潘挺睿团队AM封底:如何将可穿戴压力传感器的灵敏度提高千倍?

可穿戴设备正在由科幻电影中的情节转变为街头巷尾的流行风尚,很有希望继智能手机、平板电脑之后再掀起一波浪潮。图片来源:漫威电影《钢铁侠》完美的可穿戴设备除了应该具有穿戴舒适、使用寿命长、轻质、多功能甚至外形炫酷等特点,更应该具有高灵敏度、抗干扰、快速响应的传感系统,只有这样才能让可穿戴器件更好地“感知”外界环境以及穿戴者的细微变化,及时响应并行使功能,满足实用需求。不过,目前传统的机械传感技术,无论是电容式、压电式或电阻式传感,都无法同时满足这些要求。近日,美国加州大学戴维斯分校(UC Davis)潘挺睿(Tingrui Pan)教授课题组报道了一种基于弹性离子-电子界面的柔性全织物超电容可穿戴压力传感器,包括通过电纺技术利用离子材料制备的纳米纤维织物结构。这种可穿戴传感器压力检测范围广泛,灵敏度极高,可以达到114 nF kPa-1,这比现有的任何电容式传感器的灵敏度都要高上至少1000倍,也比新近报道过的离子器件灵敏度高一个数量级。除此之外,这种可穿戴传感器压力分辨率为2.4 Pa,响应时间为4.2 ms,并且具有极好的抗干扰性和信号稳定性。该论文发表在Advanced Materials 杂志上,并被选为封底文章(back cover),第一作者是Ruya Li博士。该期杂志封底设计。图片来源:Adv. Mater.传统的电容传感器用于可穿戴设备时,人体的电容(几十到几百pF)不容忽视,和其他信号噪声源(通常是几十pF)一起会对测量精度和可重复性产生干扰。提高电容的信号强度是解决干扰问题的最好方法。离子材料,如离子凝胶和离子液体,由于其具有良好的柔性、可拉伸性和透明度,在柔性可穿戴传感领域具有应用潜力。离子材料中含有大量阳离子和阴离子,在和电极接触时可以在界面处形成被称为双电层(electrical double layer,EDL)的超电容层,这一特性已广泛应用于储能领域(超级电容器)。而潘教授将这种离子材料的特性运用在了压力传感器上(Lab Chip, 2012, 12, 1110; Adv. Mater., 2015, 27, 6055),开创了界面离子传感技术。潘挺睿教授。图片来源:UC Davis在最新的研究中,潘教授等人采用电纺技术制备离子凝胶材料的纳米纤维层,设计了具有三层结构的全织物超电容压力传感器(下图a/b/c)。在外部施加压力的条件下,离子材料纳米纤维层被压缩,导电织物与纳米纤维层界面处的接触面积发生变化,从而导致界面超电容层的电容发生改变。由此所产生的信号可被检测,从而完成压力传感过程(下图d/e/f)。全织物超电容压力传感器结构及工作原理示意图。图片来源:Adv. Mater.其中,研究者采用[EMIM][TFSI]作为离子材料,以含氟聚合物P(VDF-HFP)聚合物为离子凝胶材料基质。通过电纺技术,这种离子凝胶材料可以变身为纳米纤维结构,并最终形成纳米纤维膜。离子材料的组分及电纺纳米纤维层SEM图像。图片来源:Adv. Mater.随后,作为应用示例,研究者将该传感器应用于面膜(下图a/b/c)和手套(下图d/e/f)上,来感应面部和手部的压力。这种面膜的作用可不是为了美肤,而是预防局部长时间受压皮肤受损而导致的压疮和溃疡。在不少手术过程中,比如脊柱手术,患者在被麻醉后需长时间俯卧,面部受压,很容易导致皮肤受损。在这种面膜的帮助下,医生和麻醉师可以很方便地监控病人的面部皮肤受压情况,预防患者皮肤受损。而且这种面膜全部由织物构成,透气性良好,更不易诱发皮肤不适。该传感器也可以做成腕带,感应人体的心率、血压等参数,可用于未来的个性化健康监测。面膜、手套及脉搏测试应用,图片来源:Adv. Mater.另外,作者所选用的材料和制造工艺与现有的产业技术具有良好的融合性,同时兼有低成本、柔性、高灵敏度、抗干扰、快速响应等优势,可以预见这种全织物超电容压力传感器在未来的可穿戴设备、个性化医疗健康领域有着光明的应用前景。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Supercapacitive Iontronic Nanofabric SensingAdv. Mater., 2017, 29, 1700253, DOI: 10.1002/adma.201700253(本文由小希供稿)

来源: X-MOL 2017-10-16

近红外非富勒烯受体材料用于高性能聚合物太阳能电池

有机太阳能电池(Organic Photovoltaics,简称:OPVs)又称塑料太阳能电池,是采用有机导电材料来收集太阳能的一种电池。该类电池具有原材料丰富、成本低、工艺相对简单等特点,在大面积工业化生产中具有明显的优势,同时所有原材料无毒、无污染,对保护环境具有重要的意义。但有机太阳能电池要实现商业化,最重要的制约因素是当前较低的光电转化效率。尽管国内外相关的研究取得了较大的进展,但迄今为止大幅度改善有机太阳能电池的光电转化效率仍未取得显著的成效,目前有机太阳能电池体系中所使用的光活性材料大多只能吸收太阳光谱中的可见光,光活性材料的吸收峰峰值大多数分布在400-750 nm之间,而可见光只占太阳光谱的45%左右,约48%的红外光没有得到有效的开发利用。理论研究结果表明,如果能探索出吸收可以拓宽至1000 nm的具有近红外吸收功能的理想光活性材料,有机太阳能电池的光电转化效率有望达到25%,从而实现商业化应用。与传统的硅电池相比,有机太阳能电池的另一个显著优势是可以制作成半透明器件,广泛应用于手机、电脑等便携式电子设备以及建筑物表面。这种半透明太阳能电池将采光与太阳能发电融为一体,作为高楼大厦外层装饰、车辆挡风玻璃等的替代品具有很大的潜力,除了传统玻璃的功能之外,又增加了光电转化功能,无疑对拓展太阳能电池更为广泛的应用具有重大的意义。在此之前,关于有机近红外光伏材料的研究多出现于活性层的给体材料,直至近几年,非富勒烯受体材料的兴起为开发具有近红外吸收的有机光活性材料开辟了新的道路。苏州大学的蒋佐权副教授(点击查看介绍)、廖良生教授(点击查看介绍)与论文的第一作者李永玺博士在前期研究工作的基础上(J. Mater. Chem. A., 2016, 4, 5890; Energy Environ. Sci., 2016, 9, 3429; Nano Energy, 2016, 27, 430)成功设计合成了一种具有近红外吸收光能力的受体分子BT-IC。该分子以苯并二噻吩(BDT)作为基本单元的梯形共轭骨架,并辅以具有给电子能力的烷氧基侧链加强分子内的电荷转移作用来推动吸收光谱的红移。经测定,该分子的能隙低至1.43 eV,吸收边缘达到~870 nm。中科院化学所的张志国副研究员和李永舫院士利用该课题组开发的聚合物J61和J71作为给体与BT-IC进行搭配,得到最高10.5%的光电转换效率。有趣的是,研究人员在共同研究中发现,即使器件中使用的给受体HOMO能级差值非常小(< 0.1 eV),它们之间仍然发生了有效的激子分离。为了进一步理解该现象,美国北卡州立大学的Kenan Gundogdu教授课题组也参与了此项研究,通过瞬态吸收光谱来研究混合膜中激子(exciton)和极化子(polaron)的动力学行为,并发现空穴从受体的HOMO轨道到给体HOMO轨道的传输是非常有效的。这一研究结果为进一步开发高效的近红外受体材料并降低有机光伏器件的能量损失提供了新的思路。图1. 相关分子的化学结构和能级模型。图2.(a)基于J61:BT-IC (1:1, w/w)和J71:BT-IC (1:1.5, w/w)的有机光伏器件的电流密度-电压特性曲线;(b)基于J61:BT-IC (1:1, w/w)和J71:BT-IC (1:1.5, w/w)的有机光伏器件的外量子效率特性曲线。图3.(a)混合膜J61:BT-IC在1.62 eV激发条件下的瞬态吸收光谱;(b)混合膜J71:BT-IC在1.62 eV激发条件下的瞬态吸收光谱;(c)混合膜J61:BT-IC激子动力学的特性研究;(d)混合膜J71:BT-IC激子动力学的特性研究。相关研究工作发表在近期出版的Energy & Environmental Science 上,并被选为Hot Paper,该工作得到国家自然科学基金的支持。该论文作者为:Yongxi Li, Lian Zhong, Bhoj Gautam, Hai-Jun Bin, Jiu-Dong Lin, Fu-Peng Wu, Zhanjun Zhang, Zuo-Quan Jiang, Zhi-Guo Zhang, Kenan Gundogdu, Yongfang Li and Liang-Sheng Liao原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):A Near-Infrared Non-Fullerene Electron Acceptor for High Performance Polymer Solar CellsEnergy Environ. Sci., 2017, 10, 1610, DOI: 10.1039/C7EE00844A导师介绍蒋佐权http://www.x-mol.com/university/faculty/18409 廖良生http://www.x-mol.com/university/faculty/18390

