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  • 煤经合成气直接制低碳烯烃技术成功完成工业试验

    中国科学院大连化学物理研究所(以下简称“大连化物所”)与陕西延长石油(集团)有限责任公司合作,近日在陕西榆林进行了煤经合成气直接制...快速预览

    煤经合成气直接制低碳烯烃技术成功完成工业试验

    大连化物所低碳烯烃技术OX-ZEO中国科学十大进展

    中国日报网 | 11小时前

    中国科学院大连化学物理研究所(以下简称“大连化物所”)与陕西延长石油(集团)有限责任公司合作,近日在陕西榆林进行了煤经合成气直接制低碳烯烃技术的工业试验,取得圆满成功,催化剂性能和反应过程的多项重要参数超过设计指标,总体性能优于实验室水平。


    该技术基于大连化物所包信和院士和潘秀莲研究员领导的团队取得的“合成气高选择性转化制低碳烯烃” OX-ZEO原创性基础研究成果 (2016年发表于美国《科学》杂志,当年被评为中国科学十大进展),试验开车一次成功,实现CO单程转化率超过50%,低碳烯烃(乙烯、丙烯和丁烯)选择性优于75%,是世界上首套基于该项创新成果的工业中试装置。本次试验的成功,进一步验证了该技术路线的先进性和可行性,加快了该技术的产业化进程,将为我国进一步摆脱对原油进口的依赖,实现煤炭清洁利用提供一条全新的技术路线。


    OX-ZEO从原理上颠覆了90多年来煤化工一直沿袭的由德国科学家于上世纪20年代发明的费托合成路线,创造性地采用复合氧化物和分子筛耦合的催化新策略,创制新型复合催化剂,实现煤经合成气(CO和H2混合气体)直接制备转化制低碳烯烃等高值化学品的新路线。该成果摒弃了传统的高水耗和高能耗的水煤气变换制氢过程以及中间产物(如甲醇和二甲醚等)转化工艺,从原理上开创了一条低耗水(反应中没有水循环,不排放废水)进行煤基合成气一步转化的新途径,初步回应了李克强总理 “能不能不用水或少用水进行煤化工”的关切。这项成果被同行誉为“煤转化领域里程碑式的重大突破”,《科学》杂志同期刊发了以“令人惊奇的选择性”(Surprised by Selectivity)为题的专家评述文章,认为该过程未来在工业上将具有巨大的竞争力。


    OX-ZEO在2016年首次报道后,大连化物所包信和院士和潘秀莲研究员领导的团队立即与所内刘中民院士领导的应用开发团队进行合作,优势互补、强强联合,大力推动该技术的应用研究,并积极与陕西延长石油(集团)有限责任公司合作,实现高端架构、产研融合。三年来,合作各方聚焦本领域世界科技前沿,紧扣国民经济发展的重大需求,通力合作、奋力拼搏,攻克一道道技术难关、克服一个个实际困难,成功走出了一条从实验室基础研究成果到工业化开发的创新引领、协同攻关之路,为我国科技成果的转化应用示范了一条有效新途径。


    该项目的研究得到了中国科学院洁净能源先导科技专项、中国科学技术部、国家自然科学基金委员会、以及中国科学院大连化学物理研究所的资助。

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  • 高分子新材料助力3D打印技术造出完美颅骨

    当意外事故造成颅骨缺损时,我们该如何修复脑颅?根据患者的脑部CT数据进行设计,利用3D打印技术可制作出与缺损处完美匹配的“颅骨”。快速预览

    颅骨缺损3D打印技术脑颅修复

    浏览量 3 科技日报 | 12小时前

    高分子新材料助力3D打印技术造出完美颅骨

    颅骨缺损3D打印技术脑颅修复

    科技日报 | 12小时前

    当意外事故造成颅骨缺损时,我们该如何修复脑颅?根据患者的脑部CT数据进行设计,利用3D打印技术可制作出与缺损处完美匹配的“颅骨”。


    近日,在山东济南举办的3D打印与先进新型材料创新应用论坛上,专家们交流了上述创新应用。这场由中国增材制造产业联盟生物制造产业工作组、山东省立医院神经外科主办的论坛吸引了清华大学徐弢教授团队、四川大学华西医院关俊文教授、山东省立医院神经外科庞琦教授、丁峰教授等众多专家参与。专家们认为,利用高分子合成材料,3D可打印出“完美的颅骨”;如果希望未来能“打印”出活体器官用于人体组织修复,则需基础研究、新材料、高技艺方面的专家们“拧成一股绳”,通力合作。


    人的颅骨由23块骨组成,能支持和保护脑等重要器官。除下颌骨和舌骨外,各骨之间都借缝或软骨相连,属不活动的连结。如何利用时下炙手可热的3D打印技术“定制”受损的颅骨,成为与会者讨论的话题。


