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  • 史上最强超分子有机硅粘合剂问世!有望长期服务于恶劣环境

    近期,香港城市大学姚希教授团队开发了一种易于制造且具有罕见功能组合的自修复疏油超分子有机硅(DOSS)涂层,具有对各种烷基油的广泛疏液...快速预览

    史上最强超分子有机硅粘合剂问世!有望长期服务于恶劣环境

    香港城市大学有机硅涂层超分子化学《Science》

    高分子科学前沿 | 2天前

    超分子化学(supramolecular chemistry)最先由法国科学家J.M Lehn提出,是化学与生物学、物理学、材料科学、信息科学和环境科学等多门学科交叉构成的边缘科学。近年来,科学家们已经开发了具有刺激响应性、柔韧性、弹性和韧性等特征的基于有机硅的超分子材料,这些特性使其成为新兴领域最有希望的研究方向,如人造皮肤,软机器人技术和先进涂料等领域。


    在涂料应用中,聚合物涂料具有结合力强,可与多种基材结合,广泛的液体排斥,自我修复能力强,在各种应用中有很大的需求。然而,目前的超分子有机硅材料缺乏令人满意的刚度和机械强度,且尚未系统地研究它们在各种基材上的结合能力。


    亮点


    近期,香港城市大学姚希教授团队开发了一种易于制造且具有罕见功能组合的自修复疏油超分子有机硅(DOSS)涂层,具有对各种烷基油的广泛疏液性、高机械强度、多种表面的强粘附性和自修复等性能。DOSS涂层是通过多价氢键自组装到涂层基材上的硅氧烷低聚物获得上述性能,不仅可以用于能源、环境、生物医学等领域内需要长期服务于恶劣环境的应用,而且低聚物的设计策略也可用于开发具有理想性能的多功能超分子材料。


    史上最强超分子有机硅粘合剂问世!有望长期服务于恶劣环境


    DOSS涂层由分子工程远螯式硅氧烷低聚物制备得到,如图1所示,该低聚物具有独特的三臂设计,具有三官能中心和末端的2-氨基-4-羟基-6-甲基嘧啶(UPy)基序,并且每个臂上均具有硅氧烷骨架,可以通过多价氢键自组装到各种基材表面。与线性聚合物相比,该低聚物在自组装成大规模网络时可以提供更高的交联密度,独特分子构型还使它们对有机液体具有强大的排斥力,并与金属、塑料、橡胶甚至特氟龙在内的各种基材牢固结合,这将整体提升DOSS涂层的表面和机械性能。


    史上最强超分子有机硅粘合剂问世!有望长期服务于恶劣环境

    图1. DOSS涂层制备机理图。


    胶粘性能


    随后,研究人员评估DOSS涂层在各种基材上的胶粘性能。研究人员将硅氧烷低聚物沉积在载玻片上,通过加热处理以产生0.2mm的均匀薄膜;然后将另一块基板压在该粘合剂层上,即可在两个基板间形成硅氧烷低聚物网络,从而实现均匀的接触和牢固的粘合。如图2所示,在两个粘合面积1cm2的基板上均可悬挂1kg的重量,并且在亲水性纤维素(纸)、聚四氟乙烯、钢板、玻璃板等基材上都能起到很好地胶粘作用。


    史上最强超分子有机硅粘合剂问世!有望长期服务于恶劣环境

    图2. 硅氧烷低聚物作为胶粘剂材料的实际应用图


    如图3的定量测试表明,纤维素(纸)和所有测试的金属基材的剪切强度均超过20MPa,这是现有商业胶水及其他已报道的胶粘剂材料所达不到的性能。这种高剪切强度可归因于硅氧烷低聚物的高机械强度以及基板和UPy基序之间的高密度氢键,在各种基材上的高机械强度和强大的粘合强度更加凸显了硅氧烷低聚物作为通用粘合剂的多功能性。