来源: X-MOL 2017-10-16

三元无规共聚策略,为非富勒烯聚合物太阳能电池优化给体材料

有机太阳能电池具有柔性、大面积、可印刷等优点,近几十年来受到各国科研人员的广泛关注。其中常用的电池活性层受体是富勒烯类衍生物,但是由于该类物质在可见光区吸收较差,能级变化较单一,非富勒烯受体材料纷纷问世。目前,基于非富勒烯材料的电池最高光电转换效率已经突破13%,这一成果是非富勒烯聚合物太阳能电池(NF-PSCs)的里程碑。然而,从以往报道的研究成果来看,只有少数种类的聚合物材料被成功应用到NF-PSCs中。目前较为成功的ITIC类受体材料的吸收一般在600 nm至780 nm左右,因此只有开发具有与之相匹配的吸收以及相容性的给体材料才能使得NF-PSCs的性能更上一层楼。最近韩国蔚山国立科学技术研究所(UNIST)的Changduk Yang研究团队通过用改变主链中噻吩(T)的个数,得到了一系列无规共聚物PTPTI-Tx(如图1a)。当活性层为PTPTI-T70:m-ITIC时,获得了最优的活性层形貌以及face-on的结晶,电池器件的效率高达11.02%。这一研究为NF-PSCs领域开发新型给体聚合物提供了一个新策略。图1. a)给体PTPTI-Tx和受体m-ITIC化学结构;b)UPS测出的能级示意图;c)PTPTI-Tx :m-ITIC混合层的光学吸收;d)PTPTI-Tx :m-ITIC混合层的PL光谱。图片来源:Adv. Energy Mater.研究者对给体聚合物PTPTI-Tx 的光学性能、器件性能进行了详细分析。从图1b与1c可以看出,主链结构的微调对光学带隙以及能级有很小的影响。而几种聚合物加入受体m-ITIC中后,荧光光谱出现明显降低,这说明两者之间的电荷传输非常有效(图1d)。研究者分别用PTPTI-Tx 作为给体材料,制备结构为ITO /PEDOT:PSS /活性层/PDINO/Al的电池器件。器件的电流-电压曲线(图2a)表明,基于PTPTI-T70:m-ITIC的器件具有最高的光电转换效率和短路电流密度(JSC),这与PTPTI-T70具有最高的光吸收系数是一致的。随着2T单元的增多,器件效率进一步降低,效率的变化与JSC的变化趋势是一致的。外量子效率(EQE)曲线(图2b)表明,在300 nm到800 nm范围内都有光电流响应。图2. a)电流-电压曲线;b)外量子效率曲线。图片来源:Adv. Energy Mater.图3是不同混合薄膜的GIWAX图,我们可以看出PTPTI-T70:m-ITIC体系face-on结晶排列的比例最大(图3a-ii),这有利于电荷的传输。其电子及空穴的迁移率在该体系中也是最大的,这也是该体系效率最高的原因之一。图3. a)活性层PTPTI-Tx :m-ITIC的GIWAXS图;b)对应的面内和面外的积分曲线;c)100片状的极图;d)face-on的面间距及相关尺寸。图片来源:Adv. Energy Mater.为了更进一步探究活性层表面以及内部的形貌,作者还进行了原子力显微镜(AFM)和投射电镜(TEM)分析。从图4a中可以看出,PTPTI-T70具有最平滑的表面以及最小的粗糙度,这说明给受体之间具有更好的混溶性。从TEM图(图4b)中可以看到纤维状网状的相分离。这进一步解释了PTPTI-T70:m-ITIC具有最高效率的原因。图4 a)活性层PTPTI-Tx :m-ITIC的AFM高度图,b)TEM相图,(i) PTPTI-T100:m-ITIC, (ii) PTPTI-T70:m-ITIC, (iii) PTPTIT50:m-ITIC, (iv) PTPTI-T30:m-ITIC。图片来源:Adv. Energy Mater.总之,作者通过无规共聚不断调节噻吩的数目,可以调节聚合物材料内部结晶的排列,从而改变一系列的光伏性能。这些结果说明无规共聚是调节聚合物形貌的可行方法,通过设计不同聚合物,可以进一步提高NF-PSCs的效率。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Modulating the Molecular Packing and Nanophase Blending via a Random Terpolymerization Strategy toward 11% Efficiency Nonfullerene Polymer Solar CellsAdv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701125

