绝缘层表面极性与纳米沟槽对有机半导体晶相的诱导调控效应

如何实现有机半导体材料中电荷高效传输对于构建高性能的光电器件至关重要。有机场效应晶体管的导电沟道位于紧靠绝缘层的一个或者几个有机半导体分子层内,绝缘层和有机半导体间的相互作用决定了半导体在其界面的晶相生长、分子取向以及膜的形貌,并最终影响半导体的电荷传输性能。近日,天津大学的胡文平教授(点击查看介绍)和中国科学院化学研究所的甄永刚副研究员(点击查看介绍)团队首次提出绝缘层表面的极性和纳米沟槽对于有机半导体晶态膜晶相的生长具有非常重要的调控作用。该团队发现聚酰亚胺PI的热前驱体聚酰胺酸PAA薄膜表面具有纳米沟槽。弱极性的并五苯分子与PAA中强极性的-COOH与-CONH-基团具有较强的排斥作用,而与二苯醚单元组成的纳米沟槽具有很强的相互作用,从而有利于并五苯在纳米沟槽内站立生长,并聚集形成有利于电荷传输的正交相。随后,该团队利用PAA作为介电层制备了高性能、低操作电压的并五苯薄膜有机场效应晶体管,器件的性能高达30.6 cm2•V-1•s-1,是迄今为止并五苯薄膜器件的最高值,其电荷传输性能可与单晶相媲美,也是有机半导体薄膜最高迁移率的少数例子之一。他们利用高性能的晶体管驱动有机发光二极管阵列,说明PAA绝缘材料在光电领域具有十分重要的潜在价值。随后他们发现PAA能诱导并四苯、酞菁铜等有机半导体晶态膜高度有序地生长,验证了表面极性和纳米沟槽诱导作用的普适性,为构筑高性能的有机半导体器件提供了一种新的思路和方法。这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上。该论文作者为:Deyang Ji, Xiaomin Xu, Longfeng Jiang, Saeed Amirjalayer, Lang Jiang, Yonggang Zhen, Ye Zou, Yifan Yao, Huanli Dong, Junsheng Yu, Harald Fuchs and Wenping Hu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):Surface Polarity and Self-Structured Nanogrooves Collaboratively Oriented Molecular Packing for High Crystallinity toward Efficient Charge Transport.J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 2734, DOI: 10.1021/jacs.6b12153导师介绍胡文平http://www.x-mol.com/university/faculty/26829甄永刚http://www.x-mol.com/university/faculty/44768

来源: X-MOL 2017-08-22

可用于快速处理大面积海洋溢油的固态凝胶剂

海洋为人类提供丰富资源的同时也提供了便利的交通运输,然而频发的海洋溢油事故对海洋的生态和环境造成了极大的破坏。据统计,每年进入海洋环境的石油及其制品达到1000万~1500万吨,约占世界石油年产量的5%,其中由船舶运输和近海石油生产导致的泄漏占46.7%。历史上最大的海上溢油事故是2010年4月20日英国石油公司发生在美国墨西哥湾深水地平线号钻井平台的溢油事故,该事故泄漏原油约50万吨,造成高达数千亿美元的经济损失。目前,国际上通用的海水溢油控制方法大致可分为三种:1)物理技术:包括只适用于平静海域且油层较厚的撇油器/收油机和适用于溢油量少大面积操作较困难的吸附剂;2)化学技术:包括只适用于油面较宽油层较厚的燃烧法和具有毒性且使用后易引发二次污染的消油剂;3)生物技术:指利用天然微生物将石油降解的方法,但该方法处理过程缓慢,无法及时处理大规模的溢油事故,并且该方法对于不同种类原油的效果差别极大,不具有普适性。这些海水溢油清污技术共同的缺点是在应对大面积海洋溢油事故的时候往往收效甚微,遗留下来的原油污染物,靠海洋自身的修复能力一般情况下需要2~20年。近年来,来自新加坡生物工程和纳米技术研究院(Institute of Bioengineering and Nanotechnology, A*STAR)的曾华强研究员(点击查看介绍)课题组研究开发了一类低成本的基于天然氨基酸的相选择性超分子凝胶剂(Chem. Mater., 2016, 28, 4001-4008; Langmuir, 2016, 32, 13510-13516)。该类“清污小分子凝胶剂“不仅能够在室温条件下选择性地将水上溢油快速固化成漂浮于水面易于过滤的凝胶状固体,而且凝胶能力高效(在两相环境下能固化其重量30-100倍的原油)。其工作原理是通过胶凝剂分子间的非共价键自组装先形成有序排列的一维纳米纤维,这些一维结构进一步以无序和有序并存的状态相互交联形成三维的带有疏水空腔的网状结构,进而将带有疏水性质的石油分子“冻结”在三维网状结构中形成凝胶状或块状的固化石油。然而,在具体应用时这类凝胶剂需要先溶解在载体溶剂中,然后喷洒到原油上才能将原油快速固化,但大量载体溶剂的存储、运输和海面上的喷洒是相对棘手的难题。为了解决这些问题,作者进一步研究了使用固态凝胶剂的可能。固态凝胶剂的最大优点是在无需载体溶剂的情况下能以粉末的形式将原油固化。然而已有的固态凝胶剂无法处理重质原油,对轻质原油的处理速度极其缓慢,通常需要几个小时至几天的时间,这导致泄漏的原油无法及时固化,也无法及时打捞。一种良好的固态凝胶剂需要同时具备良好的溶解性和凝胶能力以达到快速凝胶原油的效果。作者设想用短烷基链来取代原来分子库的芳香基团将有可能提高凝胶剂分子的溶解性,与此同时对凝胶能力也不会有大的改变。基于此设想,作者合成了一系列基于乙酰基保护的氨基酸小分子库(图1)。图1. 凝胶剂分子的分子库结构随后的测试发现,在所有的凝胶剂分子中,Ac-Ile-C8同时具备良好的溶解性和凝胶能力,在两相环境中,最低凝胶浓度为1.8-5.9% w/v(亦即1.8-5.9 mg/mL)。巧合的是,Ac-Ile-C8也是唯一一个能以粉末的形式将四种从轻质到重质原油完全固化的凝胶剂分子。在凝胶时间固定为24小时的情况下,固态凝胶剂的最低凝胶浓度为2.6-29% w/v。然而,该分子对原油的凝胶时间仍然较长,无法在实际中应用。为了缩短凝胶时间,作者尝试用少量极性溶剂将凝胶剂进行润湿处理,希望极性溶剂分子能在一定程度上破坏固态粉末中凝胶剂分子间的氢键,从而加快凝胶剂分子在原油中的溶解和凝胶速度。如图2a所示,通过一系列实验的测试,在固定凝胶剂用量为6%,凝胶剂与润湿溶剂重量比为3:1的情况下,在8种测试的极性溶剂中,乙腈是唯一一种能够大幅度降低固定凝胶剂对所有四种原油的凝胶时间的溶剂。更多的实验证明在凝胶剂与润湿溶剂重量比为1:1时,凝胶时间可得到最大程度的缩短。其中,轻质原油Grissik和Arab light的凝胶时间缩短了90%以上,重质原油的凝胶速度最高能提高100倍以上。他们将凝胶剂用这种方法处理后,在保持低处理费用的情况下添加不同比例的固态凝胶剂,实验条件上第一次实现了将包括高度风化的重质原油在内的6种原油在10分钟内快速固化(图2b)。图2. 润湿溶剂对固态凝胶剂凝胶时间的影响。WAL和WAH = 风化后的Arab Light和Heavy图3展示了固态凝胶剂在海洋溢油事故中的潜在应用。作者将原油洒在海水表面形成一个3 mm厚的油层,然后将润湿的凝胶剂粉末均匀地撒在原油表面,在没有任何机械搅拌的情况下,只需10分钟左右原油就可以完全固化,并可以通过过滤打捞加以回收利用。此类新型溢油清除材料在国内外市场上尚无相关产品的报道和应用,因而在大面积海洋溢油事故的处理上将具有广阔的应用前景。图3. 固态凝胶剂在海洋溢油事故中潜在应用的展示图这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上,文章的第一作者是新加坡生物工程和纳米技术研究院的任长亮博士。该论文作者为:Changliang Ren, Jie Shen, Feng Chen and Huaqiang Zeng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):Rapid Room-Temperature Gelation of Crude Oils by a Wetted Powder GelatorAngew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 3847, DOI: 10.1002/anie.201611852导师介绍曾华强http://www.x-mol.com/university/faculty/44771