    “一个月前,我刚进行完一场颅骨修补手术。”四川大学华西医院神经外科主任医师关俊文教授是国内颅骨修补手术的高手。在他看来,颅骨修补,首先需要在头顶上“开一扇窗”,用定制的各种材料“嵌入窗中”,固定,然后用头皮覆盖。这些材料,早期是金属,是甲基丙烯酸甲(MMA),当下是钛网,是聚醚醚酮(PEEK)。而理想的修复材料,需具备“可透过放射线、抗感染、不传热、生物力学性好”等特征。相对而言,PEEK因其“射线可透过、有弹性、不导热”等优势更胜一筹。关俊文强调,以PEEK为代表的颅骨修复术对主刀医生的经验、水平提出了更高要求,也是当下颅骨修复的“主力军”。


    他的观点指向一个事实:一方面,选择3D打印技术“量身定制”的新型植入修补材料PEEK,可根据患者的头颅CT数据进行3D重建,完全还原颅骨的生理结构曲度等,可与缺损区域严丝合缝;另一方面,颅骨修补并不是主刀医生一个人能完成的,新材料的研制还需要基础研究和个性化的支持。


    清华大学生物制造中心副主任徐弢教授是国际上最早进行细胞和器官打印技术开发的研究者之一,他和导师一同拥有世界首个细胞打印专利。他看到了现在3D打印骨硬质材料支架面临的不足,比如“大部分金属材料不降解,难以实现可再生功能”“可降解材料硬度不够,难以承重”“3D打印产品层间力学较差”等。


    徐弢提到的“3D打印材料不降解”问题,与山东第一医科大学第一附属医院辛涛教授不谋而合。辛涛认为,硬脑膜是紧贴在颅骨内侧和脑组织之间的坚硬膜性组织,是保护脑组织的天然屏障。如何修复硬脑膜,寻找理想的硬脑膜替代材料成为医学界面临的问题。


    厚度仅0.2毫米,看上去就像普通纸巾,贴在手术患者脑硬膜破损处却可迅速实现伤口缝合效果,费用则只有国外同类产品的1/3。辛涛在临床中应用的这款名为“睿膜”的中国造高技术产品,是中国科学家“十年磨一剑”的成果,也是在“任何好的技术,如果不转化和应用就失去生命力”理念下诞生的。


    两个月前,国家药监局和国家卫健委联合发布《定制式医疗器械监督管理规定(试行)》,明确定制式医疗器械不得委托生产。在与会者看来,基础研究、新材料、高技艺三者联手,3D生物打印产业会迎来“春天”。

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  • 曹镛院士、李永舫院士等特约综述:光电高分子材料的研究进展

    曹镛院士、李永舫院士、黄飞教授、薄志山教授、耿延候教授、王献红研究员、王利祥研究员、马於光教授、侯剑辉研究员、胡文平教授、裴坚教授...快速预览

    曹镛院士、李永舫院士等特约综述:光电高分子材料的研究进展

    曹镛李永舫《高分子学报》光电高分子材料

    高分子科学前沿 | 1天前

    曹镛院士、李永舫院士、黄飞教授、薄志山教授、耿延候教授、王献红研究员、王利祥研究员、马於光教授、侯剑辉研究员、胡文平教授、裴坚教授、董焕丽研究员、王树研究员、李振教授、帅志刚教授在《高分子学报》“庆祝中华人民共和国成立70周年”专辑发表的特约综述中对我国科研工作者在光电高分子材料领域取得的研究成果和做出的重要贡献进行了总结,内容涉及高分子合成方法学、导电高分子、电致发光高分子、光伏高分子、热电高分子、传感高分子、场效应晶体管和光电高分子的理论研究。


    光电高分子材料不仅具有金属或半导体的电子特性,同时还具有高分子优异的加工特性以及力学性能,能够采用低温溶液加工的方式制备大面积柔性光电子器件。由于这些独特优势,光电高分子的研究引起了国内外学术界及产业界的广泛关注,使光电高分子材料及其在相关光电器件中的应用得到快速发展。




    我国的光电高分子研究始于上世纪七十年代末,基本与国际同步。在钱人元、王佛松、沈家骢、沈之荃、曹镛等前辈科学家的领导下,我国学者的早期研究主要集中于导电聚合物,从上世纪九十年代开始逐步转向共轭高分子发光、光伏、场效应晶体管等光电子材料和器件的研究,取得了一批有重要影响的成果,对推动这一领域的发展做出了重要的贡献。其中,基于白光高分子的聚合物发光二极管的功率效率已经突破50 lm/W,达到了荧光灯的效率水平,基于光电高分子的场效应晶体管已超过无定型硅的器件性能,高分子光伏器件的光电转换效率已超过了17%,显示出巨大的商业化应用前景。