来源: X-MOL 2017-10-15

突破硅近红外光吸收的限制:金针菇云状顶电极在宽带光探测器中的应用

注:文末有本文作者科研思路分析宽带光探测器是一种能将较大范围不同波长的光信号转变为电信号的电子器件,在通信系统、医疗、热成像、环境监测和国防科技领域都具有广泛的应用。随着科技的发展,高速、高灵敏的光电探测器在技术需求上迅速提高,硅作为重要的半导体材料在半导体行业占据重要的地位,但由于硅对900 nm以上的近红外光吸收不够强,极大限制了硅在宽带光探测器中的应用。在近期发表于Advanced Materials 的一篇文章中,王中林院士(点击查看介绍)和博士研究生邹海洋等人通过结构设计突破了硅近红外光区吸收弱的限制,成功合成了高性能的宽带光探测器。他们在硅和氧化锌纳米线两种半导体组成的光探测器上设计了特殊的金针菇云状薄膜顶电极结构(图1a),通过减少光的反射极大地提高了硅对近红外光的吸收(图1b)。该电极同时能够实现纳米线和顶电极高温退火的要求,从而提高纳米线的晶体质量和顶电极的透光率及其导电性。图1.(a)器件结构示意图及其金针菇云状薄膜顶电极示意图;(b)器件(红色曲线)和p型硅(蓝色曲线)的光吸收谱图。该器件具有出色的光探测性能,灵敏度高、暗电流低、稳定性和重复性好、响应速度极快(< 1 ms),完全适用于高速模式下的光探测及成像等方面。在低电压(-2 V)下,442 nm的光在光照强度为26.45 mW/cm2时,近紫外光区域的光灵敏度达到5200%,0.62 mW/cm2光照强度下光灵敏度达到650%;1060 nm的光在光照强度为18.9 mW/cm2时近红外光区域的光灵敏度达到4000%,0.3 mW/cm2光照强度下光灵敏度达到450%。该探测器可以直接集成在硅电子器件中,对集成电路的兼容性强、应用价值高。图2. 器件对不同波长的光(a)442 nm和(b)1060 nm在较低光照强度下的响应曲线;斩波器频率为20 Hz。与此同时,他们利用压电光电子学效应进一步提高了光探测的性能,通过施加外界应力产生压电势调节能带和载流子输运,可见光区域(442 nm)的光响应度提高77.5%,近红外区域(1060 nm)的光响应线性关系大大改善,突破了原有材料的测量极限(图3)。他们利用该器件首次研究和发现了压电的极化作用对界面处光激发电子和空穴的不同影响。这项研究能够推进硅基宽带光探测器产业和研究等方面的发展,对完善相关理论和发展更优异的光电器件具有重要意义。图3. 器件在不同波长的光(a)442 nm和(b)1060 nm光照下光电流随外加应力的变化;红色曲线代表相对较强的光照强度,蓝色曲线代表相对较弱的光照强度。该论文作者为:Haiyang Zou, Xiaogan Li, Wenbo Peng, Wenzhuo Wu, Ruomeng Yu, Changsheng Wu, Wenbo Ding, Fei Hu, Ruiyuan Liu, Yunlong Zi, Zhong Lin Wang原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Piezo-Phototronic Effect on Selective Electron or Hole Transport through Depletion Region of Vis–NIR Broadband PhotodiodeAdv. Mater., 2017, 29, 1701412, DOI: 10.1002/adma.201701412导师介绍王中林http://www.x-mol.com/university/faculty/26757 科研思路分析Q:这项研究最初是什么目的?或者说想法是怎么产生的?A:这项研究的最初目的是通过压电光电子学效应,在压电材料ZnO上产生压电势提高硅基光探测器在可见光区域的性能。我们发现传统顶电极的方法对纳米线器件不完全适用,会造成顶电极和底部材料的短路,因而暗电流较大、整流特性差。于是我们提出了新的顶电极制作方法,在测量吸收光谱时意外发现该顶电极设计能极大提高近红外区域的吸收。因此,我们测量了近红外光(1060 nm)的光响应,发现该器件具有非常好的近红外光探测性能,而传统的硅光探测器对900 nm的近红外光吸收较差,这是一个意外发现。ZnO材料是宽带材料,对紫外光和近紫外光敏感,而这项研究通过设计纳米线和顶电极却意外发现改良的器件能够突破硅探测器材料的极限。在深入分析压电光电子学效应对不同波长光的响应时,我们又发现在相同的应力下,压电势对近紫外光和近红外光表现出不同趋势的调制效果,从而引导我们深层次地探讨压电势对电子和空穴不同带电体的作用,让我们对压电光电子学作用的理解更进一步。Q:研究过程中遇到哪些挑战?A:在项目起始阶段,器件采用传统的电极制作方法进行制备时效果一直不够理想。发现、解决问题的过程中需要不断尝试新的工艺参数以达到最佳效果。新的电极制作方法需要平整的接触面和稳定的电极接触,并要求光刻胶包裹纳米线,表面光滑,随后使纳米线只在线头端暴露,对工艺要求较高,制备参数的摸索也是一个复杂而艰难的过程。Q:该研究成果可能有哪些重要应用?哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助?A:该器件在光探测方面具有广谱的光谱响应区间,打破了传统硅材料在近红外区域吸收弱的限制,且性能优越,对硅基宽带探测器的发展具有重要意义。宽带光探测器在军事和国民经济方面都具有广泛的应用,包括通信系统、人机交互、智能电子器件、医疗、热成像、环境监测和国防科技等。该研究成果对于进一步提高光探测器的性能以及其他光学器件的性能提供了新思路,我们相信该器件可以在工业生产和人类生活中发挥重要的作用。

来源: X-MOL 2017-10-15

单线态激子在二维与三维金属-有机配合物中的能量转移

材料维度对能量转移可能具有很大的影响。光合作用过程中,叶绿素和类胡萝卜素被太阳光激发,其激发态能量从类囊体的二维膜高效转移至反应中心。低维度激子迁移的研究因而具有重要意义。厦门大学化学化工学院的汪骋(点击查看介绍)(“青年千人”)和林文斌(点击查看介绍)(“千人计划”)教授课题组在单线态激子于不同维度材料的能量转移研究中取得新的进展。该研究基于课题组前期两个看似无关的研究成果Self-Supporting Metal–Organic Layers as Single-Site Solid Catalysts(Angew. Chem., Int. Ed., 2016, 55, 4962)和Förster Energy Transport in Metal−Organic Frameworks Is Beyond Step-by-Step Hopping(J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 5308),前者发现通过反应条件的控制可大量制备薄至单层的超薄金属-有机薄层(MOLs),后者提出MOFs中FRET机制的激子迁移可通过远距离的跳跃实现。两者结合并通过设计和控制合成条件得到两种由同种金属离子和配体组成的结构相关、但维度不同的金属有机配合物,它们分别具有超薄有序二维结构的金属-有机单/多层(2D-MOL)和三维结构的金属-有机框架(3D-MOF)。作者结合多种结构表征确定两者在结构上的主要区别在于次级结构单元(SBUs)与配体的拓扑连接及维度,为研究维度对单线态激子能量转移的影响提供了平台。研究者通过改变配体的投料比得到一系列不同配体掺杂浓度的MOLs与MOFs,并对供体荧光淬灭进行稳态和时间分辨荧光测试。他们基于课题组在以往工作提出的单线态激子Förster机理的跳跃模型(J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 5308),对激子在有序的2D-MOLs和3D-MOFs的能量转移进行了模拟,实验结果与理论模拟一致。研究发现,在3D-MOF框架中总激子的运动速率高于2D-MOL,但由于MOL具有超薄的二维结构,激子更容易与外在分子发生能量和电子的转移。该成果对利用2D材料进行光收集和荧光传感的应用提供了理论依据和思路,相关成果发表在Journal of the American Chemical Society 上。该研究由汪骋教授和林文斌教授共同指导,课题组的博士生曹凌云为第一作者,并得到同课题组林泽凯、史文颉等同学的帮助。该工作得到国家自然科学基金、科技部重大研究计划纳米科技专项、中组部千人计划和厦门大学人才经费的资助。该论文作者为:Lingyun Cao, Zekai Lin, Wenjie Shi, Zi Wang, Cankun Zhang, Xuefu Hu, Cheng Wang and Wenbin Lin原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Exciton Migration and Amplified Quenching on Two-Dimensional Metal–Organic LayersJ. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 7020, DOI: 10.1021/jacs.7b02470导师介绍汪骋http://www.x-mol.com/university/faculty/44764 林文斌http://www.x-mol.com/university/faculty/14039

来源: X-MOL 2017-10-15

再来研究个鸟:羽毛上的神奇“粘扣”