来源: X-MOL 2017-08-22

量化孔形状相似性,寻找顶级材料易如反掌

纳米多孔材料广泛应用于气体分离、催化、药物载体等诸多不同领域。它的性能取决于化学组成和孔的形状,前者容易确定但后者却很难量化。到目前为止,化学家仅依靠视觉分析来判定两种材料的孔隙是否具有相似性。试想,若是能创造一种量化与比较孔隙几何相似性的方法,那么为一个给定的应用寻找到适合的纳米多孔材料,将变得更加容易。近日,来自瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的Berend Smit教授及其团队做出了突破,他们使用拓扑数据分析(topological data analysis,TDA),开发出一种新的孔识别方法以定量评估孔结构的相似性并加以分类。该方法能够区分具有孔隙几何相似性的材料,也可根据给定结构筛选与之相似的材料。相关成果发表于Nature Communications 杂志上。Berend Smit教授。图片来源:EPFL研究人员首先采用“持续同调(persistent homology)”为给定的材料生成相应的条形码,这种条形码相当于数据库中每种材料孔结构所特有的“指纹”。然后研究人员将这些指纹进行比较,以计算两种材料孔形状的相似程度。利用这种方法,研究人员就可以识别并筛选出具有类似孔结构的材料。两种不同沸石结构的“指纹”图谱。图片来源:Nat. Commun.接着,研究人员对比了利用持续同调与传统方法来寻找类似孔结构的结果。传统方法虽然可以找到具有相似大小的结构,但其孔的形状却有极大的差别。相比而言,由持续同调寻找到的材料,可以保证孔的形状也非常相似。比较持续同调(PerH)与传统方法(ConD)寻找类似结构的材料。图片来源:Nat. Commun.然后,研究人员将目标锁定到近年来热门的金属有机框架(MOF)材料。在近5年内,文献已经报道合成了超过10,000种MOFs,如此多的数量使得人们无法通过视觉来比较相应的孔结构。而采用新的拓扑数据分析方法,研究人员能够轻松地寻找到具有类似孔形状的MOFs,就算它们的化学组成不同也没关系。具有类似孔形状的MOFs。图片来源:Nat. Commun.最后,研究人员使用甲烷储存作为案例进行实际研究。研究结果表明,通过搜索数据库以获得类似的孔形状,可以找到7种不同类型的性能优异的多孔材料。同时,映射图的颜色编码也很好地说明了不同孔形状的材料具有不同的最佳吸附热。拓扑数据分析揭示了结构之间的相似性,每个节点表示类似材料的系列,而两个节点之间的网络表示它们共享至少一种材料。节点之间的距离越远,材料越不相似。在甲烷储存中表现最佳的沸石(前1%)的映射图。图片来源:Nat. Commun.总而言之,量化孔结构的相似性,能够使科学家们不仅可以筛选与性能优异结构类似的材料,还可以根据孔形状的相似性来归类某一组材料。接下来,研究人员打算将此方法扩展到化学特异性以及电荷分布,以期更全面地探索最佳性能的材料。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):Quantifying similarity of pore-geometry in nanoporous materialsNat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/ncomms15396(本文由冰供稿)