    史上最强超分子有机硅粘合剂问世!有望长期服务于恶劣环境

    图3. DOSS涂层与商用胶水剪切强度对比


    疏油和自我修复特性


    研究人员所制备的DOSS涂层还表现出优异的自修复性能。研究人员将涂层交叉切割并通过液滴在表面上的滑动来检测涂层的疏油性。正十六烷液滴很容易从基板上的DOSS涂层表面滑下来(图5A);交叉切割后,正十六烷液滴被阻塞并固定在涂层的损伤区域(图5B);随后去除表面上的残留液滴,并加热涂层15分钟,切割线随之消失;然后液滴又能在愈合的表面上平滑滑动(图5C)。研究人员随后测试30次切割愈合周期来进一步研究涂层耐久性。结果表明,重复处理不会影响涂层的形态和化学性质,这意味着该DOSS涂层具有优异的疏油耐久性和自我修复特性。


    史上最强超分子有机硅粘合剂问世!有望长期服务于恶劣环境

    图4. DOSS涂层疏油和自我修复特性表征


    在本篇文章中,研究人员提供了一种易于使用的策略,用于快速制造具有强粘附性的自修复DOSS涂层,并系统地研究了基板上组装的低聚物的结构。该策略提供了一种新颖而强大的途径来制造和工程化具有所需多功能性的超分子材料,为在恶劣条件下使用的材料提供了新的研究方向,我们相信这项技术在未来将在涂料、自清洁、催化和传热等领域得到广泛的应用!

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  • 《Science》:美国科学家提出制备大面积单层二维高分子材料新方法

    近日,芝加哥大学Jiwoong Park教授课题组提出了一种制备大面积单层二维高分子的新方法,并成功实现了有机-无机二维材料的层层组装...快速预览

    芝加哥大学晶格二维材料《Science》

    浏览量 7 知社学术圈 | 2天前

    《Science》:美国科学家提出制备大面积单层二维高分子材料新方法

    芝加哥大学晶格二维材料《Science》

    知社学术圈 | 2天前

    以石墨烯为代表的二维材料有着很多不同于其体相材料的特性及独特的应用。并且,不同的二维材料可以任意方式堆叠起来构成垂直异质结,又称范德华异质结。这些异质结往往展现出不同于其单层组分的性质。基于二维材料的范德华异质结最大的优点在于,它们能够将两种或多种性质完全不同的材料组装成具有新功能的异质结材料,而不必考虑它们之间的晶格不匹配问题。目前,大部分二维材料异质结的研究是基于无机二维材料。如何生长大面积、高质量的有机二维材料以及如何将其与其它二维材料组装成异质结是该领域的一个难题。


    近日,芝加哥大学Jiwoong Park教授课题组提出了一种制备大面积单层二维高分子的新方法,并成功实现了有机-无机二维材料的层层组装超晶格结构。相关工作以“Wafer-scale synthesis of monolayer two-dimensional porphyrin polymers for hybrid superlattices”为题,于2019年11月7日在Science 期刊上以First Release的形式在线发布 。论文共同第一作者为芝加哥大学化学系钟宇博士和研究生成宝睿。


    《Science》科学家提出制备大面积单层二维高分子材料新方法


    单层二维高分子是将单体分子通过共价键或配位键连结成具有二维周期性结构的材料。在该研究中,Jiwoong Park课题组合成了四种基于卟啉单体的二维高分子,包括共价型和配位型两种类型(也可分别称为二维共价有机框架和二维金属有机框架)。它们的性质和结构由不同的单体分子和聚合反应来调控。图1展示了四种二维高分子的结构以及被转移到直径为5厘米的石英玻璃衬底上之后的合成光学图片。光学图像显示了不同二维高分子有着不同的吸收谱,并且所有二维高分子在厘米级的尺度上有着高度均匀性。


    《Science》科学家提出制备大面积单层二维高分子材料新方法

    图1. 大面积单层二维高分子。


    研究者通过微纳尺度上的表征证实了合成的二维高分子均有单分子层的厚度,即为单层二维高分子,同时也验证了配位型二维高分子的晶体结构。这些单层二维高分子在微米尺度上可以作为自支撑的薄膜,进一步表明了这些单层高分子是聚合的而不是离散的单体分子膜。