一根小小的羽毛,藏着许多有趣的秘密。加州大学圣地亚哥分校Marc A. Meyers教授课题组一直致力于鸟类羽毛结构的研究。不久前,他们在Adv. Sci.上发表研究论文,揭示了鸟类羽杆中的多级结构如何实现轻质负重性能(点击阅读相关)。这一次,他们将目光转向羽毛上的羽小支(barbule)。羽小支是羽杆两侧平行排列的细小的羽毛,在鸟类的飞行过程中,它们能够捕获空气以获得浮力;受到损伤时,鸟类通过整羽可使损失得到修复。在这项研究中,Meyers教授课题组揭示了羽小支结构如何实现可逆粘附,并且如何在飞行中捕获空气以获得浮力。相关论文发表在Adv. Funct. Mater. 上。羽毛、羽支(barb)、羽小支的微观结构。图片来源:Adv. Funct. Mater.在这项研究中,Meyer教授团队发现,羽小支中存在着“钩”与“槽”两种结构,二者通过互相咬合实现紧密连接,其中“槽”形羽小支与主干的夹角较小且长度较长,因此在平行拉动的过程中具有更大的作用力矩及近轴转动。在拉动的过程中,“钩”形羽小支在“槽”形羽小支里移动,并且在达到极限时清脆的分离,而在鸟类整羽的时候这种结构又可以重建。羽小支分离与整羽过程。图片来源:Adv. Funct. Mater.为了研究羽毛的微结构对这种可逆粘附性能的影响,研究者仿造羽小支结构制备了具有不同厚度、形状以及末端结构的羽小支。结果发现,具有较厚的根部结构、矩形并且具有较长的末端弯曲结构的“钩”形羽小支具有最大的粘附力。实验也发现,更为刚性的羽小支结构有利于在飞行过程中承载更多力。他们还研究了三种不同鸟类(鸽子、鹈鹕和珍珠鸡)的翅膀羽毛在风下的受力情况。实验结果表明,三种鸟类中珍珠鸡的羽毛受力情况受羽小支咬合情况的影响最大,而鸽子则受影响最小。同时,珍珠鸡的羽毛更易弯曲,羽毛受到的拖拽力较小,而鸽子和鹈鹕则较大,这也说明了为何鸽子和鹈鹕主要是通过飞行来移动,而珍珠鸡则以跑动和偶尔的飞行作为主要的移动方式。羽毛中的气流调节功能。图片来源:Adv. Funct. Mater.除了通过羽小支的咬合结构来捕获空气,羽小支中薄的重叠的膜状侧瓣结构也可以起到“气流阀门”一样的调节作用。当空气来自于腹侧时,这些侧瓣“关闭”从而捕获空气为羽毛提供阻力;当空气来自于背侧时则表现为“打开”的状态。这使得鸟类在飞行过程中能够更加自如的调节飞行状态。大自然中各种精致的设计为人类的研究提供无穷的灵感,如何将这些知识转化到实际应用中去也将是研究者们要面对的更为重要的课题。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Reversible Attachment with Tailored Permeability: The Feather Vane and Bioinspired DesignsAdv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201702954(本文由YHC供稿)

来源: X-MOL 2017-10-14

“反应球磨”法实现锂电纳米硅负极材料的低成本高效制备

当前移动电子设备、电动汽车等领域的快速发展对锂离子电池的性能提出了更高的需求,锂离子电池发展的短期目标需要将能量密度提高至300 Wh/kg以上。锂电池正极材料容量短期内难有重大的突破,但负极的容量尚有巨大的提高潜力,因此发展高容量的新型负极材料是进一步提高锂电池能量密度的必然选择。硅具有极高的理论容量(4200 mAh/g,超过现有商业石墨负极材料容量的10倍)和合适的电化学锂化电位,是最具前景的下一代锂电池负极材料。直接使用硅粉制成的电极存在循环稳定性差的问题,但近年来的研究表明,颗粒尺寸在100 nm以下的纳米硅结合电极的整体结构设计以及合适的粘结剂可以有效改善硅的循环稳定性。目前基于纳米硅的高容量锂电负极得到学术界和产业界的高度关注。目前纳米硅的价格十分昂贵,主要原因是纳米硅的制备过程较为复杂。近日,北京大学化学与分子工程学院的李星国教授和郑捷副教授课题组发展了一种“反应球磨”的方法,可实现纳米硅的低成本高效制备,并在高容量锂电负极材料中展现出巨大的应用前景。反应球磨即在球磨条件下,利用Mg、Na等活泼金属直接还原SiO2和SiCl4等廉价的硅原料获得纳米硅。研究团队以纳米镁粉作为还原剂,在室温条件下经过10 min的球磨反应即可将纳米SiO2完全转化为纳米硅。金属镁对SiO2的还原虽然热力学有利,但传统的方法需要在600 ℃以上的高温下利用镁蒸气还原,不仅能耗高,还存在反应不均匀、纳米硅产率低等问题。反应球磨在室温附近通过机械力引发反应,借助反应放热使反应自发进行完全,极大提高了制备效率。针对小颗粒的纳米硅容易在后续的酸洗除去MgO的过程中流失的问题,研究团队利用正戊醇直接与球磨得到的高活性表面反应,使疏水的烷氧基化学接枝到纳米硅表面,在酸洗分离过程中纳米硅形成疏水的分散液,为分离提供便利。反应球磨-表面疏水处理的方案如图1所示,该方法极大提高了纳米硅的收率,产率超过85%,利用实验室规模的小型球磨罐一次即可获得5 g的纳米硅。得到的纳米硅在乙醇等溶剂中具有良好分散性,可以便利地实现与碳的均匀复合,获得的硅碳负极在2.1 A·g-1的电流密度下循环1000圈仍然保留1750 mAh·g-1的容量,在全电池测试中也表现出良好的稳定性1。图1. 以纳米SiO2和纳米镁粉为原料,通过反应球磨-表面疏水处理制备纳米硅的流程示意图。研究团队进一步利用反应球磨的方法实现了金属钠对SiCl4的直接还原。金属钠是非常软的金属,四氯化硅是液体,传统意义上并不适合球磨进行处理,但这两种极软的材料却可通过球磨完全反应,获得均一尺寸约25纳米、分布均匀的纳米硅。他们将上述纳米硅直接制成电极,在2.1 A·g-1的电流密度下循环500圈仍然保留1600 mAh·g-1的容量。在反应球磨过程中,金属钠在机械力的作用下不断暴露出高活性的新鲜表面,与体系中的SiCl4蒸气迅速反应生成纳米硅2。图2.(a)软金属(如钠)无法通过球磨破碎;(b)在反应球磨过程中,钠可高效地与SiCl4反应生成纳米硅。传统球磨法通过机械破碎作用降低颗粒尺寸,通常只能获得亚微米级的颗粒,且粒径分布不均、团聚严重,通常被认为是一种简单粗暴的材料处理方法。而在“反应球磨”法中,球磨可以提供能量引发反应,并促进活泼金属高活性表面的暴露,纳米硅的生成局限于活泼金属表面,因此可以获得粒径在50 nm以下且尺寸分布均匀的纳米硅。硅是地壳中含量第二的元素,主要以氧化物的形式存在,目前光伏产业多晶硅的生产过程中也产生大量的四氯化硅副产物。反应球磨法可将上述廉价的硅原料通过成熟的球磨技术高效转化为纳米硅,极大地降低纳米硅的成本,有效促进硅基高容量负极的实用化。目前研究团队正在积极开展放大实验,力争实现纳米硅材料的低成本规模化制备。以上研究成果近期分别发表在ACS Nano 和Chemical Communications 上,第一作者均为博士研究生刘志亮。李星国教授和郑捷副教授课题组的研究方向是金属纳米材料在能量存储和转化领域的应用,包括储氢/化学制氢材料、合金型锂电池负极材料、非贵金属电催化材料。1. 该论文作者为:Zhiliang Liu, Xinghua Chang, Teng Wang, Wei Li, Haidong Ju, Xinyao Zheng, Xiuqi Wu, Cong Wang, Jie Zheng and Xingguo Li原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Silica-Derived Hydrophobic Colloidal Nano-Si for Lithium-Ion BatteriesACS Nano, 2017, 11, 6065, DOI: 10.1021/acsnano.7b020212. 该论文作者为:Zhiliang Liu, Xinghua Chang, Bingxue Sun, Sungjin Yang, Jie Zheng and Xingguo Li原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Room temperature solvent-free reduction of SiCl4 to nano-Si for high-performance Li-ion batteriesChem. Commun., 2017, 53, 6223, DOI: 10.1039/C7CC02857A导师介绍李星国http://www.x-mol.com/university/faculty/8626