来源: X-MOL 2017-08-20

水凝胶做电解质,超级电容器可拉伸可压缩

可穿戴能源设备、软体机器人等现代电子学的兴起,对电解质的性能提出了更高的需求。开发具有高柔韧性、可拉伸-压缩、高离子电导率,同时兼具高功率密度、较快充放电速率和长循环使用寿命等优点的“软”电解质成为该领域的迫切需求。但是,目前广泛使用的聚乙烯醇基(PVA)电解质缺乏足够的柔韧度,存在不可拉伸-压缩的缺陷。因此,通常人们多采用引入惰性柔性基底或材料表面构筑褶皱、波状形貌等策略以赋予器件柔韧性。但是,上述策略构筑的柔性器件其体积/质量电容较小、可拉伸率偏低(≤100%),而且高拉伸应变情况下电容量衰减明显。同时该类器件尚未改善不可压缩状况,这在极大程度上限制了柔性电容器的应用拓展。水凝胶具有亲水性聚合物网络结构,其体积可基于体系的含水量进行简便调控,具有优异的可拉伸-压缩性能。同时,水凝胶体系中的水分可溶解离子,是制备高离子电导率“软”电解质的理想材料。近日,香港城市大学支春义教授(点击查看介绍)研究团队和清华大学谢续明教授(点击查看介绍)研究团队合作,以质子化聚丙烯酰胺(PAM)为聚合物主体,以烯基杂化二氧化硅纳米颗粒(VSNPs)为交联剂组分,制备了高离子电导率的可拉伸可压缩柔性水凝胶电解质。该水凝胶电解质拉伸率大于1000%,可承受器件自身重量257倍的外加压缩应力,体积压缩50%,器件电容量基本不变。柔性水凝胶电解质的结构及制备示意图。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.研究团队以乙烯基三乙氧基硅烷为原料,通过溶胶-凝胶法制备了粒径为10 nm的VSNPs,然后与丙烯酰胺单体原位聚合制备了具有VSNPs作交联点的水凝胶电解质。该水凝胶体系中共价键连接的VSNPs交联点在大拉伸应力条件下能够起到应力耗散的作用,提高了体系的柔韧性。体系中PAM链结构中分子间/分子内的可逆氢键能够保持凝胶体系的完整性。凝胶体系中的质子则保证了水凝胶体系的高离子电导率。上述三者的协同效应共同赋予PAM-VSNPs水凝胶电解质优异的柔韧性(耐高拉伸应变、可压缩)和电化学性质,其离子电导率为17 mS cm-1与PVA/H3PO4电解质体系性能相当。研究团队通过将PAM-VSNPs电解质膜水凝胶预拉伸(ε >1000%),贴合柔性的PPy@CNT纸基电极后释放预应变,得到了表面具有“褶皱”结构的柔性电容器。PAM-VSNPs水凝胶电解质微观形貌及高柔韧性机理。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.研究团队对PAM-VSNPs基电容器不同拉伸应变条件下循环伏安(CV)曲线、恒电流充/放电曲线(GCD)进行了系统的测试,测试表明随着拉伸率的增加其电化学性能得到了提升。在1000%拉伸应变条件下GCD和CV曲线推算其电容分别增加了2.6倍和2.2倍。分析表明,在高拉伸条件下电极和电解质的接触面积增加,参与电化学活动的组分增多,从而导致电容得到有效提升。同时,基于PAM-VSNPs水凝胶体系的高强度,该电容器能够有效承受压缩应变,在50%压缩形变情况下电容仍能保持起始值的99.4%。综合比较,该体系电容器件其拉伸应变率、可压缩性以及高应变条件下的性能稳定性都优于以往的报道的相关柔性器件。PAM-VSNPs基电容器具有优异的柔韧性。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.——总结——对于现代电子学,电解质的柔韧性无疑成为制约柔性电子器件发展的瓶颈问题之一。该研究将水凝胶体系的高柔韧性引入到电解质体系中,有效解决了传统PVA基电解质体系的低拉伸应变和不可压缩等缺陷。基于该PAM-VSNPs水凝胶电解质构筑的电容器,其拉伸应变可高达1500%,同时实现了压缩条件下的性能稳定。该研究成果的推广应用,将极大地扩展柔性电容器的应用范围,同时为其他柔性电子器件的设计提供新的理念。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 polyacrylamide hydrogel electrolyte enabled intrinsically 1000% stretchable and 50% compressible supercapacitorAngew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 9141-9145, DOI: 10.1002/anie.201705212导师介绍支春义http://www.x-mol.com/university/faculty/35062 谢续明http://www.x-mol.com/university/faculty/21063 (本文由甲子湖供稿)

来源: X-MOL 2017-08-19

超薄二维纳米材料的研究进展

自2004年首次发现机械剥离的石墨烯以来,关于超薄二维纳米材料的研究在凝聚体物理、材料科学、化学以及纳米技术领域都呈指数级增长。近日,新加坡南洋理工大学的张华教授(点击查看介绍)团队系统地总结了超薄二维纳米材料的最新研究进展。超薄二维纳米材料是一类具有片状结构的新兴纳米材料,横向尺寸超过100 nm或几微米甚至更大,但厚度只相当于单个或几个原子层(一般不超过5 nm)。尽管对于二维材料的研究可以追溯到几十年前,但2004年是现代超薄二维纳米材料研究标志性的一年。2004年,英国曼彻斯特大学的Novoselov和Geim等人成功地使用胶带,也就是现在广为人知的微机械剥离法,从石墨晶体上剥离得到石墨烯(Graphene)。由于电子被限制在二维环境中,石墨烯表现出独特的物理、电子及化学性质。到目前为止,除石墨烯外,很多类石墨烯材料也得以成功研究,如六方氮化硼(h-BN)、过渡金属二硫族化合物(TMDs)、石墨化氮化碳(g-C3N4)、层状金属氧化物和层状双氢氧化物(LDHs)等。它们具有与石墨烯类似的结构,但组分大不相同,因此表现出丰富的理化性质。石墨烯与类石墨烯超薄二维纳米材料的巨大前景进一步促进了其他新型超薄二维纳米材料的研究,包括二维过渡金属碳化物或碳氮化物(Mxenes)、贵金属、金属有机框架材料(MOFs)、共价有机框架材料(COFs)、高分子、黑磷(BP)、硅烯、锑烯、无机钙钛矿和有机无机杂化钙钛矿。超薄二维纳米材料独特的性质极大促进了各种超薄二维纳米材料合成方法的研究发展。到目前为止,已有一系列效果显著的方法得以开发,如微机械剥离法、机械力辅助液相剥离法、离子插层辅助液相剥离法、离子交换辅助液相剥离法、氧化辅助液相剥离法、选择性蚀刻液相剥离法、化学气相沉积法以及湿化学合成法。所有上述方法可分为自上而下和自下而上两大类。值得注意的是,不同方法合成的材料具有不同的结构特征,表现出不同的物理、电子、化学和表面性质,因此对材料进行全面而精确的表征至关重要。合成超薄二维纳米材料精确的大小、组分、厚度、晶相、掺杂、缺陷、空位、应力、电子态以及表面性质等信息有利于阐明结构与性质或性能之间的相互关系。因此,人们发展了一系列先进的技术用于表征这些超薄二维纳米材料,包括光学显微镜、扫描探针显微镜、电子显微镜、X射线吸收精细结构谱、X射线光电子能谱、拉曼光谱等。更重要的是,这些独特的性质使超薄二维纳米材料拥有巨大的潜在应用前景,包括在电子和光电子、催化、能量储存与转换、传感器和生物医学等领域的应用。考虑到这些材料独特的结构特性、性质和潜在应用,超薄二维纳米材料已经成为当今在凝聚体物理、材料科学、化学以及纳米技术领域最热门的研究话题之一。鉴于此,作者相信及时撰写一篇综述性论文对此方向的未来发展至关重要。这篇综述的目的是总结超薄二维纳米材料的最新研究进展。首先,他们简要地介绍了背景知识,接着讨论超薄二维纳米材料的独特优势。在介绍超薄二维纳米材料的晶体结构之后,他们讨论这些材料不同的合成方法及其各自的优劣。在此之后,他们介绍了一些用于表征超薄二维纳米材料的主要手段。最后基于现有的研究基础,他们就该方向的研究挑战以及未来的发展提出了一些个人见解。这一成果近期发表在Chemical Reviews 上,文章的第一作者是新加坡南洋理工大学的博士后研究员谭超良。该论文作者为:Chaoliang Tan, Xiehong Cao, Xue-Jun Wu, Qiyuan He, Jian Yang, Xiao Zhang, Junze Chen, Wei Zhao, Shikui Han, Gwang-Hyeon Nam, Melinda Sindoro, Hua Zhang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):Recent Advances in Ultrathin Two-Dimensional Nanomaterials Chem. Rev., 2017, 117, 6225-6331, DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00558张华教授简介张华,新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院终身教授,1992和1995年分别于南京大学获得本科和硕士学位,1998年于北京大学取得博士学位,师从刘忠范院士;1999年加入比利时鲁汶大学Frans C. De Schryver教授课题组从事博士后研究工作,2001年加入美国西北大学的Chad A. Mirkin教授的课题组开展研究工作,2006年7月起就职于新加坡南洋理工大学。http://www.x-mol.com/university/faculty/39443

