当今人们的生活产生了深远的影响。然而由于插层化学本质上的限制，锂离子电池的能量密度已接近理论上限，难以满足人们在多方面日益增长的储能需求，如便携式电子设备、电动汽车和大规模储能。因此，下一代锂（Li）电池正在广泛研究中。其中，采用金属锂作为负极，插层或转化型材料作为正极的下一代锂电池是最受关注的体系，因其具有高能量密度和巨大的商业化潜力。近年来，随着材料和反应机理方面研究的深入以及技术手段的进步，锂电池取得了不断的发展。本文从下一代锂电池的电解液/ 电解质的设计出发，从能源化学工程的角度梳理锂离子电池、锂硫电池和锂空电池中的关键科学问题和研究进展，并阐述下一代锂电池未来的发展方向。下一代锂电池有望促进人类文明的可持续发展。
容错性能对于自推进仿生机器鱼在实际水下应用中的可操作性和生存能力至关重要。本文探讨了具有多个可活动关节和一个被卡住尾部关节的自由游动机器鱼的容错控制问题。提出的控制系统主要由两个部分组成：反馈控制器和前馈补偿器。具体而言，一方面，设计了基于生物启发中心模式发生器的反馈控制器用于使机器鱼对外部干扰具有鲁棒性；另一方面，引入了基于动力学模型的前馈补偿器来加速整个控制系统的收敛。在此基础上，开展了仿真实验来完成控制系统分析和故障机器鱼游动性能验证。最后，水下实验表明，所提出的容错控制方法能够有效调整故障机器鱼，使其能够在故障情况下完成所需运动，进而提高实际机器鱼系统的稳定性和寿命。
在虚拟现实场景中，佩戴力反馈手套是一种有效的增强穿戴者与虚拟物体交互沉浸感的方法。这种手套的设计难点在于需要提供足够大的手指运动工作空间，在模拟自由空间和约束空间交互时提供所需的力反馈感觉，以及确保一个轻量级的结构。本文提出了一种将气动驱动器安装在使用者手背侧的力反馈手套。该手套采用了一种凸轮连杆组合机构，利用带有弯曲滑槽和三个运动副的连杆将阻力从气缸活塞杆传递到指尖。为了得到穿戴者指尖反馈力的一个较大的法向分量，通过分析带有三个运动副的连杆上的力平衡，计算出了滑槽的轮廓。本文研制了质量为245 g 的五指力反馈手套样机，建立了可穿戴的力测量系统，对自由空间和约束空间的力反馈性能进行了定量评价。实验结果表明，该手套在自由空间模拟中平均阻力小于0.1 N，在约束空间模拟中指尖力最大为4 N。实验进一步证实，这种手套能够保证手指的自由移动以及模拟典型的抓取操作手势。
特定启动子的绝对定量蛋白表达量测定在分子生物学及合成生物学领域具有重要的意义。启动子强度一般由该启动子表达荧光蛋白的荧光强度表示。然而，对于特定启动子的绝对定量蛋白表达量测定方法目前仍不尽如人意。不同蛋白编码序列对启动子表达水平的影响及现有测定绝对定量蛋白表达量方法的复杂性，均为绝对定量蛋白表达量测定带来了挑战。我们在这里介绍了一种利用隔离子RiboJ和标准荧光曲线快速测定绝对定量蛋白表达量的方法，并通过模型对该方法进行了验证。使用这种方法，我们成功测定了Anderson启动子家族中9种组成型启动子的强度。本方法为代谢通路设计提供了更准确的数据，并为不同启动子强度的标准化提供了一种直接的方案。
来自Ideonella sakaiensis 的聚对苯二甲酸乙二醇酯水解酶（PETase）在室温下具有很强的降解聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的能力，因此被认为是解决聚酯塑料污染问题的潜在工具。在本研究中，基于PETase 和底物2PET 结合时的相互作用模型，分析了PETase 与底物2PET 之间的相互作用，从而对底物结合沟壑周围的六个关键残基进行改造。为了更加快速地筛选突变体酶的活性，本研究利用无细胞蛋白表达体系对设计的PETase 突变体进行高通量的表达和验证。最终发现三种突变体（R61A、L88F 和I179F）的酶活性相比野生型分别提高了1.4 倍、2.1 倍和2.5 倍。其中，I179F突变体的酶活性最高，降解效率为22.5 mg·μmol–1·d–1。因此，本研究通过蛋白质工程对PETase 的关键疏水位点进行设计和改造，获得了降解效果提高的酶突变体，并进一步证实了其生物降解塑料的潜力。