来源: X-MOL 2017-10-14

“床单上的小球”与“关大象的小黑屋”:高性能固态电解质的关键?

“床单上的小球”、“容得下你和一头大象的小黑屋”、“性能优异的固态电解质”……这些看似完全不相关的东西在美国弗吉尼亚联邦大学(VCU)的方弘(Hong Fang)博士和Puru Jena教授最新发表的研究成果中“奇妙”的联系在了一起。究竟是怎么回事?就请小伙伴们耐心往下看吧……从我们的手机到太空中的卫星,从电动汽车到人工心脏,可充电的金属离子电池已成为我们生活中不可缺少的部分。而全固态电池更是由于具有高安全性、高功率以及高能量密度等优势成为新一代电池研发的新宠。但是,它的研发却受限于固态电解质的发展,因为要实现金属离子在某一固体中可以达到与其在液体中相当的电导率是非常困难的。如何寻找与设计可实用的固态电解质成为了科学界的一个巨大挑战。近日,《美国国家科学院院刊》(PNAS)在线发表了VCU方弘博士和Puru Jena教授题为“基于团簇离子的富锂反钙钛矿超离子导体”的文章,该研究提出的由团簇离子所构成的反钙钛矿晶体拥有超高的离子电导率,超大的带隙,高熔点以及良好的机械性能。研究者们通过理论研究发现,当用原子团簇比如Li3O、Li3S、AlH4、BH4和BF4构成富锂反钙钛矿晶体时,可以得到性能优异的固态电解质材料。这些原子团簇由几个不同的基本原子形成,它们具有元素周期表中的碱金属原子以及卤素原子相对应的化学性质,但性能参数却都超过了这些基本原子。比如,这些团簇具有超低的电离势或超高的电子亲和能,有超大的尺寸,同时还有内部电荷分布。因此这些团簇也被称为“超原子(superatoms)”。所发现的由超原子构成的超离子导体Li3SBF4(如下图的晶体结构,其中蓝色为锂原子、硫为黄色、硼为灰色、氟为绿色)中,每个立方单胞中的四面体团簇离子BF4-有着特定的空间取向(如图中绿色箭头所示)以使得能量最低。图1. Li3SBF4晶体结构示意图。图片来源:PNASLi3SBF4这种由团簇离子构成的反钙钛矿晶体的性能如此之好,背后的秘密是什么呢?如图2中的物理模型所示,每个Li+(如图中蓝点所示)被四个BF4-离子(如图中黄色高亮四面体所示)围绕。当这些BF4-离子在热激发下进行振动时,它们对Li+所产生的势能作用也不断发生变化,这增加了Li+离子的动能并减小了Li+离子的迁移势垒(比如从图中的A1位置迁移至A2位置),从而使得该材料具有很低的离子激发能量,以及在室温下堪比当前商用液体电解质的离子电导率。打个比方,这就好像在床单上放一个小球,当有四个人握住床单的四角不断平移以及上下抖动时,小球不仅运动加剧,而且更易于迁移。图2. Li3SBF4材料的物理模型。图片来源:PNAS研究者们还发现,当将超原子与基本原子混合构成固体时,比如Li3S(BF4)0.5Cl0.5,材料的离子电导率将进一步显著提高。这又是为什么呢?超原子具有超大的离子半径,容纳了超原子的晶格对于基本原子来说尺寸大了很多,这为Li+离子在固体中的迁移准备出更多的自由空间。图3中展示了由超原子BF4和基本原子Cl构成的Li3S(BF4)0.5Cl0.5的晶体结构图(其中蓝色为Li原子、红色为Cl原子、黄色为S原子、四面体为BF4超原子、蓝圈代表了晶体中的Li空位缺陷)。图3. Li3S(BF4)0.5Cl0.5的晶体结构示意图。图片来源:PNAS再打个比方,一间恰好能塞下两个“你”(基本原子)的小黑屋,两个“你”都顶着天花板踩着地板,连转身的空间都没有,此时的空余空间是有限的;同样地,对于一间恰好能塞下两头“大象”(超原子)的小黑屋,虽然看起来大了一点,但对“大象”来说空余空间也是有限的;而当一间小黑屋能同时容下“你和一头大象”时,对于体型较小的“你”来说,就多出了很多可以活动的空余空间。“听说有人要和我一起关小黑屋?”(图片来自网络)这一有意思的研究有望推动新一代固态电解质的发展,让更安全、电力更持久的全固态锂离子电池离我们的生活又近了一步。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Li-rich antiperovskite superionic conductors based on cluster ionsPNAS, 2017, doi: 10.1073/pnas.1704086114(本文由Sciencejojo供稿)