来源: X-MOL 2017-08-18

负载超小碳纳米点的光学MOF薄膜

功能复合薄膜材料的高效、经济性制备是当前新型薄膜材料的研发难题之一,尤其是光功能复合薄膜的制备和应用还需要大力发展。最近,福建物构所结构化学国家重点实验室的张健研究员(点击查看介绍)领导的研究团队,在科技部973计划、国家基金委“无机-有机杂化功能材料”创新群体、中科院“新兴与交叉领域”项目和福建省“杰出青年基金”等经费的资助下,成功合成了负载超小碳纳米点阵的光学MOF薄膜材料。碳纳米点(CDs)由于具有高化学稳定性、低毒性、良好的生物兼容性和优异的光物理性能,在催化、荧光、传感和生物成像等方面都有着广阔的应用前景。该研究团队创新性地利用MOF材料和葡萄糖分子在碳化温度上的显著差异来实现碳纳米点与MOF材料的复合。一般MOF材料的碳化温度需超过500摄氏度,而葡萄糖分子的碳化温度却在200摄氏度左右。因此,负载葡萄糖分子的MOF材料在200摄氏度条件下保持骨架结构不变,但是葡萄糖被碳化为限制在MOF孔中的碳纳米点,从而获得分散均一的CDs@MOF复合材料。碳纳米点的尺寸可以通过拥有不同孔结构的MOFs去调控。制备的碳纳米点负载型MOF薄膜不仅具有良好的形貌和光学透明度,而且表现出波段可调的光致发光效应和光限幅效应。该研究工作实现了超小碳纳米点阵在MOF模板中的可控合成,并发展了新型CDs@MOF复合光限幅材料。这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。文章的通讯作者为张健研究员,第一作者为谷志刚副研究员。该论文作者为:Zhi-Gang Gu, De-Jing Li, Chan Zheng, Yao Kang, Christof Wöll, Jian Zhang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):MOF-Templated Synthesis of Ultra-Small Photoluminescent Carbon Nanodot Arrays for Optical ApplicationsAngew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 6853, DOI: 10.1002/anie.201702162导师介绍张健http://www.x-mol.com/university/faculty/22956

来源: X-MOL 2017-08-18

RSC主编推荐:材料领域精彩文章快览(免费阅读原文)

英国皇家化学会(RSC)是一个拥有175年历史的面向全球化学家的非营利会员制机构,旗下拥有43种期刊,其中很多在化学领域有很高影响力。为了进一步帮助广大读者追踪科技前沿热点,X-MOL团队与英国皇家化学会合作,推出英国皇家化学会期刊主编推荐的精彩文章快览,本期文章属“材料领域”,英文点评来自英国皇家化学会期刊的主编。如果大家对我们的解读有更多的补充和点评,欢迎在文末写评论发表您的高见!Chemical Science (IF: 8.668)1. Material discovery by combining stochastic surface walking global optimization with a neural networkChem. Sci., 2017, Advance Article. DOI: 10.1039/C7SC01459GResearchers in Shanghai have developed a theoretical framework for exploring the potential energy surface (PES) of materials. The framework combines the stochastic surface walking global optimization method with a neural network. The predictive ability of the method was demonstrated by investigating the PES of a TiO2 system, which led to the discovery of two new porous TiO2 crystal phases.复旦大学的刘智攀教授团队发展了一种能够探究材料势能面(potential energy surface,PES)的理论框架,该理论框架结合了随机表面行走模拟的全局优化算法和神经网络算法。作者通过计算二氧化钛体系势能面来展示该理论模型的预测能力,由此发现了两个新的TiO2多孔晶相。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文2. AIE-doped poly(ionic liquid) photonic spheres: a single sphere-based customizable sensing platform for the discrimination of multi-analytesChem. Sci., 2017, Advance Article. DOI: 10.1039/C7SC02409FScientists in Beijing have developed a novel sensing system for multi-analytes, based on a single aggregation-induced emission (AIE) doped poly(ionic liquid) photonic sphere. Due to the multiple intermolecular interactions involved in ionic liquid units, a single sphere could interact with broad classes of analytes, generating response patterns with outstanding diversity. The system was demonstrated by the successful detection of four multi-analyte systems, consisting of amino acids, phosphate derivatives, metal ions and enantiomers.清华大学李广涛教授和中国科学院化学研究所张德清研究员等研究者在近期的合作研究中发展了一种新型的可用于多种分析物检测的传感体系,该体系基于一种掺杂了聚集诱导发光(aggregation-induced emission,AIE)的聚(离子液体)单光子球。由于离子液体单元中存在多种分子间相互作用,单个球体就能够与多种不同的分析物相互作用,产生具有显著多样性的响应模式。该系统已经成功用于检测含有氨基酸、磷酸酯衍生物、金属离子和对映异构体这四种多分析物体系。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文Material Horizon (IF: 10.706)1. Trace detection of homologues and isomers based on hollow mesoporous silica sphere photonic crystalsMater. Horiz., 2017, Advance Article. DOI: 10.1039/C7MH00447HThere are few examples of photonic crystals comprising hollow nanoparticles. Here researchers from Harbin Institute of Technology prepare photonic crystals based on novel monodispersed hollow mesoporous silica spheres with high surface areas and a narrow size distribution. These crystals show excellent sensing performing, distinguishing between homologues and isomers.含有中空纳米颗粒的光子晶体鲜有报道,哈尔滨工业大学的李垚教授及徐洪波博士等研究者制备了具有高表面积和窄粒径分布的新型单分散中空介孔二氧化硅球,并组装获得光子晶体。这些光子晶体表现出优异的传感性能,能够区分同系物和异构体。限时免费阅读原文,登陆后可下载扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文2. Origin of the high oxygen reduction reaction of nitrogen and sulfur co-doped MOF-derived nanocarbon electrocatalystsMater. Horiz., 2017, Advance Article. DOI: 10.1039/C7MH00244KTo overcome the limitations of the conventional N-doped carbon electrocatalysts for the oxygen reduction reaction, Professor Limin Liu from the Beijing Computational Science Research Centre and colleagues from Canada report a highly porous N,S-co-doped MOF nanocarbon, constructed with high loading of active sites. For the first time, this work provides an insight into the relationship between the doping-structure and performance.为了克服传统N-掺杂碳电催化剂在氧还原反应中的局限,加拿大西安大略大学的孙学良教授和北京计算科学研究中心的刘利民研究员等研究者共同报道了一种高度多孔、高活性位点负载的N,S-共掺杂MOF碳纳米材料。这项工作首次深入探究了掺杂结构与性能之间的关系。限时免费阅读原文,登陆后可下载扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文3. Graphene/graphitic carbon nitride hybrids for catalysisMater. Horiz., 2017, Advance Article. DOI: 10.1039/C7MH00379JIn this review, authors from Beijing Institute of Technology summarize recent research advances in synthesizing graphene/g-C3N4 hybrid-based catalysts, and their applications in energy conversion, environmental decontamination, and other fields. The current limitations and some future trends of graphene/g-C3N4 hybrid-based nanomaterials as advanced catalysts are also discussed.北京理工大学的曲良体教授等研究者最近在Mater. Horiz. 发表综述文章,总结了近期在合成石墨烯/g-C3N4杂化催化剂方面的研究进展,以及其在能量转化、环境污染处理等方面的应用,同时还探讨了这种杂化纳米材料作为性能卓著的催化剂在当前的局限性和未来的发展趋势。限时免费阅读原文,登陆后可下载扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文