    《Science》科学家提出制备大面积单层二维高分子材料新方法

    图2. 单层二维高分子的表征。


    该工作中的一项重要成果是研究者发明了一种合成单层二维高分子的新方法,被命名为Laminar assembly polymerization(LAP)。LAP 是一种基于液-液(戊烷-水)界面的合成方法。与传统的液-液界面反应不同的是,卟啉单体分子是被直接传送到液-液界面上而非溶解在有机相(戊烷)里。这样,卟啉单体在界面上的自组装能够确保仅形成单分子层。同时,单体分子在界面上以类似层流(laminar flow)的方式从反应器的一端逐渐传输到另一端,直到覆盖整个液-液界面。这种层流组装方式不仅能够简单高效地合成大面积、完整的单层二维高分子薄膜,而且可以生长单层二维高分子的平面异质结。


    《Science》科学家提出制备大面积单层二维高分子材料新方法

    图3.LAP的原理及二维高分子异质结的制备。


    另外,研究者也展示了利用单层二维高分子和无机二维材料通过层层组装的方式构建有机无机超晶格结构。在杂化超晶格材料中,不仅每层的组分能够任意选择,而且能够通过改变堆叠的次序来调控结构或超晶格常数。并且,这种杂化超晶格可以直接用于制备大面积的电子器件阵列。


    《Science》科学家提出制备大面积单层二维高分子材料新方法

    图4.有机-无机杂化异质结以及器件阵列。


    广泛意义和影响


    二维材料异质结不管在基础研究领域还是实际应用中都是非常重要的一类材料。单层二维高分子的合成和组装,打破了有机材料和无机材料之间的壁垒,为合成新型杂化范德华异质结提供了一种新的方法。二维高分子与无机二维材料有着全然不同的性质,二者的结合将构建一种全新的异质结体系。


    另外,单体分子的多样性给二维高分子的功能化提供了几乎无限的可能。基于二维高分子的杂化异质结将有助于实现更多的功能性的纳米电子器件。

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  • 超1.1万名科学家发出警告:世界正面临气候危机

    当地时间11月5日,全球超过11000位科学家在BioScience杂志上发出警告称,整个世界正面临气候危机,若不做出深刻且持续的改变...快速预览

    全球气候变化气候危机化石燃料消耗

    浏览量 12 新京报 | 3天前

    超1.1万名科学家发出警告:世界正面临气候危机

    全球气候变化气候危机化石燃料消耗

    新京报 | 3天前

    “气候变化带来的影响将会比我们现在经历的还要严重,这可能意味着地球的某些地区将不再适宜人类生存。”


     新京报快讯(记者 谢莲)当地时间11月5日,全球超过11000位科学家在BioScience杂志上发出警告称,整个世界正面临气候危机,若不做出深刻且持续的改变,世界将面临“数不清的人类苦难”。


     超过11000位科学家发出气候危机警告。BioScience期刊截图

    超过11000位科学家发出气候危机警告。BioScience期刊截图


     据BBC报道,2019年11月5日正是第一届世界气候大会(1979年于日内瓦)召开40周年的日子,当时来自50个国家的科学家齐聚日内瓦,一致认为须立即采取行动应对气候变化。同时,也正是在11月5日,卫星数据显示,今年10月是有记录以来最热的10月。


     据介绍,科学家们提供了一系列数据作为佐证,这些数据显示了“过去40年间气候变化的图形化生命特征”。这些指标包括人类和动物数量的增长、人均肉类产量、全球森林覆盖率变化、化石燃料消耗等。而这些指标的变化都直接导致气候危机更为严重,各国政府也未能很好地应对这场危机。


     1979年至今气候变化影响图。

    1979年至今气候变化影响图


     来自悉尼大学的主要作者托马斯·纽森称,“气候危机意味着,如果我们不采取行动应对气候变化带来的影响,如减少碳排放、减少肉类生产、减少土地清理和化石燃料使用,气候变化带来的影响将会比我们现在经历的还要严重”,“这可能意味着地球的某些地区将不再适宜人类生存”。