    曹镛院士、李永舫院士、黄飞教授、薄志山教授、耿延候教授、王献红研究员、王利祥研究员、马於光教授、侯剑辉研究员、胡文平教授、裴坚教授、董焕丽研究员、王树研究员、李振教授、帅志刚教授在《高分子学报》“庆祝中华人民共和国成立70周年”专辑发表的特约综述中,系统评述了光电高分子材料领域的研究进展,重点介绍了我国科研工作者在光电高分子材料领域取得的研究成果和做出的重要贡献。首先介绍了光电高分子材料具有代表性的合成方法,然后系统地介绍了导电高分子、电致发光高分子、光伏高分子、热电高分子、传感高分子、场效应晶体管高分子等材料在其相关光电子器件中的应用。从分子结构设计和化学合成角度出发,重点阐述了光电高分子材料结构与器件性能之间的关系,揭示了材料结构-加工方法-共混形貌-器件性能之间构效关系的一般规律。从器件物理的角度,介绍了提升光电器件性能的有效方法和光电高分子在理论研究方面的进展。最后,本专论对光电高分子材料的未来发展趋势进行了展望。


    参考文献:

    黄飞, 薄志山, 耿延候, 王献红, 王利祥, 马於光, 侯剑辉, 胡文平, 裴 坚, 董焕丽, 王 树, 李 振, 帅志刚, 李永舫, 曹镛. 光电高分子材料的研究进展. 高分子学报,2019, 50(10), doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2019.19110

    Fei Huang, Zhi-shan Bo, Yan-hou Geng, Xian-hong Wang, Li-xiang Wang, Yu-guang Ma, Jian-hui Hou, Wen-ping Hu, Jian Pei, Huan-li Dong, Shu Wang, Zhen Li, Zhi-gang Shuai, Yong-fang Li, Yong Cao. Study on Optoelectronic Polymers in China: An Overview and Outlook. Acta Polymerica sinica, 2019, 50(10), doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2019.19110


    转载自:高分子学报

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  • 东北大学抢下高端铝材生产装备的技术“山头”

    “十三五”期间,是我国有色金属工业转型升级、提质增效,迈入世界有色金属工业强国行列的关键时期。随着交通运输轻量化、新能源汽车、高端...快速预览

    东北大学抢下高端铝材生产装备的技术“山头”

    东北大学王昭东有色金属工业高端铝材

    东北大学 | 1天前

    “十三五”期间,是我国有色金属工业转型升级、提质增效,迈入世界有色金属工业强国行列的关键时期。随着交通运输轻量化、新能源汽车、高端装备制造、节能环保等战略性新兴产业的发展,热处理强化型高端铝合金板带材需求持续增长,然而我国自主供货能力严重不足的局面摆在眼前,亟待破解。


    “我国虽然是世界头号铝加工材生产国和消费国,但始终处于铝产业链的中低端,以铝合金汽车外板、航空铝合金预拉伸机翼板等为代表的高精尖产品一直大量依赖进口,根本原因就在于高性能铝合金的生产装备和工艺没跟上。”轧制技术及连轧自动化国家重点实验室主任王昭东教授表示。


    在王昭东看来,要做强中国铝加工产业,必须“固本培元”,从“造血”能力入手,加快以“气垫式热处理炉”“高精度辊底炉”等为代表的高端铝材生产线建设及升级改造步伐。


    瞄准国家需求,对标世界一流,王昭东教授团队聚焦新型高强高韧铝合金厚板、三代铝锂合金板材、水陆交通运输用高耐蚀铝合金板材型材等产品的突破,立足自身力量,致力于使航空、乘用车及货运列车用高性能铝合金等从根本上实现稳定供给,在打破高端铝材对国外先进装备、技术和产品依赖上迈出坚实步伐。


    高端铝材:交通领域应用材料的“蓝海”


    铝是最常用的轻金属之一,也是地壳中分布最广、储存量最多的元素之一。铝和铝合金材料具有一系列优良特性,如比重小,比强度高,具有良好的成形性能、力学性能、物理性能以及工艺性能,同时还具有易于回收、可再生的环境友好型特点。


    在全球金属行业中,铝的应用排名第二,仅次于钢铁,被广泛地应用于工业生产的各个部门。高性能铝合金薄板、中厚板、型材是交通运输、航空航天、海洋船舶等国民经济发展和国防建设领域的关键基础材料,在消费电子、新能源、智能装备等领域也有着广泛的用途。


    超轻新能源汽车,国产大飞机,高速列车用板带材、型材是铝合金材料中的高端产品。近年来,随着汽车工业、航空工业、高铁等交通产业的高速增长,对“贵族”铝合金板带型材的需求也愈加旺盛。


    随着节约油耗和减少排量的要求逐渐提高,轻量化汽车成为当前高端铝材的应用热点。据王昭东介绍,奔驰、宝马等高端汽车已开始大量使用高性能铝合金汽车板。我国铝企在汽车应用领域也下了很大的力气,但仍然存在一定的瓶颈。主要原因是铝材量化应用需要一个过程,如铝合金专业冲压设备问题、热处理设备问题、技术标准问题等;同时汽车铝材应用成本也需要通过量化应用等措施进行优化。


    据中国有色金属报报道,铝材在车身、安全系统等部件上的试用,规模化应用估计还需要2~3年,预计到2020年,汽车轻量化大规模用铝材将会实现。


    “航空航天是高端铝材应用的一个重要领域,但是目前国内铝材尚未在该领域大规模应用,问题就在于国产铝材在性能稳定性和一致性上还需要提高。”轧制技术及连轧自动化国家重点实验室李勇老师介绍道。