来源: X-MOL 2017-08-17

兼具高发光效率和稳定性的超薄二维有机-无机杂化钙钛矿纳米片

单层或少层结构的二维纳米材料相比于同类基体材料往往具有独特的光学、电学等特征,是当今研究的热点。有机-无机杂化钙钛矿材料具有许多重要的特征,如光吸收能力强、优异的光致发光特性、较低的缺陷密度等。然而,具有二维结构的超薄钙钛矿纳米材料却鲜有报道。众所周知,二维纳米材料的性能与其厚度往往具有密切的关系。以层状钙钛矿材料为例,当厚度较小时,该材料将具有极强的光耦合作用、晶体结构弛豫以及荧光光谱位移等特殊现象。传统二维钙钛矿材料的制备方法仍存在许多问题,如何制备超薄二维钙钛矿材料仍是当今重要的挑战。图1. 二维超薄钙钛矿纳米片的制备及表征针对该问题,研究人员开发出多种合成方法。最常见的方法是直接将钙钛矿前驱体溶液滴到基底表面,随着溶剂蒸发,逐渐形成单层或少层的钙钛矿。然而这种方法得到的钙钛矿很难从基底取下。另外,机械剥离法也可以制备二维超薄钙钛矿材料,但是该方法很难可控地制备材料。图2. 二维超薄钙钛矿纳米片的光学性质近日,新加坡南洋理工大学的张华教授(点击查看介绍)团队首次开发出一种快速简单的湿化学合成方法制备出超薄二维(C6H5CH2NH3)2PbX4(X=Cl、Br、I)钙钛矿纳米片材料。通过氯苯、氯仿、二氯甲烷等作为溶剂的对比实验,作者发现得到的二维纳米片材料的尺寸可以根据溶剂极性进行大幅度的调控。钙钛矿卤素结构的调控进一步证明了该材料的光致发光可调性。与传统的CH3NH3PbI3钙钛矿发光材料相比,该类超薄二维钙钛矿材料在潮湿、光照及高温条件下具有更优异的稳定性。这种材料兼具可调的发光特性、狭窄的发射谱线宽度、高量子产率及良好的稳定性等特点,将为今后二维钙钛矿材料的研究及应用提供重要的平台。这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上,文章的第一作者是新加坡南洋理工大学的博士后研究员杨双。该论文作者为:Dr. Shuang Yang, Dr. Wenxin Niu, Dr. An-Liang Wang, Dr. Zhanxi Fan, Dr. Bo Chen, Dr. Chaoliang Tan, Dr. Qipeng Lu, Prof. Hua Zhang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):Ultrathin two-dimensional organic-inorganic hybrid perovskite nanosheets with bright, tunable photoluminescence and high stabilityAngew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 4252–4255, DOI: 10.1002/anie.201701134张华教授简介张华,新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院终身教授,1992和1995年分别于南京大学获得本科和硕士学位,1998年于北京大学取得博士学位,师从刘忠范院士;1999年加入比利时鲁汶大学Frans C. De Schryver教授课题组从事博士后研究工作,2001年加入美国西北大学的Chad A. Mirkin教授课题组开展研究工作,2006年7月起就职于新加坡南洋理工大学。http://www.x-mol.com/university/faculty/39443

来源: X-MOL 2017-08-17

功能染料聚集体研究的新进展

功能性染料的超分子聚集体及其光、电性质一直是备受关注的研究课题。自然界中细菌捕光系统中心所具有的环形及管状叶绿素聚集体结构及其功能是体现J-聚集体引人注目的最好例证。近年来,研究人员一直试图从仿生的角度通过分子设计和合成,利用染料分子间的超分子作用进行新型J-聚集体的构筑,但在已报道的例子中,聚集体的特征光学性质,例如吸收及发射光谱的红移及高度锐化、激子扩散尺度等仍难以超越早期发现并广泛研究的菁染料J-聚集体。近日,天津大学化工学院的陈志坚教授(点击查看介绍)课题组设计并合成了一种具有类Gemini表面活性剂结构的两亲性氮杂氟硼二吡咯(aza-BODIPY)染料(dye 1),并发现该染料分子可以形成在近红外区域具有尖锐强吸收峰的J-聚集体。他们与德国维尔茨堡大学的F. Würthner教授课题组合作,深入研究了聚集体的结构与形成机理。此类聚集体的发现为新型染料聚集体的构筑打开了一扇新的大门,是继二十世纪三十年代菁染料J-聚集体之后发现的一个重要进展。进一步的研究表明,此类J-聚集体的激子离域尺度在室温下达到大约44个分子,并且具有很好的稳定性,因而在人工光捕集、纳米光子学及器件等前沿领域具有广阔的应用前景。该课题组发现染料1在低浓度的甲醇溶液中以单体形式存在,吸收光谱峰位于688 nm,而在高浓度下会首先形成一种吸收峰较宽的I型聚集体(Agg. I);将I型聚集体的溶液放置数周后,溶液颜色发生明显变化,而吸收光谱在799 nm处出现了强且尖锐的吸收峰,与单体溶液吸收峰相比红移约110 nm,且摩尔吸收系数远高于单体,表明一种新的II型聚集体(Agg. II)生成。通过原子力显微镜(AFM)对I型和II型聚集体的形貌和结构进行表征,他们发现I型聚集体在云母基底上呈现球状纳米颗粒形貌,而II型聚集体则呈现出有序度更高的纳米棒结构。根据形貌表征的结果,作者提出了II型聚集体的圆柱状分子排列模式,从而形成高度有序的J-聚集体,并具有与叶绿素J-聚集体类似的近红外吸收。作者进一步根据染料1在甲醇溶剂中的吸收光谱随温度和浓度的变化对两种聚集体的形成机理进行了深入研究,发现两种聚集体的自组装表现为竞争关系,Agg. I的形成是一种动力学控制的自组装行为,同时具有较大的成核尺寸和较低的协同性,而Agg. II是一种热力学稳定的聚集形态,自组装过程具有更小的成核尺寸和更高的协同性,进而提出了Agg. I和Agg. II形成过程的竞争性协同自组装过程模型。这一成果作为期刊封面论文(Front Cover)近期发表于Angewandte Chemie International Edition,文章的第一作者和第二作者分别是天津大学的陈志坚教授和博士研究生刘勇。该论文作者为:Zhijian Chen, Yong Liu, Wolfgang Wagner, Vladimir Stepanenko, Xiangkui Ren, Soichiro Ogi, and Frank Würthner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):Near-IR Absorbing J-Aggregate of an Amphiphilic BF2-Azadipyrromethene Dye by Kinetic Cooperative Self-AssemblyAngew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 5729-5733, DOI: 10.1002/anie.201701788导师介绍陈志坚http://www.x-mol.com/university/faculty/13044