     报告还提出了人类亟须采取的措施,涉及能源使用、短期污染物、自然生态、食物、经济、人口等方面。


     科学家们在结论部分表示,希望政府部门、国际组织等可以广泛使用他们提出的气候变化图形化生命体征,这样可以让公众更好地了解这场危机的严重性,同时将应对气候危机作为优先事项。“如果决策制定者和全人类都能对我们的警告和气候危机的宣言做出回应,同时采取行动以维持我们唯一的家园——地球上的生命,那么前景依然可期”。

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  • 新突破!山西太重成功研制我国首台污泥气化装置

    当前,城市污水处理、河道疏浚挖掘、管道清理疏通等都会产生大量污泥,成为城市环境治理的难点所在。如果将这些污泥填埋,不仅会侵占良田绿...快速预览

    太重集团污泥气化装置环保

    浏览量 5 山西日报 | 3天前

    新突破!山西太重成功研制我国首台污泥气化装置

    太重集团污泥气化装置环保

    山西日报 | 3天前

    当前,城市污水处理、河道疏浚挖掘、管道清理疏通等都会产生大量污泥,成为城市环境治理的难点所在。如果将这些污泥填埋,不仅会侵占良田绿地,污染水源,还会对空气造成污染;若是将污泥焚烧处理,则会产生二恶英污染,废渣燃烧不尽还会造成环境二次污染。据介绍,污泥气化装置安装应用于城市污水处理厂,其主要构成包括密封加料装置、污泥气化炉、均匀布料搅拌装置、气化剂布风装置、破渣排渣装置、液压和电气控制系统等。


    10月28日,太重集团发布消息,我国第一台城市污水处理厂污泥气化装置,经太重核电容器分公司科技人员长达一年的艰苦攻关,日前研制成功,并交付使用。


    时下,环保已成为全社会关注的热点。城市污水处理时会产生大量的污泥,若将这些污泥填埋,不仅侵占大量良田绿地,污染水源,还会对空气造成污染;若进行污泥焚烧,则会产生二噁英污染,废渣燃烧不尽还会造成环境二次污染。太重核电容器分公司研制成功的污泥气化装置,一举解决了这一难题。


    太重核电容器分公司研制的污泥气化装置,主要由密封加料装置手动插板阀、污泥气化炉、均匀布料搅拌装置、气化剂布风装置、破渣排渣装置、液压电气控制系统等部件组成,主要利用物料气化原理处理城市污水沉淀所形成的污泥,使其在污泥气化装置内通过物理、化学反应,最终产生无污染可燃气体和无害废渣,废渣还可作为新型建筑材料使用。


    太重核电容器分公司污泥气化装置设计负责人表示,这次研制成功的直径2米的污泥气化装置只是试验装置,是在太重多年积累的煤气化技术基础上研制成功的,处理污泥能力为每小时1吨,最大处理能力为每小时1.25吨,每天可处理污泥达24吨。其定型设计产品——直径达3米的污泥气化装置,随后也将研制完成,日处理污泥能力可达65吨——70吨,年处理能力逾2万吨。


    该装置利用物料气化原理处理城市污水经沉淀形成的有机物质。空气作为主要气化剂,在污泥气化装置内发生物理化学反应,通过控制气化炉炉底与炉口温度,使得污泥中挥发物与沉渣在炉内高温下发生反应,产生可燃气体与无害废渣。气化炉出口燃气经旋风除尘后,送后续系统热风干燥窑燃烧,产生的热量对污泥初步干燥,推动系统循环作业。通过排渣系统排出的废渣经化验合格后,可作为新型建筑材料使用,昔日的污染物实现变废为宝。太重相关负责人表示,此次设计制造的直径2米污泥气化炉仅仅是项目试验装置,每天可处理污泥24吨。


    目前,污泥气化装置炉体已在用户现场安装到位,预计11月中旬正式点火投运。试验装置研制成功后,直径达3米的定型设计产品制造也已完成,该产品日处理能力达65吨至70吨,年处理能力逾2万吨,是中小城市污水处理厂污泥处置的理想选择。