    随着中国大飞机制造的快速发展,国产铝材在这一领域有着巨大的应用空间。但是,由于碳纤维复合材料受到特殊青睐,铝企则把大力发展新一代铝锂合金和铝基复合材料等新型航空航天铝材作为重点,以拓展发展空间,占领市场,提高自身竞争力。


    “交通领域对于高端铝材的旺盛需求,正是做强中国铝加工产业的最佳时机。”王昭东教授认为,需求是创新最大的动力,也是团队把论文写在祖国生产线上的“用武之地”。


    受制于人:装备和技术被国外垄断  价格昂贵  供货周期长


    气垫炉技术,是高端铝材生产加工热处理的核心技术。目前,气垫炉主要由艾伯纳、容克等极少数国外大公司供货,但价格昂贵,每条气垫炉生产线需要人民币3亿元左右;供货周期长,每套设备建设周期大约需要3年,并在核心控制工艺上进行严密的技术封锁,企业生产成本过高,维护和升级成本更高。


    “国内传统铝合金中厚板、型材固溶处理设备多为立式淬火炉或盐浴炉,加热精度差、淬火板材冷却无法自由控制,组织性能不稳定、板形差、残余应力大,因此无法生产航空、汽车等用途的高性能铝合金中厚板和型材。”轧制技术及连轧自动化国家重点实验室韩毅道出了企业的困境和堵点。


    长期以来,高性能铝合金汽车板、中厚板、型材一直是我国铝加工业的薄弱领域,一个重要原因是铝合金板带材气垫炉、中厚板及型材辊底炉生产线关键装备的研究基础薄弱,高性能铝合金板型材热处理生产涉及的工艺参数多、工序复杂,开发难度较大,相关核心装备长期受制于人,尚未实现关键技术自主可控。


    轧制技术及连轧自动化国家重点实验室李家栋老师告诉记者,按照国际汽车行业用铝合金的趋势,在国内市场上,售价在10万元以上的乘用车可以选用铝合金板带材做汽车覆盖件,单车用量将在20~30kg。中国汽车工业协会预测,2020年,我国汽车产量将达到3000万辆以上,保守估计1500万辆汽车将选用铝合金板带材,汽车行业用板带材将达到30~45万吨以上。


    在航空领域,仅国内某型号军用飞机所需高端铝合金板带材、型材零件就超过了3000项,新型大型运输机和大型客机所需的铝合金板带材、型材零件数量超过了10000件。


    然而,到2017年底,我国引进的生产装备远无法满足汽车、航空等高端制造领域铝合金板带及型材的用量需求,也不能实现按照我国铝合金品种研发所需的技术改进。以广西南南铝公司为例,气垫生产线实际产能为4万吨,现在需求产能9万吨;中厚板辊底炉实际产能为5万吨,现在需求产能10万吨。


    “开发出具有我国自主知识产权的气垫炉装备、中厚板及型材辊底炉技术,符合我国汽车、航空业、高铁等产业结构调整和产品升级的强烈需求,符合国家节能减排的形势,具有重要的经济和战略意义。”中国工程院院士、东北大学教授王国栋表示。


    关键一招:自主研发高端铝合金生产热处理设备和工艺


    “气垫式热处理炉、中厚板及型材辊底炉装备国产化可以为高性能铝材板带材、型材研制及稳定生产提供必需的设备及生产技术。”王昭东认为,解决难题的关键一招要从自主研发生产装备这个“根儿”上做起。据王昭东估算,用上国产装备自主生产后,现在价格在4万元/吨的高端铝材可降至约2~3万元/吨。


    东北大学的先进轧制技术与热处理创新团队,以王国栋教授、王昭东教授等行业专家领军,中青年科技创新骨干为主体,用创新谱写绿色,用实干破解难题,在铝材生产“造血”能力提升的关键环节—生产热处理装备和研发新工艺上精准发力,布下了高端铝材生产“先手棋”。


    2018年,团队对高端铝材关键热处理装备—气垫炉、辊底炉从理论上开始攻关,着力突破大型铝合金板带材、型材的气垫炉、辊底炉加热及淬火关键装备技术以及配套处理设备集成技术与整线工艺自动控制平台技术,目前已经取得了突破性进展:


    ——摸清了气垫式热处理的动态稳定漂浮及快速均匀换热机理,优化了气垫炉核心部件关键结构,建立了气垫控制模型,在此基础上自主研制成功了大型气垫炉的中试装备,实现了铝带的非接触式、高精度、高均匀性和高效热处理。