来源: X-MOL 2017-08-16

端基修饰提升非富勒烯型有机太阳能电池的开路电压

在本体异质结有机太阳能电池中,高性能的光活性层材料是构筑高效率器件的关键。在过去数十年,有机太阳能电池的发展主要依托于富勒烯受体。基于富勒烯受体的有机太阳能电池的效率已经超过了11%,但是富勒烯受体体系具有较高的能量损失(往往大于0.7 eV),严重限制了有机太阳能电池的效率。最近,非富勒烯受体有机太阳能电池的研究取得了显著的进展,在性能上甚至超过了富勒烯受体的有机太阳能电池。这主要得益于非富勒烯受体易于调制的光谱和能级以及低能量损失等特点。近日,中国科学院化学研究所的侯剑辉研究员(点击查看介绍)课题组在Advanced Materials 上发表论文,设计合成的新型非富勒烯受体ITCC结合给体PBDB-T制备得到有机太阳能电池,开路电压达到1.01 V,并且获得了超过11%的能量转化效率。该工作同时与中国科学院化学研究所的易院平研究员、北卡罗莱纳州立大学的Harald Ade教授和叶龙博士以及韩国高丽大学的Han Young Woo教授等合作,从分子理论层面到共混层微观形貌的多尺度进行研究,揭示了化学修饰对器件性能的影响。图1. 受体分子端基对其堆积方式和电荷传输影响的示意图。图片来源:Adv. Mater.相对碳原子来说,硫原子外层电子受原子核束缚更弱,并且含有噻吩共轭单元的分子往往比含有苯共轭单元的分子具有更强的π–π*相互作用。在该论文中,他们用稠环的氰基噻吩茚酮端基取代ITIC氰基茚酮,合成了新型的非富勒烯受体ITCC(图1)。理论计算的结果表明,ITCC分子间的结合能比ITIC小2.59 kcal•mol–1,表明ITCC更容易形成有序的分子间堆积。如图2所示,GIWAXS的测试结果表明ITCC的π–π*堆积距离为3.83 Å,小于ITIC(3.93 Å)。图2. ITCC和ITIC的GIWAXS和R-SoXS。图片来源:Adv. Mater.此外,噻吩稠环比苯具有更强的给电子特性,可显著降低分子内的电荷转移。如图3所示,ITCC的吸收相比于ITIC蓝移了40 nm,同时噻吩作为富电子基团降低了端基的吸电子特性,ITCC的LUMO能级相比于ITIC显著上移了140 meV,有利于提高电池器件的开路电压。图3. ITCC和ITIC的吸收光谱和循环伏安测试曲线。图片来源:Adv. Mater.作者制备了结构为ITO/PEDOT : PSS/PBDB-T : ITIC or ITCC/PFN-Br/Al的有机太阳能电池器件,并测试了其光电性能,如图4和表1所示。基于PBDB-T : ITCC器件,开路电压提高到了1.01 V,能量转化效率达到11.4%。相比之下,基于PBDB-T : ITIC的器件获得了10.6%的能量转化效率和0.93 V的开路电压,这一结果与以往文献报道的结果相仿。表1. ITCC和ITIC的光伏性能参数。表格来源:Adv. Mater.a) 括号内为通过EQE积分获得的电流密度;b) 括号内为多于10个器件的平均结果图4. 基于ITCC和ITIC电池器件的J–V 和EQE曲线。图片来源:Adv. Mater.该论文作者为:Huifeng Yao, Long Ye, Junxian Hou, Bomee Jang, Guangchao Han, Yong Cui, Gregory M. Su, Cheng Wang, Bowei Gao, Runnan Yu, Hao Zhang, Yuanping Yi, Han Young Woo, Harald Ade and Jianhui Hou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):Achieving Highly Efficient Non-fullerene Organic Solar Cells with Improved Intermolecular Interaction and Open-circuit VoltageAdv. Mater., 2017, 29, 1700254, DOI: 10.1002/adma.201700254导师介绍侯剑辉http://www.x-mol.com/university/faculty/15463