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  • 阿贡实验室研发氢气加压技术 可降低氢燃料汽车加氢成本

    据外媒报道,美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的员工研发出能够降低加氢站加氢成本且提高加氢效率的技术,而且将该技术实现了商业化,...快速预览

    美国能源部加氢站阿贡实验室氢燃料

    浏览量 4 盖世汽车 | 3天前

    阿贡实验室研发氢气加压技术 可降低氢燃料汽车加氢成本

    美国能源部加氢站阿贡实验室氢燃料

    盖世汽车 | 3天前

    据外媒报道,美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的员工研发出能够降低加氢站加氢成本且提高加氢效率的技术,而且将该技术实现了商业化,为此大获赞誉。预计,该技术可以降低燃料电池汽车客户支付的氢燃料成本。


    阿贡实验室研发氢气加压技术 可降低氢燃料汽车加氢成本

    (图片来源:阿贡国家实验室)


    联邦实验室联盟(FLC)将杰出技术转让奖(Excellence in Technology Transfer)授予了阿贡国家实验室研究员Amgad Elgowainy和Krishna Reddi研发的加氢技术。阿贡实验室还通过合作研发协议(Cooperative Research and Development Agreement)以及技术许可协议(Technology Licensing Agreement)等机制,将该技术转让给了全球压缩机制造商PDC Machines。


    加氢站的高成本阻碍了氢燃料的普及


    阿贡实验室研究人员研发的该技术可以解决影响氢燃料被广泛采用的一个障碍,即部署和运营加氢站的成本很高。Elgowainy表示:“消费者在加氢站支付的加氢费基本就占加氢站本身成本的一半,另外一半成本为压缩机的成本。”


    Elgowainy与同事研究了降低加氢站成本的方法,主要就是针对氢压缩机,这是一个特别昂贵的设备。研究人员发现,尽管每台压缩机的成本为50万美元或以上,但是运行效率却很低。为满足高峰期的加氢需求,压缩机的尺寸通常很大;但是在非高峰期,压缩机就大多处于闲置状态,远远低于满负荷运转状态。


    阿贡实验室研发氢气加压技术 可降低氢燃料汽车加氢成本


    增加压力,以降低成本


    研究团队的解决方法是研发“加压”技术(pressure consolidation),通过向压缩机提供高压氢气,提升压缩机的加氢能力。该团队的解决方案综合考虑了压缩机的基本工作原理以及典型加氢站每小时的加氢需求。


    传统上,加氢站会采用氢气供给储能系统(现场的固定储能系统或位于运输氢气的管道拖车上),以存储最终供应给压缩机的氢气。当车辆到达加氢站时,氢气会离开储能系统,进入压缩机加压,然后输送至加注枪,最后进入汽车。


    在一天中,随着越来越多的氢气被加注到车辆中,储氢系统的压力会下降。随着压力下降,进入压缩机的氢气密度也会下降,进而降低压缩机的供氢能力。


    该团队的技术可以在氢燃料需求较低时,加强存储氢气容器中氢气的压力。当氢燃料需求回升时,压缩机会接收到一股高压氢气,从而使压缩机的氢气供给能力保持在较高水平,提升加氢站的供氢能力,在需求高峰期也可维持较快的加氢速度。


    该项获得专利的加压技术可为加氢站运营商节省30%的设备成本,最大限度地减少了压缩机的闲置时间,还能够将管道拖车的燃料输送效率最高提高20%以上。

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  • 430毫米,这家皖企成功拉引世界最宽类石墨烯高导膜

    据安徽日报报道 记者11月4日从省科技厅获悉,近日,安徽碳华新材料科技有限公司利用自主核心技术和成套装备,在蚌埠成功拉引430毫米...快速预览

    430毫米,这家皖企成功拉引世界最宽类石墨烯高导膜

    安徽碳华新材料科技有限公司石墨烯高导膜新材料

    安徽日报 | 3天前

    据安徽日报报道 记者11月4日从省科技厅获悉,近日,安徽碳华新材料科技有限公司利用自主核心技术和成套装备,在蚌埠成功拉引430毫米类石墨烯高导膜,刷新了180毫米世界最宽高导热新材料纪录,填补了我国类石墨烯高导膜产品大面积生产的空白。