来源: X-MOL 2017-10-13

TiO2@Carbon@MoS2多级三层纳米管的构筑及其在锂离子电池中的应用

为了满足社会对高能量密度和长寿命锂离子电池的迫切需求,研究人员致力于开发新型高性能的电池负极材料。MoS2作为典型的二维材料具有很高的理论容量,是潜在的锂离子电池负极材料。然而,MoS2电极在充放电过程中体积变化大,导致容量快速衰减;同时,其低导电率也限制了倍率性能,构筑基于MoS2的复合材料是克服MoS2电极上述缺陷的一个有效的策略。TiO2电极在循环过程中体积变化小,被认为是合适的载体材料或保护层,用于构筑MoS2和TiO2的复合电极材料。但由于材料自身的导电率较低、锂离子传输动力学缓慢以及循环过程中较明显的体积变化,已开发的MoS2和TiO2复合电极材料的锂电存储性能仍需进一步提高。碳材料因具有优异的导电性已广泛应用于电极材料,而氮掺杂可以进一步提高其电化学性能。另一方面,近年来的研究表明,多级空心纳米结构可有效缓解电化学过程中的体积形变、缩短锂离子和电子的传输距离,并增加活性位点与电解液之间的接触面积,在电化学能源转化与储存中表现出显著的优势。近日,新加坡南洋理工大学的楼雄文教授(点击查看介绍)团队将上述策略进行优势整合,通过在模板MnO2纳米线上连续包覆TiO2和氮掺杂碳(NC)合成了TiO2@NC双层纳米管。随后,他们在TiO2@NC纳米管上组装一层超薄MoS2纳米片,构筑了TiO2@NC@MoS2多级三层纳米管。在构筑的多级三层管状纳米结构中,内层TiO2纳米管可以有效缓解电极在充放电过程中的体积形变、缩短锂离子的传输路径;中间氮掺杂碳层可提高电极的导电性、维持电极的整体形貌、抑制外层MoS2纳米片的团聚;外层超薄MoS2纳米片可以增大电极和电解液的接触面积、促进电子和锂离子的传输。复合电极中三种功能材料的协同作用在锂电存储中表现出优异的性能。图1. TiO2@NC@MoS2多级三层纳米管的合成示意图。图2. (a)(b) MnO2@TiO2纳米线;(c)(d)MnO2@TiO2@PDA纳米线;(e)(f) TiO2@NC纳米管的扫面和透射电镜图像。图3.(a-c)TiO2@NC@MoS2纳米管的扫面电镜图像;(d-f)(g-i)煅烧后TiO2@NC@MoS2纳米管的扫面和透射电镜图像。图4. TiO2@NC@MoS2多级三层纳米管的锂电存储性能。这一成果近期发表在Advanced Materials上,第一作者是新加坡南洋理工大学的汪思波博士,通讯作者是楼雄文教授。该论文作者为:Sibo Wang, Bu Yuan Guan, Le Yu, and Xiong Wen (David) Lou原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Rational Design of Three-layered TiO2@Carbon@MoS2 Hierarchical Nanotubes for Enhanced Lithium StorageAdv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702724导师介绍楼雄文http://www.x-mol.com/university/faculty/35053课题组主页http://www.ntu.edu.sg/home/xwlou/

来源: X-MOL 2017-10-13

Nature:用“70岁”的成核理论,解决一个“100岁”的老问题

经过近几年的发展,3D打印技术早已不再是新名词。材料领域研究者使用不同的材料,如聚乳酸、光敏树脂、ABS树脂等等,打造出各种立体的模型,生物学家开始研究如何“打印”人造器官(点击阅读详细),吃货们更是用食材打印出蛋糕和糖果。最酷炫的应当要数2015年Science 杂志发表的封面文章(下图),借助革命性的3D打印技术——连续液体界面制作(CLIP),可在液体中将“埃菲尔铁塔”、“富勒烯”形状的空心球像变魔术一样直接“拉”出来(点击阅读详细)。而且,发论文并不是结束,这篇Science 论文的作者们在2016年完成了技术的实用化,并推出了商业化的3D打印机,跨越了从论文到产品上市的巨大鸿沟(点击阅读详细)。连续液体界面制作技术登上Science 封面。图片来源:Science然而,作为工业中常用的金属合金,却很少有报道可进行3D打印。目前仅有AlSi10Mg、TiAl6V4、CoCr和Inconel 718少数的几种较低强度合金,可用于3D打印。金属及合金的3D打印技术的发展,可以提高设计自由度和制造灵活性,从而构建复杂的几何形状,缩短产品的上市时间,在航空航天、生物医学和汽车制造等很多行业都有着重要的推动作用。近日,美国HRL实验室John H. Martin等人在Nature 发表文章,介绍了一种3D打印高强度铝合金的方法。此前,限制合金材料用于3D打印的主要原因,是在打印过程中材料的熔融和凝固易产生柱状晶粒和周期性裂纹,影响产品的强度和抗疲劳性能。Martin等研究者通过引入成核剂纳米颗粒来控制凝固过程,更易形成细小的等轴晶粒,减少裂纹形成的可能,从而解决了高强度铝合金的3D打印问题。通过该方法打印的3D合金,无裂纹,强度堪比传统的锻造产品。视频来源:HRL Laboratories LLC使用激光或电子束进行金属3D打印,部件在凝固过程中会因热裂(hot tearing)导致严重的裂纹(下图a/c/e)。而凝固过程中的热裂问题,几乎与著名的杜拉铝(duralumin)同时诞生,已经困扰了冶金行业超过100年。为此HRL实验室研究的首要目标是弄清楚如何彻底消除裂纹。研究者使用Al7075和Al6061两种铝合金材料,通过研究发现,加入功能化的成核剂纳米颗粒,再进行选择性激光熔化(selective laser melting)加工,可以诱导异相成核,促进等轴晶粒生长,从而降低凝固应变的影响,得到无裂纹、具有等轴晶粒微观结构的合金材料(下图b/d/f)。这种策略也能用于复杂结构产品的3D打印制造(下图g/h)成核剂纳米颗粒对铝合金3D打印的影响。图片来源:Nature研究者使用基于经典成核理论的软件分析了4500多种不同合金粉末和纳米粒子,这意味着有超过1150万种组合。针对每种组合进行分析,标识匹配的晶格间距和密度,使得配对晶格失配最小化,具有接近的原子堆积和热力学稳定性。最终,氢稳定的锆纳米颗粒被选为本文中铝合金材料的成核剂。实验过程中,先将传统的合金粉末和锆纳米颗粒进行静电组装,随后再进行激光熔融加工,就可以打印出高强度的铝合金结构,晶格失配率小于0.52%。基于传统成核理论评估成核剂对合金凝固的改善。图片来源:Nature研究者对比了Al7075在有无Zr成核剂纳米颗粒情况下3D打印产品的应力-应变曲线(以AlSi10Mg作为对照),并测试了杨氏模量、屈服强度等机械性能参数。很明显,该方法3D打印的铝合金具有良好的机械强度和延展性,强度与锻造产品相当。3D打印铝合金机械性能测试。图片来源:NatureHRL实验室表示,该技术可用于研发更多种类的可3D打印合金粉末材料。同时,该思路不仅能应用在激光熔融3D打印设备,还可用于电子束熔融和基于定向能量沉积的3D打印设备中。此外,在接合、铸造及注射成型这些传统加工工艺中,也可以利用该方法减少凝固裂纹和热裂等问题。“我们用21世纪的机器,依靠‘70岁’的经典成核理论,解决了一个‘100岁’的问题。”John Martin调侃道。[1]原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):3D printing of high-strength aluminium alloysNature, 2017, 549, 365-369, Doi:10.1038/nature23894参考资料:1. http://www.hrl.com/news/2017/09/20/metallurgy-breakthrough-hrl-engineers-3d-print-high-strength-aluminum-solve-ages-old-welding-problem-using-nanoparticles(本文由小希供稿)