来源: X-MOL 2017-08-14

光还原法批量化制备石墨烯平面储能器件

近日,中国科学院大连化学物理研究所的吴忠帅(点击查看介绍)研究团队发展了紫外光还原氧化石墨烯的技术,一步法实现了氧化石墨烯的还原与石墨烯图案化微电极的一体化构筑,批量化制备出不同构型、大小的高性能离子液体平面储能器件——微型超级电容器。近年来,柔性化、小型化、智能化电子产品的快速发展极大促进了与其配套的平面储能器件的发展。在众多此类储能器件中,微型超级电容器具有功率密度高、充放电速率快、使用寿命长等优点,受到了广泛的关注。石墨烯具有优异的性能,例如优异的导电性、高比表面积和高稳定性等,是构筑微型超级电容器的一种非常有前景的电极材料。目前石墨烯微型超级电容器的制备方法,如湿法光刻微加工技术存在操作步骤繁琐、制备过程复杂、成本高等问题,不宜批量化生产。此外,以氧化石墨烯为前驱体制备的微型超级电容器往往需要额外的化学还原或热还原步骤,发展高效、简化、大规模的制备技术十分必要。吴忠帅研究团队发展了紫外还原氧化石墨烯的简化技术,采用掩模板协助一步实现了氧化石墨烯薄膜的高效还原与石墨烯微电极的图案一体化构筑。通过选择不同构型的掩模板,他们可以批量化制备出不同构型、不同大小的微型超级电容器并实现串并联模块化集成。与已发展的制备技术(如湿法光刻、喷涂打印)不同,该技术不仅具有操作流程简单、成本低、条件温和等优点,而且能够高效地构建不同构型、集成化的微型功率源。这种光还原法制备的石墨烯微型电容器在离子液体中均表现出高扫描速率(200 V/s),高能量密度(7.7 mWh/cm3)和功率密度(312 W/cm3)。这一研究成果开辟了一步法简化制备石墨烯微型超级电容器的新途径,为批量化、集成化石墨烯基芯片储能器件的制造技术提供了一定的技术基础,同时为创造包括传感器,生物传感器,燃料电池和医疗设备等低成本、图案化的石墨烯基电化学材料的应用与集成提供了可能。这一成果近期发表在ACS Nano上,文章的第一作者是中科院大连化学物理研究所的博士研究生王森。该论文作者为:Sen Wang, Zhong-Shuai Wu*, Shuanghao Zheng, Feng Zhou, Chenglin Sun, Hui-Ming Cheng, and Xinhe Bao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):Scalable Fabrication of Photochemically Reduced Graphene-Based Monolithic Micro-Supercapacitors with Superior Energy and Power DensitiesACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b01390吴忠帅研究员简介吴忠帅,博士,研究员,二维材料与能源器件研究组组长,国家“青年千人计划”,2011年在中科院金属研究所获工学博士学位,师从成会明院士和任文才研究员;2011年7月至2015年6月在德国马普高分子研究所从事博士后研究工作,合作导师为著名化学家Klaus Müllen教授和冯新亮教授。2015年6月起,受聘于中科院大连化学物理研究所,担任二维材料与能源器件研究组组长。吴忠帅研究员长期从事石墨烯等二维材料的控制制备及其在平面储能器件等领域的研究,到目前为止,已在Adv. Mater.、Nat. Commun.、JACS、ACS Nano、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Energy Storage Mater. 等期刊上发表论文50余篇,其中影响因子大于10的论文32篇(第一或通讯作者23篇),被SCI他引11000余次,单篇他引超过300次的论文15篇,单篇最高SCI被引用1400余次,入选“近十年十大中国高被引科技论文”,ESI高被引论文“Highly Cited” 22篇;多篇论文被Materials Views、eeNews Europe、EurekAlert!、科学网、ACS网站、中科院之声等平台报道;申请专利18项,已授权5项;应邀在Carbon、Graphene Week、CIMTEC、中科院化学学部科学与技术前沿论坛等国际或国内会议做大会特邀、邀请和口头报告30余次。吴忠帅研究员曾获得多个国内外重要奖项:IOP “Outstanding Reviewer Awards 2016”、Energy Storage Materials 杂志2016 “Excellent Reviewer Award”、2016年辽宁省百千万人才工程-千人层次、National Science Review 杂志“2015 Best Paper”奖、2015年度辽宁省自然科学奖一等奖、第十一批国家“千人计划”青年人才、Carbon 杂志2013/2014年“Excellence in Review Award”、“Distinguished Winner of the Carbon Journal Prize 2013”、2012年度“中国科学院优秀博士学位论文”以及2011年度“中国科学院院长特别奖”等。http://www.x-mol.com/university/faculty/26723  

来源: X-MOL 2017-08-13

Nat. Nanotech.:网状结构设计,让电子皮肤变得“会呼吸”

人们所熟悉的一些临床诊断手段,例如心电图、肌电图和脑电图等,需要将电极粘到皮肤上感应并传递皮肤上的电信号到仪器,帮助医生监测患者的生命体征。另外,有类似功能的电子器件也可以帮助提高假肢的敏感度和响应水平。虽然这些电子器件可以很好的贴合在皮肤上,但是不透气的材质会阻碍出汗,如果长期使用甚至还可能引起刺激或炎症。在一些医疗和体育领域的研究中,常常要求对心率进行一年以上的连续监测,因而解决电子器件贴片的透气性问题显得尤为重要。日前,来自东京大学的Takao Someya教授(点击查看介绍)及其团队,基于纳米网(nanomeshes)结构,开发出一种超薄、轻便、可拉伸且高度透气的电子传感器(被称为“电子皮肤”),可以被直接、长期用于人体皮肤,且不会对皮肤产生刺激或是引发炎症反应。相关成果发表于Nature Nanotechnology 杂志上。Takao Someya教授(左)。图片来源:University of Tokyo类似黄金纹身的“电子皮肤”。图片来源:University of Tokyo研究人员首先通过静电纺丝技术,将生物相容性良好的水溶性聚合物聚乙烯醇(PVA)的纳米纤维编织成网状。接着,在其表面覆盖薄薄一层金(厚度为70-100纳米)作为导电材料。使用的时候,将其放在皮肤表面并喷洒一些水,PVA会溶解并形成几十纳米厚的粘合剂层,从而使金纳米网粘附在皮肤上。这种透水透气的“电子皮肤”可以很好地贴合在不规则的皮肤表面,对皮肤纹理、指纹、皱纹都没有影响。要想去掉也很容易,洗一洗就行,PVA完全溶解之后金纳米网也就不会继续粘附在皮肤上了。纳米网结构的“电子皮肤”的制备示意图。图片来源:Nat. Nanotech.通过与皮肤科医师进行合作,研究人员研究了这种“电子皮肤”对皮肤的刺激性。在一周的时间内,在志愿者前臂上使用此种“电子皮肤”没有发现任何皮肤刺激或是炎症。而其他两种传统的基质——聚对二甲苯薄膜和硅树脂薄膜——则会发生轻微的反应,如瘙痒、刺激、干燥等。研究人员将该“电子皮肤”的这种优势归功于纳米网的多孔结构所带来的高透气性。纳米网“电子皮肤”显示出极好的生物相容性。图片来源:Nat. Nanotech.除了上述优点,这种纳米网“电子皮肤”还有非常好的柔性。在反复拉伸至原始长度的140%(类似人类关节处皮肤在伸直和弯曲时候的拉伸程度)之后,性能并没有明显下降。研究人员还成功地将其应用于皮肤无线传感器系统中。指尖微型传感器的触觉、温度、压力电信号可以通过露指手套上的无线传输器件传递到笔记本电脑中。此外,研究人员还用此纳米网“电子皮肤”检测来自弯曲肌肉的电信号,从而直接记录肌电图。“电子皮肤”用于皮肤无线传感器系统。图片来源:Nat. Nanotech.斯坦福大学的电子皮肤专家鲍哲南教授评论此项工作“透气性和贴合皮肤是该材料的主要优点”。尽管纳米网“电子皮肤”在记录肌电图中并没有超过传统的凝胶电极,但也足够检测出相应的信号。Someya教授表示,他们会进一步提高材料的耐久性,并增加额外的功能,例如检测脉搏、血压和心率等。此外,他们还打算使用更加廉价的材料来替代金,以降低制造成本,创造便宜的一次性传感器。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):Inflammation-free, gas-permeable, lightweight, stretchable on-skin electronics with nanomeshesNat. Nanotech., 2017, DOI: 10.1038/nnano.2017.125导师介绍Takao Someyahttp://www.x-mol.com/university/faculty/44755部分内容编译自:http://cen.acs.org/articles/95/i30/Gold-nanomesh-creates-breathable-electronic.html(本文由冰供稿)