    类石墨烯高导膜是依托类石墨烯材料研发生产的新型导热散热产品,其散热性优于风扇和常规散热器,能够实现快速散热降温,被广泛应用于新能源汽车、电子信息、无人机、卫星、手机、电脑、平板、智能穿戴等领域。近年来,随着消费类电子产品不断向大屏化、轻薄化发展,市场对宽幅类石墨烯高导膜的需求越来越大。但长期以来,我国宽幅类石墨烯高导膜生产始终处于空白状态,国内使用该产品主要依靠从美国、日本等少数国家进口,国外企业一度形成垄断。


    此次安徽碳华新材料科技有限公司研发团队以自主研发的“高性能高导石墨膜”为技术基础,结合全封闭高温处理、自动化压延工艺和设备,研制生产出了整张大尺寸、表面平整、全系列厚度、优异散热性能的类石墨烯高导膜。经过一段时间的技术调试和生产准备,世界最宽430毫米导热新材料成功下线,该产品导热系数、厚度等质检指标经检验全部达标,蚌埠高导热绝缘膜也成功实现了从180毫米“超宽”到430毫米“最宽”的跨越。项目全部达产后,企业年生产能力将达到500万平方米,成本将比从国外进口降低三分之一以上,能够有效打破国外贸易壁垒,满足国内市场需求,在保障我国高导热新材料产业安全的同时,为我国电子信息领域高导热新材料产业发展提供有力支撑。(记者 汪永安)


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  • 美国能源部研发氢气加压技术 可降低氢燃料汽车加氢成本

    据外媒报道,美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的员工研发出能够降低加氢站加氢成本且提高加氢效率的技术,而且将该技术实现了商业化,为...快速预览

    美国能源部加氢站加氢成本加氢效率

    浏览量 14 盖世汽车 | 4天前

    美国能源部研发氢气加压技术 可降低氢燃料汽车加氢成本

    美国能源部加氢站加氢成本加氢效率

    盖世汽车 | 4天前

    据外媒报道,美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的员工研发出能够降低加氢站加氢成本且提高加氢效率的技术,而且将该技术实现了商业化,为此大获赞誉。预计,该技术可以降低燃料电池汽车客户支付的氢燃料成本。


    联邦实验室联盟(FLC)将杰出技术转让奖(Excellence in Technology Transfer)授予了阿贡国家实验室研究员Amgad Elgowainy和Krishna Reddi研发的加氢技术。阿贡实验室还通过合作研发协议(Cooperative Research and Development Agreement)以及技术许可协议(Technology Licensing Agreement)等机制,将该技术转让给了全球压缩机制造商PDC Machines。


    加氢站的高成本阻碍了氢燃料的普及


    阿贡实验室研究人员研发的该技术可以解决影响氢燃料被广泛采用的一个障碍,即部署和运营加氢站的成本很高。Elgowainy表示:“消费者在加氢站支付的加氢费基本就占加氢站本身成本的一半,另外一半成本为压缩机的成本。”


    Elgowainy与同事研究了降低加氢站成本的方法,主要就是针对氢压缩机,这是一个特别昂贵的设备。研究人员发现,尽管每台压缩机的成本为50万美元或以上,但是运行效率却很低。为满足高峰期的加氢需求,压缩机的尺寸通常很大;但是在非高峰期,压缩机就大多处于闲置状态,远远低于满负荷运转状态。


    增加压力,以降低成本


    研究团队的解决方法是研发“加压”技术(pressure consolidation),通过向压缩机提供高压氢气,提升压缩机的加氢能力。该团队的解决方案综合考虑了压缩机的基本工作原理以及典型加氢站每小时的加氢需求。