来源: X-MOL 2017-10-11

“种草”种出超强自愈性超疏水材料

从模仿荷叶开始,人们对于超疏水表面已经开展了众多的深入研究,取得了丰富的成果。基于表面微纳结构和表面化学性质(低表面能)的调控,可以简便地构筑不同的超疏水表面。不过,实际应用中超疏水表面的结构容易遭到破坏,因此具有自愈性的超稳定超疏水涂层在诸多领域有着广泛需求。目前,超疏水涂层的自愈,实现方式主要包括基材组分发生化学反应修复和基体储存“液态”材料的表面渗透迁移修复。但是,上述策略往往存在修复材质降解、组分挥发流失/利用率低及缺乏长期使用稳定性等缺点。近日,日本产业技术综合研究所(AIST)的Atsushi Hozumi博士研究团队发现了一种新的方法来构筑自愈性超稳定超疏水涂层。他们在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基材内注入两种液体:丙基三氯硅烷(TCPS)和低粘度硅油(SO),TCPS会在湿气氛围下水解、缩聚,自组装成“草”状微纤维并赋予表面超疏水性和优异的机械性能,而SO的表面渗透性赋予材料优异的自愈合性,这样PDMS-SO/TCPS材料超疏水表面就同时具备了自愈合性和长期稳定性。自愈性超疏水表面构筑示意图及表面硅树脂“草”形貌表征。图片来源:LangmuirPDMS-SO/TCPS材料中的丙基三氯硅烷(TCPS)从基材中逐渐渗出,在湿气氛围下很容易发生水解和缩聚反应,从而在PDMS基材表面生成类似“草”的圆锥形微纳尺度纤维(硅树脂“草”)。这种“草”的纤维直径在300 nm至1 μm,长度在10 μm至30 μm。电镜(SEM、TEM)测试表明其纤维表面存在微突结构。研究表明,表面“草”状纤维一方面能够提高其涂层的机械性能,另一方面能够起到“锁定”作用,防止低粘度SO渗出损耗。研究团队对体系中PDMS、SO、TCPS三组分含量对材料表面形貌及性能的影响进行了探究。当TCPS/SO/PDMS含量比为20:70:100(vol %)时,表面生成无规则的微孔隙;而提高TCPS/PDMS比例时(20 vol % → 30 vol %),表面则形成微裂纹形貌。但是,三组分的含量配比对其表面疏水性能影响不大。材料组成对表面微纳形貌及疏水性的影响。图片来源:Langmuir对材料表面氧等离子体(OP)处理进行涂层耐用性测试,不同OP时间处理(30min、5h、12h、24h)条件下,在湿空气氛围下材料表面都能实现较迅速的超疏水性恢复,OP处理耐受性显著提高。同时,材料表面展现出优异的耐刮擦性能。等离子处理及摩擦测试对材料性能的测试。图片来源:Langmuir研究人员通过构筑表面微纳结构矩阵等对比试验对其超强自愈性机理进行了深入探究。研究表明,材料表面裂纹或微孔隙的存在利于低粘度SO材质的迅速渗出进行材料表面修复,而表面的纤维结构则保证了材料表面超长的OP耐受性,两个因素缺一不可。超强自愈性机理及影响因素探索。图片来源:Langmuir——总结——通过丙基三氯硅烷在弹性基底表面的水解缩聚反应结合基体内低粘度硅油的存储,Atsushi Hozumi博士团队构筑了具有超强自愈合性能的超疏水涂层。该涂层克服了以往自愈合涂层的诸多局限性,展现出优异的户外耐候性、化学稳定性和耐湿热性能等,极大的拓展了其应用范围。同时,该研究为新一代自愈合超疏、双疏涂层的制备和发展提供了借鉴。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Self-Healing Superhydrophobic Materials Showing Quick Damage Recovery and Long-Term DurabilityLangmuir, 2017, 33, 9972-9978, DOI: 10.1021/acs.langmuir.7b02343(本文由宗传永-济大供稿)

来源: X-MOL 2017-10-11

Science:拿去,拯救你过热的手机

炎炎夏日每到酷暑难耐时,朋友圈里就会看到各路豪杰的暑热段子和花样哀嚎,空调和冰箱迅速成为生存的充分必要条件。分享一个小伙伴的“空调续命图”……图盗自小希的朋友的朋友圈学术帝也会及时跳出来给大家普及制冷知识,从冰箱压缩机的制冷原理,到热声技术和斯特林发动机、激光制冷、磁制冷等等。不过,小希只能听懂压缩机的工作原理,通过蒸发和膨胀吸热实现制冷。图片来自网络压缩机是空调和冰箱的灵魂,而空调和冰箱则是大伙的命。夏天里被迫离开空调屋是很残忍的,比这个更残忍的,是被迫离开空调屋而且还得用手机打十分钟电话。台湾一女子夏天用手机打电话太久被烫伤。图片来源:新浪新闻就算不在夏天,手机打电话或玩游戏久了,都会烫的厉害,如何降温是个麻烦事。依靠压缩机的制冷技术已经是一个多世纪前发展起来的“老炮”了,尽管仍在广泛使用,但噪音大、体积大、结构复杂、制冷剂有泄漏隐患且有环境危害等缺点无法避免,而且难以用在移动设备、可穿戴式电子设备之上。有没有更好的选择呢?答案是“有”!固态制冷具有比传统冷却系统更大的发展潜力,不过发展受限于设备很难同时具有高制冷系数(COP)和高比冷却功率。近日,美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)裴启兵(Qibing Pei)教授(点击查看介绍)课题组在Science 杂志上发表文章,利用电热效应(electrocaloric,EC)聚合物薄膜和静电致动机制,开发了一种具有高热力学效率的冷却装置。该器件COP可以达到13,比冷却功率为2.8 W/g,而且柔性好,适合多种形状的表面。裴启兵教授(右)和本文两位共同一作Rujun Ma博士(左)、Ziyang Zhang(中)。图片来源:UCLA 目前,EC材料主要有弛豫铁电陶瓷和聚合物两种,而设计基于EC效应的固态冷却装置仍然是一个重大挑战。此前报道的EC冷却装置没有COP数据,最高的冷却功率为0.018 W/g,比理论计算值要低得多。另外,基于EC效应的固态冷却装置还面临一个关键挑战——EC材料必须周期性地在热源和散热器之间接触。为了解决这些问题,研究者设计了一种新颖的EC冷却装置(下图),依靠静电力驱动,柔性EC聚合物——P(VDF-TrFE-CFE)薄膜可以快速地在热源和散热器之间周期性切换。整个周期分成六个步骤,通过电场的周期性改变,可以实现EC聚合物薄膜将热源处的热量转移到散热器。不但可以降低功率消耗,还可以保证聚合物薄膜与热源或散热器的良好接触和热传递过程。基于EC效应的固态冷却装置示意图。图片来源:ScienceEC固态冷却装置的工作机理示意图。图片来源:Science此外,这种EC固态冷却装置可制成柔性器件,用于电子设备的迅速降温。研究者测试了工作的智能手机电池,温度达到52.5 ℃后开始降温。普通情况下散热,50 s时间只下降三度;而使用EC固态冷却装置后,5 s就可以下降8 ℃,可有效防止智能手机电池过热引起火灾的隐患,还能降低电池长期过热使用导致的寿命缩短,具有很高的实用价值。柔性EC冷却装置。图片来源:Science同期Science 上,宾夕法尼亚州立大学章启明教授等发表了题为“The refrigerant is also the pump”的评论,[1] 简要讲述了固态制冷的发展以及其工作原理,并评价该工作“巧妙地将静电驱动和EC冷却装置结合起来”。这种EC冷却装置除了能给手机、平板电脑和可穿戴电子产品等有效降温,延长它们的使用寿命,实际上还有更多的用途。裴教授在接受采访时说,它其实就是便携式个人空调,可以放在口袋随身携带,贴在衣服上,塞在鞋子里或者帽子里,也可以当成坐垫,根据个人需要调节身体不同部位的温度。[2]或许,未来这种EC冷却装置也会成为高温下生存的另一必备神器。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Highly efficient electrocaloric cooling with electrostatic actuationScience, 2017, 357, 1130-1134, DOI: 10.1126/science.aan5980导师介绍裴启兵http://www.x-mol.com/university/faculty/45890 课题组主页https://www.peigroup.seas.ucla.edu/ 参考资料:1. http://science.sciencemag.org/content/357/6356/10942. http://newsroom.ucla.edu/releases/thin-flexible-device-could-provide-efficient-cooling-for-mobile-electronics-or-people(本文由小希供稿)