    ——搭建了铝合金先进热处理及表面处理实验平台,利用此平台,团队研发出了适合实际气垫炉生产线的高等级铝合金高效固溶、淬火、预时效及表面处理工艺。


    ——自主研发出了铝合金气垫式连续热处理及表面处理全线多级、全自动工艺控制系统。


    目前,团队正在与广西南南铝加工公司合作,如火如荼地建设汽车、航空等交通运输用高端铝合金生产的气垫式热处理示范线、中厚板辊底炉热处理示范线、型材辊底炉热处理示范线。2019年,团队可完成示范线的设计、制造和调试,以打破国外垄断,实现高端铝合金汽车板、航空板的国产装备、工艺和生产技术的突破,在铝合金高端材料关键热处理装备和工艺技术方面实现自主可控。

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  • 吉大开发出高分子电致变色材料 构建超级省电的电子器件

    一种新材料和一项新技术可让电子设备不伤眼、超省电,持续使用几周无需充电。吉林大学张晓安科研团队开发出的全新高分子电致变色材料让电子...快速预览

    吉大开发出高分子电致变色材料 构建超级省电的电子器件

    吉林大学高分子材料超级省电电子器件

    长春日报 | 3天前

    一种新材料和一项新技术可让电子设备不伤眼、超省电,持续使用几周无需充电。吉林大学张晓安科研团队开发出的全新高分子电致变色材料让电子信息及图像被静态阅读时,长时间不耗电,只有在翻页即信息切换时才略微耗电。9日,国际顶级学术期刊《自然-材料》杂志刊登了该研究成果。


    目前,当代主流显示技术(液晶、LED等)须持续给电,才能维持图像和文字信息,不仅耗电多,且强光直射人眼视网膜,比较伤眼。现有电致变色材料和技术尚无法满足高端电子显示产品在色彩显示、变色速度、双稳态性能等方面的需求。张晓安科研团队的研发成果攻克了这些全球性难题,并成功构建了超级省电的电子器件。


    与传统材料相比,张晓安科研团队研发的新型电致变色材料的性能更优越,着色效率、双稳态性能均已超过现有同类材料的最佳值,其生产工艺简化,有利于产业化和市场化。该材料还具有超高的颜色对比度,出色的透光率变化和较快的信息切换速度,出色的循环可逆性。研发团队还开发了黑色、品红色、黄色和蓝色等电子显示常用颜色来满足多色显示需求。由于不存在强光直入眼底问题,此类电子产品普及后可提高人们视觉体验,缓解因长时间电子阅读而带来的眼疾问题。


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  • 3D打印颅骨:基础研究、新材料、高技艺“一样不能少”

    当意外事故造成颅骨缺损时,我们该如何修复脑颅?根据患者的脑部CT数据进行设计,利用3D打印技术可制作出与缺损处完美匹配的“颅骨”。9月...快速预览

    3D打印先进新型材料增材制造颅骨

    浏览量 17 科技日报 | 4天前

    3D打印颅骨:基础研究、新材料、高技艺“一样不能少”

    3D打印先进新型材料增材制造颅骨

    科技日报 | 4天前

    当意外事故造成颅骨缺损时,我们该如何修复脑颅?根据患者的脑部CT数据进行设计,利用3D打印技术可制作出与缺损处完美匹配的“颅骨”。


    9月15日,在济南举办的3D打印与先进新型材料创新应用论坛上,这是大咖交流时都提到的一幕。这场由中国增材制造产业联盟生物制造产业工作组、山东省立医院神经外科主办的论坛吸引了清华大学徐弢教授团队、四川大学华西医院关俊文教授、山东省立医院神经外科庞琦教授、丁峰教授等众多大咖参与。专家们认为,利用高分子合成材料,3D可打印出“完美的颅骨”;如果期待未来“打印”出活体器官用于人体组织修复,仍需基础研究、新材料、高技艺方面的专家们“拧成一股绳”,通力合作。


    人的颅骨由23块骨组成,能支持和保护脑等重要器官。除下颌骨和舌骨外,各骨之间都借缝或软骨相连,属不活动的连结。如何利用时下炙手可热的3D打印技术“定制”受损的颅骨,成为与会者讨论的话题。


    “一个月前,我刚进行完一场颅骨修补手术。”四川大学华西医院神经外科主任医师关俊文教授是国内颅骨修补手术的高手。在他看来,颅骨修补,首先需要在头顶上“开一扇窗”,用定制的各种材料“嵌入窗中”,固定,然后用头皮覆盖。这些材料,早期是金属,是甲基丙烯酸甲(MMA),当下是钛网,是聚醚醚酮(PEEK)。而理想的修复材料,需具备“可透过放射线、抗感染、不传热、生物力学性好”等特征。相对而然,PEEK因其“射线可透过、有弹性、不导热”等优势更胜一筹。关俊文强调,以PEEK为代表的颅骨修复术对主刀医生的经验、水平提出了高要求,也是当下颅骨修复的“主力军”。


    他的观点指向一个事实:一方面,选择3D打印技术“量身定制”的新型植入修补材料PEEK,可根据患者的头颅CT数据进行3D重建,完全还原颅骨的生理结构曲度等,可与缺损区域严丝合缝;另一方面,颅骨修补并不是主刀医生“一个人能完成”,新材料的研制还需要基础研究和个性化的支持。