    传统上,加氢站会采用氢气供给储能系统(现场的固定储能系统或位于运输氢气的管道拖车上),以存储最终供应给压缩机的氢气。当车辆到达加氢站时,氢气会离开储能系统,进入压缩机加压,然后输送至加注枪,最后进入汽车。


    在一天中,随着越来越多的氢气被加注到车辆中,储氢系统的压力会下降。随着压力下降,进入压缩机的氢气密度也会下降,进而降低压缩机的供氢能力。


    该团队的技术可以在氢燃料需求较低时,加强存储氢气容器中氢气的压力。当氢燃料需求回升时,压缩机会接收到一股高压氢气,从而使压缩机的氢气供给能力保持在较高水平,提升加氢站的供氢能力,在需求高峰期也可维持较快的加氢速度。


    该项获得专利的加压技术可为加氢站运营商节省30%的设备成本,最大限度地减少了压缩机的闲置时间,还能够将管道拖车的燃料输送效率最高提高20%以上。(作者:余秋云)

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  • 随光而动 人工“向日葵”新材料问世

    据英国《自然·纳米技术》杂志近日发表的论文,美国科学家报告了一种新问世的“向日葵”材料,可以完美地和光束方向保持一致。该材料呈圆柱...快速预览

    向日葵新材料人工向光性

    浏览量 9 科技日报 | 4天前

    随光而动 人工“向日葵”新材料问世

    向日葵新材料人工向光性

    科技日报 | 4天前

    据英国《自然·纳米技术》杂志近日发表的论文,美国科学家报告了一种新问世的“向日葵”材料,可以完美地和光束方向保持一致。该材料呈圆柱体形状,具有“人工向光性”,能够随着光束而动——就像向日葵随太阳转动一样。


    向光性在自然界非常普遍,指的是生物体为了觅食或繁衍的目的,随光源而动。譬如植物的向光性可以使植物获得更多的光照,进而提高光合作用,维持植物更好地生长。


    但是向光性产生的确切机理仍在研究之中,而且,这一在植物中十分常见的特性却不容易模拟。长期以来,“人工向光性”一直难以实现,因为要在材料成分和特性之间达成适当的平衡,非常有难度。


    此次,美国加州大学洛杉矶分校研究人员贺曦敏和同事,将一种可以有效吸收光并将光转化为热的光敏纳米材料与一种受热时会收缩的热敏聚合物结合起来,将其做成小型圆柱体形状。使用光进行照射时,圆柱体吸收光,温度升高,但是只有面向光源的一面如此。随着材料向光一面的收缩,圆柱体朝光束弯曲。一旦圆柱体顶端与光束对齐,此时处于光影中的柱体下部开始冷却、膨胀并停止运动。这些圆柱体可以持续随着光束转动,转向幅度非常广。


    研究人员认为,这项研究或可用于提高光捕获材料的效率,因为最新研发的这种圆柱体材料会自动弯曲,使其顶端受到最大量的光照。

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  • 铁磁/半导体异质结构研究助推固态量子器件研发

    在国家重大科学研究计划的支持下,由中科院半导体所、同济大学、北京科技大学、山东大学等单位的科学家组成的团队,围绕着基于高品质垂直磁...快速预览

    铁磁/半导体异质结构研究助推固态量子器件研发

    国家重大科学研究计划铁磁半导体异质结构固态量子器件

    科技部 | 5天前

    在国家重大科学研究计划的支持下,由中科院半导体所、同济大学、北京科技大学、山东大学等单位的科学家组成的团队,围绕着基于高品质垂直磁各向异性铁磁/半导体异质结构的固态量子器件研发中的重大科学问题,瞄准新型半导体自旋电子器件研制,以实现高密度集成、高性能、超高速、低功耗、抗电磁干扰、高热稳定性,并且易于与成熟的半导体工艺相兼容为出发点,通过理论和实验研究相结合,在垂直磁各向异性薄膜结构及性能研究、自旋转矩纳米振荡器研究、基于Mn基二元合金的自旋电子器件研制等方面开展工作。