来源: X-MOL 2017-10-08

陈晓东团队AM:3D打印“向日葵”,给点阳光就灿烂

刺激响应性聚合物能够在外界光、热、电、磁、湿度、pH等刺激条件下调整分子结构或材料的尺寸和状态,也被称为“智能材料”。形状记忆聚合物材料作为一类已经被深入研究和应用开发的智能材料,广泛的应用于各种智能致动器件的制备。热刺激响应性的聚氨酯材料是形状记忆材料中的典型代表,具有优异的刺激响应调控性,容易加工成型。同时,3D打印作为一种广受关注的材料成型技术,能够简便地构筑各种复杂、精细的结构。将3D打印技术和智能材料结合起来,实现结构复杂“智能器件”的高精度、简便、高效构筑成为当前材料领域的研究热点。近日,新加坡南洋理工大学陈晓东(Xiaodong Chen)教授(点击查看介绍)研究团队采用熔融沉积建模3D打印技术,以炭黑改性聚氨酯形状记忆聚合物为基材,简便地构筑了具有光热响应性的精美“向日葵花”致动器件。基于聚氨酯材质的热敏形状记忆性能,结合材质中炭黑的光热效应,通过外界光诱导实现了“向日葵花”的自动绽放。相关论文发表于Advanced Materials 杂志上,第一作者为Hui Yang。陈晓东教授。图片来源:Nanyang Technological University3D打印制备光响应性聚氨酯器件示意图。图片来源:Adv. Mater.炭黑、氧化石墨烯等碳材料能够吸收入射光,产生热量,因此将传统的热敏性聚氨酯材料中混入炭黑能够简单地赋予聚氨酯材料光热响应性,而相关器件也能更精确、简便的进行实时光调控。同时,炭黑材料的掺杂改性不影响其复合材质优异的热塑加工性能,适用于3D打印成型。由此材料成型的结构(如下图所示立方体框架)进行加热-冷却形变处理后,对材料进行氙灯照射,材料在光热效应的作用下能够迅速(~160 s)恢复其初始形貌,展现出较好的形状记忆性能。除了在人工光源下,这种材料在阳光下一样表现出了良好的光响应性形状记忆性能(下图b)。不过,考虑到改性聚氨酯材质入射光的穿透性,为了保证器件具有较好的光热响应,需要对器件材料厚度和入射光功率密度进行精细设计。光敏聚氨酯结构的光诱导形状记忆行为。图片来源:Adv. Mater.阳光诱导形状记忆行为。图片来源:Adv. Mater.研究人员进一步采用3D打印技术构筑了结构复杂的光诱导形状记忆聚氨酯“向日葵花”。该光响应形状记忆的“向日葵花”,不仅能够在氙灯照射下几分钟内就“开花”,而且在太阳光的照射下仍然能够“绽放”。3D打印“向日葵花”的光响应性展示。图片来源:Adv. Mater.光照下“开放”的3D打印“向日葵花”。图片来源:Adv. Mater.——总结——形状记忆材料等智能材料在仿生/软体机器人、致动器等诸多领域有着广泛的应用前景。但是,传统的成型方式对器件的形状方面具有较大局限性。陈晓东教授研究团队基于当前应用广泛的3D打印技术,基于光热响应性形状记忆材料设计和构筑了刺激响应性的复杂形状智能器件。该研究成果有望广泛应用于高度订制化的仿生智能设备、软体机器人等领域,同时也为其他刺激响应性的致动器件构筑提供了重要借鉴。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):3D Printed Photoresponsive Devices Based on Shape Memory CompositesAdv. Mater., 2017, 29, 1701627, DOI: 10.1002/adma.201701627导师介绍陈晓东http://www.x-mol.com/university/faculty/45891 (本文由宗传永-济大供稿)

来源: X-MOL 2017-10-06

海藻酸纤维巧变壳数可调中空金属氧化物纤维

海藻酸纤维是一种重要的天然功能纤维新材料,具有天然可再生、绿色环保和天然本质自阻燃、抗电磁辐射、良好的止血抗菌医用等多种功能,符合纤维新的发展趋势,赋予该类纤维极大的开发价值。丰富的海藻生物质作为再生资源在能源材料方面的应用越来越受到人们的关注。近日,青岛大学的杨东江教授(点击查看介绍)和北京大学的郭少军教授(点击查看介绍)合作,通过将海藻酸-金属纤维在空气中热处理,制备出一类具有可调壳数的多壳中空金属氧化物纤维。过渡金属氧化物(TMOs,如NiO、Co3O4、Fe2O3)由于具有较高的理论比容量、较低的成本和高可利用性被视为理想的高性能锂离子电池(LIB)负极材料。然而TMOs电极在脱嵌锂过程中发生巨大的体积变化,极易造成电极材料的粉化,降低其循环性能和倍率性能。设计具有可调空间的TMOs纳米材料可以减轻脱嵌锂过程中产生的机械应力,充分利用一维纤维结构有效缩短Li+的迁移路径,从而实现TMOs的高效利用。但TMOs纳米材料的制备过程中实现空间可调十分困难,找到控制TMOs中空纳米结构空隙的有效策略以实现高容量和稳定的锂离子存储仍旧是很大的挑战。基于上述问题,青岛大学的杨东江教授和北京大学的郭少军教授合作报道了一种用于制备具有可调壳数多壳TMOs中空纤维的通用和可扩展的方法,通过典型的“蛋-盒”将TM阳离子(如Ni2+、Co2+或Fe3+)固定在海藻酸盐纤维中。他们通过调节混合H2O/EtOH溶剂的比例来实现TM阳离子的梯度分布。多壳中空TMOs纤维可以通过海藻酸-TM纤维在空气中简单地退火来合成,壳数可以通过TM阳离子的吸附深度来调节。所合成的多壳中空TMOs纤维用于构建LIBs负极材料时,锂离子的存储性能取决于多壳中空TMOs的壳数,其中三重壳结构表现出最高的容量。(a)多层微纤维的形成示意图;(b)三重壳NiO、Co3O4和Fe2O3中空微纤维电极在1 A/g下的循环性能;(c)三重壳NiO、Co3O4和Fe2O3中空微纤维的SEM图像。所合成的多壳中空TMOs纤维用于设计LIBs负极材料时表现出优异的循环和倍率性能。三重壳NiO电极的首次放电/充电容量分别为1120.1和806.4 mA•h/g,相应的首次库仑效率为72.0 %。所有的多壳NiO纤维负极在1 A/g的电流密度下循环200圈后的容量保持率约为100%,三重壳NiO中空微纤维相比单重壳(601.9 mA•h/g)和双重壳(668.2 mA•h/g)表现出更高的容量(698 mA•h/g)。三重壳Co3O4和Fe2O3电极在1 A/g的电流密度下循环200圈分别表现出940.2 mA•h/g和997.8 mA•h/g的比容量。相关工作发表在ACS Nano 上。该论文作者为:Jin Sun, Chunxiao Lv, Fan Lv, Shuai Chen, Daohao Li, Ziqi Guo, Wei Han, Dongjiang Yang and Shaojun Guo原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Tuning the Shell Number of Multishelled Metal Oxide Hollow Fibers for Optimized Lithium-Ion Storage ACS Nano, 2017, 11, 6186, DOI: 10.1021/acsnano.7b02275导师介绍杨东江http://www.x-mol.com/university/faculty/35079 郭少军http://www.x-mol.com/university/faculty/18935

来源: X-MOL 2017-10-06
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