    清华大学生物制造中心副主任徐弢教授是国际上最早进行细胞和器官打印技术开发的研究者之一,他和导师一同拥有世界首个细胞打印专利。显然,他看到了现在3D打印骨硬质材料支架面临的不足,比如“大部分金属材料不降解,难以实现可再生功能”、“可降解材料硬度不够,难以承重”、“3D打印产品层间力学较差”等。


    “未来器官打印可能吗?”回答这一设问,徐弢和同事们已经做出了“超酷的成绩”,“我们打印活细胞,一层一层地,然后把活细胞整合成3D结构。”如今,该团队已在生物打印领域取得了多项美国专利,甚至打印心脏干细胞并直接置于一只老鼠受损的心脏上。


    徐弢教授提到的“3D打印材料不降解”问题也在山东第一医科大学第一附属医院辛涛教授的演讲中得到验证。硬脑膜是紧贴在颅骨内侧和脑组织之间的坚硬膜性组织,是保护脑组织的天然屏障。如何修复硬脑膜,寻找理想的硬脑膜替代材料成为医学界面临的问题。

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  • 牙齿有缺损?两滴修补液“种”出牙釉质

    浙江大学化学系唐睿康教授团队发明一种仿生修补液,在牙釉质的缺损处滴上两滴,48小时内能在缺损表面“长”出2.5微米晶体修复层,其成分、...快速预览

    浙江大学仿生修补液牙釉质新材料

    浏览量 12 科技日报 | 4天前

    牙齿有缺损?两滴修补液“种”出牙釉质

    浙江大学仿生修补液牙釉质新材料

    科技日报 | 4天前

    令人痛苦的蛀牙,是从牙釉质的破坏开始的。


    自恒牙长成的第一天起,人体牙釉质就在缓慢地消耗着,细菌酵解食物中的糖类物质释放出酸以及酸性饮料都会加速它的消耗。一旦牙釉质的防线被突破,整颗牙就像失去了保护伞。


    不久前,浙江大学化学系唐睿康教授团队发明一种仿生修补液,在牙釉质的缺损处滴上两滴,48小时内能在缺损表面“长”出2.5微米晶体修复层,其成分、微观结构和力学性能与天然牙釉质几乎一致,并与原有组织无缝连结,浑然一体。相关论文日前发表于《科学进展》杂志。


    仿生矿化 48小时实现再生


    修复牙釉质,堪称是仿生领域一项最“硬”的挑战,科学家们没有停止过尝试。常见的补牙材料,例如复合树脂、陶瓷和汞合金等,发挥的大多是“填料”作用,适用于“大洞”修补,但对小缺小裂却填不进去,并且与天然组织之间也不能完全结合。


    “牙釉质主要的成分是羟基磷灰石晶体,其排布非常致密,纤维状的纳米羟基磷灰石首先通过紧密聚集形成直径约5微米的釉柱,然后这些釉柱进一步交叉排列形成高度有序的层级结构,让牙釉质坚如磐石。”论文第一作者、浙大化学系邵长鹆博士介绍说,由于缺乏包括细胞在内的生物有机基质,牙釉质无法再生。


    由于牙釉质结构的复杂性,过去无法有效获得与天然釉质多级结构一致的大面积修复层,达不到临床应用要求,也没能真正在牙齿上实现修复。论文通讯作者、浙大化学系刘昭明博士说,理想的修复方法,应该是材料、结构、力学性能三者的统一,而且能实现原位修复。


    随着观测手段的进步,2000年前后,科学家得以观察到动物的成骨过程。


    “斑马鱼骨骼的生长,海胆的刺的生长,都是一个在无定形矿物层上实现晶体外延生长的过程,我们发现,对牙的修复过程与生物的成骨过程非常类似。”唐睿康团队提出了一种全新的修复策略,有望将牙修复从“填补”时代带入到“仿生再生”阶段。


    研究团队成员将富含磷酸钙团簇的溶液,用滴管滴在人工龋齿表面,随后将其放入到一个模拟口腔唾液环境的溶液中,然后等待。


    接下来的48小时里,虽然肉眼看不出任何变化,但事实上,牙齿表面已经发生了“翻天覆地”的变化——牙釉质长出来了。


    “龋齿的表面首先形成了一个仿生矿化前沿。”唐睿康说,这个仿生矿化前沿能完全的结合在需要修补的牙釉质界面上,同时能引导接下来晶体的实现外沿生长,让羟基磷灰石长出类似于釉柱结构的晶体,并朝特定的方向有序排列。


    实验测量显示,48小时后,牙釉质“长”高了2—3微米。“也就是说,牙齿上长出了一种连续的材料,一个与原组织一模一样、完全结合的生物结构。”邵长鹆说。


    以假乱真 开展多样化修复


    “我们用了与人体相同的材料,实现了结构性的完全修复,和本体组织几乎一模一样。”刘昭明对这一研究十分自信。


    “真”到什么程度?邵长鹆第一次拿修复后的电镜照片给唐睿康看,唐睿康端详了半天,将信将疑:“这还是原来的牙吧,是不是修复材料脱落了?”