    国际上首次在L10-MnAl铁磁外延膜中观察到轨道双通道近藤效应;发现了一种自发极化场对自旋轨道力矩的调控效应;实验构筑了自旋转矩纳米振荡器,构筑了多个微波振荡器的串联结构,实现了高频微波信号的无线传输;设计制备出基于L10-MnAl或L10-MnGa的垂直磁各向异性隧道结和磁场磁敏传感器等。系列研究成果为新一代半导体自旋电子器件的技术研发提供了重要理论指导,在理论指导实践方面做出了有效的探索。 

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  • 16.5%!南开大学刷新柔性有机/高分子太阳能电池转化率记录

    11月4日,国际顶级学术期刊《自然·电子学》(Nature Electronics)刊发了南开大学化学学院陈永胜教授团队的研究论文,介...快速预览

    16.5%!南开大学刷新柔性有机/高分子太阳能电池转化率记录

    南开大学陈永胜柔性透明电极柔性有机太阳能电池新材料

    南开大学新闻网 | 5天前

    论文截图


    11月4日,国际顶级学术期刊《自然·电子学》(Nature Electronics)刊发了南开大学化学学院陈永胜教授团队的研究论文,介绍了他们在柔性透明电极与柔性有机太阳能电池领域研究中获得的突破性进展。


    文章介绍,陈永胜团队制备了同时具有高导电、高透光且低表面粗糙度的银纳米线柔性透明电极,将其用于构筑柔性有机太阳能电池,与使用商业氧化铟锡(ITO)玻璃电极的器件性能相当,光电转化效率可达16.5%,刷新了文献报道的柔性有机/高分子太阳能电池光电转化效率的最高记录。这一成果使得高效柔性有机太阳能电池距离实现产业化更近一步。


    柔性电子器件,特别是基于有机材料的光电器件,是未来电子器件发展的一大趋势,具有巨大的应用前景。“其中,获得高性能的柔性透明电极是实现高效柔性有机光电器件的前提,也是目前该领域的核心难题。但是,如何获得同时具有高导电、高透光、低表面粗糙度以及制备方法简单、绿色的柔性透明电极依然是巨大的挑战。”陈永胜说。



    柔性透明电极与柔性有机太阳能电池的示意图


    由于缺乏上述高性能的柔性透明电极,目前柔性有机光电器件的性能仍大幅度落后于相应的刚性器件。柔性透明电极通常采用干法(如蒸镀)或溶液处理(如狭缝印刷、纳米压印或电纺丝等)工艺制备。相比于干法制备,溶液处理方法制备柔性电极具有成本低,可大规模“卷对卷”印刷制备等优点,发展潜力巨大。


    在逾渗阈值理论指导下,陈永胜团队利用高分子电解质,根据离子静电相互排斥原理,一步法制备了具有“类网格”结构的银纳米线柔性透明电极。该柔性透明电极实现了优异的性能,其中方阻10 Ω sq-1,透光度92%(550 nm),品质因子(FoM)可达416,表面粗糙度低,且具有优良的机械性能和热稳定性以及制备方法简单、绿色。


    a) 银纳米线薄膜的sem斜截面图,b) 大面积(12.25 cm2)柔性透明电极照片;c) 柔性有机太阳能电池器件结构


    为证明其在有机光电器件中的实用性,陈永胜团队制备了基于该柔性透明电极的柔性有机太阳能电池。研究表明,该电极可适用于不同类型活性材料以及单结及叠层光伏器件。制备的柔性光伏器件与使用商业ITO玻璃电极的器件性能相当。单结和叠层柔性有机太阳能电池分别实现了13.1%和16.5%的光电转化效率,并表现出优异的机械性能,连续弯曲1000次(弯曲半径r = 5 mm),器件仍能保持初始效率的95%以上。


    “除了应用于有机太阳能电池,这一低成本高性能柔性透明电极在其它柔性电子如有机发光二极管、晶体管、传感器等领域也将有极大的应用潜力。”陈永胜说。


    据了解,该研究得到科技部、国家自然科学基金委、天津市科委和南开大学相关科技项目支持。


    论文链接:https://www.nature.com/articles/s41928-019-0315-1

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