来源: X-MOL 2017-08-12

微流控芯片与流体刻印结合制备螺旋微型马达

微流控芯片广泛应用于多种材料的制备,所获得的材料形貌多样,且在结构上能够得到非常精确的控制。流体刻印能够针对流体的特定部位进行紫外在线固化,从而即时获得固定形貌。然而,目前流体刻印仅实现了在平面上成功制备材料,很难实现具有特殊形貌的三维结构材料的制备。近日,东南大学的赵远锦教授(点击查看介绍)课题组将微流控芯片与流体刻印技术巧妙结合,实现了螺旋微型马达的在线制备。该研究成果发表于Angewandte Chemie International Edition 杂志上。许多细菌都有鞭毛,每根鞭毛受基底的鞭毛马达驱动而旋转,对细菌包体产生推动力。受到这种鞭毛马达的启发,人造螺旋微型马达的制备受到了广泛的关注。但受到制备方法以及复杂内部结构的限制,两组分、三组分、核壳结构的螺旋微型马达的制备尚无报道。赵远锦教授课题组提出了一种将流体刻印集成于微流控螺旋纺织系统来连续制备螺旋微马达的方法。该方法首先借助于微流控芯片对流体流动行为进行调节,同时利用快速的离子交联形成具有连续螺旋结构的微米纤维模板;同时,通过光掩模板和紫外光照对模板中的光敏感材料进行区域性的聚合,得到离散的聚合单元;最后将模板中未聚合部分的水凝胶降解,即可得到离散的螺旋微型马达。相比于传统的制备方法,这种方法可以实现多相流体的控制,还可通过改变微流控芯片中的流体组成,实现多组分、核壳结构螺旋微马达的制备,增加了其内部结构的复杂度,从而赋予制备得到的螺旋微马达更加丰富的应用。图1. a)微流控螺旋纺织与掩模板紫外聚合系统制备具有离散聚合单元的螺旋纤维;b)通过酶降解纤维模板中未被光聚合的部位得到螺旋微马达通过这种集成系统制备得到的螺旋微马达具有多样的结构,可以实现非燃料驱动和燃料驱动两种运动模式。在非燃料驱动模式下,螺旋微马达通过在其中引入磁响应的纳米粒子,借助外部磁场的调节可实现旋转和进动的功能。在燃料驱动的应用中,具有核壳结构的螺旋微马达可以更好地利用催化反应产生气体,获得向前运动的推动力。核层中具有催化作用的纳米粒子可以对外部的流体进行更加集中的催化,从而产生更集中的推动力,实现螺旋微马达在流体中的定向运动。图2. 旋转磁场对含有磁性纳米粒子的螺旋微马达进行运动调控图3. 核壳结构的螺旋微马达在过氧化氢溶液中的定向运动该研究的意义在于,流体刻印技术的引入可以拓宽微流控芯片在材料制备方面的应用,实现三维螺旋聚合物材料的在线制备,对功能性聚合物材料的制备与应用有着重要的启发作用。该论文作者为:Yunru Yu, Luoran Shang, Wei Gao, Ze Zhao, Huan Wang, Yuanjin Zhao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):Microfluidic Lithography of Bioinspired Helical MicromotorsAngew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201705667导师介绍赵远锦http://www.x-mol.com/university/faculty/41619

来源: X-MOL 2017-08-12

“不知疲倦”可长久持续运动的仿生智能薄膜

通过仿生大自然设计出的智能高分子材料由于具有独特的功能特性,近年来已在医疗、电子、军事等领域展现出重要的应用。然而,目前在刺激响应材料仿生结构模拟的研究中还存在诸多技术难题。理论分析认为,要实现高效可控的仿生性能,除了需要对材料仿生结构进行精确设计之外,材料要具有非常好的拉伸耐磨性,对外界长时间刺激后仍能保持理想的机械性能;除此之外,这种材料必须具有可逆的刺激响应行为,这些都是刺激响应型仿生材料实现仿生性能的基本要素,也是拓展其应用的基本条件。因此只有设计合理的仿生结构、深入理解仿生机理、优化材料的机械性能,才能控制动态仿生过程、促进材料的应用。最近,华东师范大学化学院的张利东(点击查看介绍)课题组(第一通讯作者单位)与中国科学院深圳先进技术研究院的杜学敏(点击查看介绍)课题组(第二通讯作者单位)合作,以聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯醇(PVA)高分子材料为研究对象,利用模板技术将微孔道仿生结构复制到PVDF膜表面,使得制备的PVDF/PVA双层薄膜在结构上具有周期变化的机械张量,当受外界刺激时,可实现对双层膜形变的调控。薄膜在丙酮的蒸汽氛围中,会“不知疲倦”地翩然起舞。这是因为溶剂分子在薄膜中实现了差异化溶胀,进而驱动薄膜发生复杂的形变运动。更为重要的是,该智能薄膜经过溶剂氛围数天的反复刺激,仍然保持着优异的机械性能。薄膜可通过不同的结构设计实现可控的定向运动。当PVDF膜表面的微孔道排列和薄膜的长轴夹角保持在30°或60°时,薄膜受到丙酮分子的刺激将产生右手性的缠绕运动。反之,微孔道排列和薄膜的长轴夹角保持在-30°或-60°时,薄膜表现出左手性的缠绕形变。当这种夹角保持在90°时,双层膜吸收丙酮分子产生向着PVA层的定向弯曲形变。他们还将PVDF/PVA双层膜的复杂运动应用到不同的场景,如花瓣形状的双层膜吸收丙酮分子产生像萝卜花一样的形变运动。而且,他们进一步利用这种仿生运动设计了薄膜传感器,可以长时间连续监测环境中丙酮的浓度。当环境中丙酮浓度过高时,传感器自发形变接通电路,电灯发亮;当丙酮浓度逐渐降低时,传感器恢复到原来的形状并断开电路,电灯熄灭,因而可利用电灯的变化来指示环境中丙酮蒸汽浓度的高低。这一研究成果不仅提出了刺激响应性高分子可控运动的通用方法,而且赋予了智能高分子材料全新的运动特性。这种让惰性高分子“不知疲倦”地运动起来,媲美自然界中复杂的运动方式,将大大推动聚合物材料在传感器、人工肌肉、柔体机器人等领域的重要应用,相关工作发表在Advanced Materials 上。该论文作者为:Lidong Zhang, Pancˇe Naumov, Xuemin Du, Zhigao Hu, Juan 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):Vapomechanically Responsive Motion of Microchannel-Programmed ActuatorsAdv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702231作者简介张利东,博士,华东师范大学研究员,紫江青年学者,博士生导师;主要从事智能高分子材料的制备及其对环境刺激响应性能的研究,近三年在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Commun. 等国际知名杂志上发表多篇同行评议论文。http://www.x-mol.com/university/faculty/44750杜学敏,博士,中国科学院深圳先进技术研究院副研究员,广东特支计划青年拔尖人才,深圳市“孔雀计划”海外高层次人才,深圳市高层次专业人才,主要研究方向:结合化学合成与微纳制备,探索仿生智能材料(如光子晶体、智能高分子等)在穿戴与植入式材料与器件方面的应用。近三年在Adv. Mater.、Adv. Mater. Technol.、J. Mater. Chem. C 等国际知名期刊上发表多篇高水平论文。杜学敏http://www.x-mol.com/university/faculty/44749课题组主页http://dugroup.siat.ac.cn/

来源: X-MOL 2017-08-12
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