    研究团队还进一步测试了修复材料的力学性能,实验人员用纳米压痕技术测试牙釉质修复层的力学强度。结果显示,长出来的人工牙釉质,其硬度和弹性模量与天然牙釉质的数值几乎相同。


    “也就是说,我们不但在结构、外形上修复了,在力学性能上也实现了修复。”刘昭明说。


    “虽然我们实现了天然牙釉质的结构性原位修复,但牙缺损形式繁多,下一步需要针对不同的情况进一步研发修复模型,确保该技术的可控与有效。”邵长鹆说。


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  • 美国开发新型阴极和电解质系统 或减少对稀有金属依赖

    据最新一期的《自然·材料》报道,为了开发锂基电池的替代品,减少对稀有金属的依赖,美国佐治亚理工学院研究人员开发出一种有前景的新型阴...快速预览

    锂基电池稀有金属新材料

    浏览量 8 | 4天前

    美国开发新型阴极和电解质系统 或减少对稀有金属依赖

    锂基电池稀有金属新材料

    | 4天前

    据最新一期的《自然·材料》报道,为了开发锂基电池的替代品,减少对稀有金属的依赖,美国佐治亚理工学院研究人员开发出一种有前景的新型阴极和电解质系统,用低成本的过渡金属氟化物和固体聚合物电解质代替昂贵的金属和传统的液体电解质。


    新型阴极由氟化铁活性材料和固体聚合物(一种塑料)电解质纳米复合材料制造。为制造这种阴极,研究人员开发了一种将固体聚合物电解质渗透到预制氟化铁电极中的方法,然后热压整个结构,以增加密度并减少空隙。聚合物基电解质有两个突出优点,一是其在循环时弯曲和适应氟化铁溶胀的能力强,二是能与氟化铁形成非常稳定的柔性界面,解决了先前电池设计中使用氟化铁出现的膨胀和大量副反应等关键问题。


    研究人员测试了新型固态电池的几种变体,以分析其在50℃高温下超过300次充电和放电循环的性能。结果发现,增强电池性能的关键是固体聚合物电解质。当与固体聚合物电解质一起使用时,即使在高温下,金属氟化物也显示出非凡的稳定性。这有望带来更安全、更轻和更便宜的锂离子电池。此外,氟化铁的锂容量是传统钴基或镍基阴极的两倍多。而且铁比钴便宜300倍,比镍便宜150倍。


    未来,研究人员将继续改进和开发新的固体电解质,以实现快速充电,并在新设计中融合固体和液体电解质,以与大型电池工厂中使用的传统电池制造技术完全兼容。


    总编辑圈点


    无论是纯电动汽车还是可再生能源电池,稀有金属都是必要材料。这导致争夺钴和镍等原料的竞争日趋激烈,甚至确保稀有金属已经是国家性课题。因此科学家们才着手发掘替代品,以缓解依赖。新研究现在已经表现出巨大潜力,但下一步,研究者必须要让新型电池与以往稀有金属做电极的锂电池具有同等的容量,且衰减也符合要求,才能真正考虑商品化生产。


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  • 突破40年技术瓶颈 新型人工肌肉材料研发成功

    人工肌肉是一种新型智能形状记忆材料,它能够通过材料内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀。目前,常用的人工肌肉材料有压电陶瓷、形状...快速预览

    突破40年技术瓶颈 新型人工肌肉材料研发成功

    人工肌肉新型智能形状记忆材料东南大学新材料

    科技日报 | 4天前

    人工肌肉是一种新型智能形状记忆材料,它能够通过材料内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀。目前,常用的人工肌肉材料有压电陶瓷、形状记忆合金、电活性聚合物等。近日,记者从东南大学获悉,该校化学化工学院杨洪教授课题组研制出了一种聚氨酯/聚丙烯酸酯互穿网络结构液晶弹性体材料,其具有超强的力学性能,突破了40年来的研究瓶颈,在人造肌肉等领域有广泛的应用前景。该研究成果于近日发表在国际期刊《美国化学会志》杂志上。


    液晶弹性体是一种典型的双向形状记忆材料,具有形变大、形变可逆等技术优点,在仿生器件、软机器人等领域有很好的应用前景。然而,经过长达40年的发展,液晶弹性体研究仍停留在实验室层面,未实现工业化应用。


    杨洪介绍,液晶弹性体40年前就研发出来了,20年前,人们认识到它可以作为人工肌肉的优质材料使用。“液晶弹性体作为最好的双向形状记忆材料,形变量大,可以从100厘米压缩到20厘米,形变速度也快,这比压电陶瓷等材料更有优势。”


    但限制其应用的关键科学问题是,液晶弹性体在形变过程中产生的应力太小,无法满足实际应用场景的力学性能需求。杨洪说:“影响应力大小的一个很重要的指数是弹性模量的大小,目前国内外研究的液晶弹性体的形变弹性模量只有一点几兆帕,如果想用作人工肌肉使用,至少要到10兆帕。”


    杨洪教授科研团队另辟蹊径,采用将聚氨酯液晶弹性体和聚丙烯酸酯液晶热固体的小分子前体组分混合,再同步交联的技术途径,制备了一种聚氨酯/聚丙烯酸酯互穿网络结构液晶弹性体材料,其收缩应变、应力、弹性模量分别达到了46%、2.53兆帕、10.4兆帕,首次全面满足了液晶弹性体基人造肌肉的力学性能要求,突破了该领域的技术瓶颈。


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  • 上海交大突破关键技术助力中国特高压电网建设

    海交通大学11日发布消息称,该校材料学院孙宝德、高海燕教授研究团队,与江苏中天科技合作,在973、国家自然科学基金、上海市节能减排专项...快速预览

    上海交大突破关键技术助力中国特高压电网建设

    上海交通大学铝合金导线材料国家电网新材料

    中国新闻网 | 8天前

    上海交通大学11日发布消息称,该校材料学院孙宝德、高海燕教授研究团队,与江苏中天科技合作,在973、国家自然科学基金、上海市节能减排专项等项目的资助下,历经二十余年,突破了制约高性能铝合金导线材料的关键技术,研制了高导耐热、高强抗疲劳、特高压节能导线等新型特种导线材料及制备技术,建立了全流程工艺控制体系,形成自主核心技术,高导耐热导线、高强抗疲劳导线、高导电工铝导线三大类十九种新型导线通过了权威部门组织的新产品鉴定,满足了国家电网建设急需。


    中国能源与电力负荷逆向分布,国家实施“西电东送,北电南送”战略。架空输电线路用导线作为电力输送的“血管”,是电网中用量最大、最关键的组成部分之一。随着特高压、远距离、大容量输电和清洁能源利用的发展,对架空导线的导电率、强度、耐热性能和疲劳性能提出了更高的要求。但提升材料导电率与同时提高其强度和耐热性之间存在矛盾,导致中国电网建设急需的特种导线难以满足工程需求。


    数据显示,中国架空导线总长1000余万公里,2018年中国全社会用电约6.8万亿千瓦时,其中因导线电阻造成的损失巨大。导线的导电率即使仅提高千分之一(0.1%IACS),全国每年可节电约7亿千瓦时,减少电煤消耗约23万吨,减少二氧化碳排放58万吨,节能减排效益显著。


    导线的耐热温度决定其输送电流的能力,采用耐热导线可提高输电容量,有效缓解电力供需矛盾,降低城区线路改造的走廊成本;同时可更好满足太阳能、风能等新能源峰值和谷值输电的大温差需求。但导线的耐热性与导电率是一对矛盾。


    孙宝德团队通过理论计算和科学实验,研究了新型铝锆钇耐热合金及其微结构调控方法和工艺,研制出新型耐热导线,总体技术水平达到国际先进,这一技术在全国一百多条旧网改造中获得应用,川渝电网“大动脉”洪板线改造全部采用项目成果,一条线达到了两条线路的输电能力。


    上海交大孙宝德教授团队“高性能架空导线制备技术”助力中国特高压电网建设。供图


    中国特高压工程需要跨越高山峻岭和大江大河架设电网,形成了中国特色的“大跨越”工程。项目组针对铝镁硅合金亚稳强化相的精确调控超细夹杂物的去除开展了大量研究,研制了不同强度级别的高强度铝合金材料,建立了全流程精细控制技术,消除了材料内部潜在的疲劳裂纹源。研制的高强度铝合金导线,在运行张力增大的条件下,振动疲劳寿命不低于3000万次,满足线路设计预期寿命达到50年的安全标准,综合技术指标达到国际领先水平,在国家电网特高压大跨越工程中获得大量应用。


    中国电工铝导线占导线用量近70%,是特高压电网的基础导体材料。近年来,特高压输电技术对电工铝导体的性能提出了更高的要求。针对中国铝土资源铁硅含量相对较高的特点,团队研究了高导电工铝材料及其冶金质量控制技术,解决了微量杂质元素与气体去除的难题,突破了铸锭晶粒细化瓶颈,保证了导线组织与性能的稳定性和一致性。研制的高导电工铝导线在特高压工程中得到应用。


    十多年来,上海交通大学孙宝德教授研究团队与江苏中天科技集团一直保持密切合作,面向国家电网建设对高性能导线的迫切需求,成立了“上海交大-中天科技”联合研究中心。研究中心根据国家电网的线路设计需求,参与导线选型和截面设计,交大负责基础理论研究和关键技术攻关,中天科技负责中试及产业推广,真正做到“设计、工艺、制造”一体化,有力促进了中国高性能架空导线制造企业的产业升级与自主创新能力的提高。


    同时,项目团队研制的高导耐热导线和高导抗疲劳导线已走出国门,出口到欧美及一带一路沿线国家,承接了众多海外架空线路建设工程,累计架线超2万公里,打破国际大公司的垄断,成为中国制造和中国电力走出去的“国家名片”。 (记者 许婧)

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