秋季會議上專家學(xué)者報道二則

秋季會議上專家學(xué)者報道二則

微納米孔道的仿生非對稱設(shè)計和制備

侯旭博士

生命體經(jīng)過億萬年的進化幾乎完成了智能操縱的所有過程，向自然學(xué)習(xí)是智能新材料和新體系發(fā)展的永恒主題。生物學(xué)孔道，典型的如離子通道，在細(xì)胞的基本分子生物學(xué)過程中發(fā)揮著重要的作用。受到生物孔道的對稱非對稱設(shè)計思路影響，近幾年，仿生微納米孔道的研究得到了飛速的發(fā)展。本文主要關(guān)注MRS大會中作者所了解到的最新研究進展并結(jié)合作者相關(guān)的研究背景，對受生物啟發(fā)的微納米孔道的研究做一簡要評述。

孔道可以分為孔和通道兩種。孔一般是指孔徑大于其自身長度的孔道，而對于孔的長度遠(yuǎn)大于孔徑的孔道，一般稱為通道。根據(jù)孔徑的尺寸大小，一般又分為宏觀孔道、微米孔道、納米孔道。近幾年來，微納米孔道的研究得到了飛速發(fā)展，設(shè)計和開發(fā)仿生智能微納米孔道，不僅可以實現(xiàn)孔道孔徑大小智能響應(yīng)外場的可控性，而且還可能通過對不同外場響應(yīng)性功能分子的選擇和設(shè)計，實現(xiàn)光、pH值、溫度、特定離子等多外場協(xié)同作用的智能響應(yīng)。這一方面為研究和模仿生物體中的孔道的開關(guān)、輸運等提供了一種新方法，在生命科學(xué)研究中具有重要的意義;另一方面，也為設(shè)計和開發(fā)仿生智能響應(yīng)性微納米器件提供了一種全新的設(shè)計思路。基于微納米孔道的仿生非對稱設(shè)計思路就是在這一大研究背景提出來的。

不僅僅是仿生設(shè)計，如何制備一些新的材料同樣也是目前國際上的一個熱點問題。例如，石墨烯及其氧化物薄膜已經(jīng)成為一個十分熱門的研究領(lǐng)域，因為其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，比如單原子層的厚度，讓它具備了許多優(yōu)異的性能。本次美國材料研究協(xié)會秋季會議，石墨烯相關(guān)的研究與微納米孔道的研究一樣也是一個十分熱門的主題。國際上很多課題組，紛紛采用這種材料來開發(fā)一些新的材料系統(tǒng)，比如基于石墨烯復(fù)合的聚合物薄膜材料，這些材料的開發(fā)，不僅僅增加了微納米孔道的非對稱設(shè)計的材料選擇，也為提升微納米孔道的優(yōu)異性能帶來了新的希望，正如石墨烯是一種由碳原子以組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料，它的六角型晶格正好是天然的納米孔，為物質(zhì)的分離提供了一個理想的平臺。

(哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院侯旭博士

E－mail:houx@seas.havard.edu)

光伏領(lǐng)域的新明星——鈣鈦礦型太陽能電池

李洪義博士

隨著世界人口數(shù)量的不多增加和社會文明的不斷進步，人們對能源提出了越來越高的要求，除了有效利用現(xiàn)有的礦物能源外，發(fā)展可再生能源是社會發(fā)展的必然選擇。在眾多可再生能源中，太陽能由于具有儲量豐富、綠色環(huán)保和價格低廉等優(yōu)點被譽為最具前景的選擇之一。然而無論是硅基太陽能電池還是薄膜型光伏器件的成本均比傳統(tǒng)能源高出很多，為了降低光伏太陽能電池的成本，1991年人們提出了染料敏化太陽能電池的設(shè)計構(gòu)想，雖然目前人們已經(jīng)將染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高至12.3%，仍然與多晶硅和薄膜型太陽能電池存在很大的差異，如何提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已成為光伏領(lǐng)域亟需解決的問題。

2009年日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦型光吸收劑CN3NH3PbI3的禁帶寬度僅有1.5 eV，在光伏領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的前景。然而由于CN3NH3PbI3在水溶液中的穩(wěn)定性很差，由此封裝的太陽能電池穩(wěn)定性極差。最近人們發(fā)現(xiàn)，采用固體電解質(zhì)提到液體電解質(zhì)不僅可以大大提高CN3NH3PbI3的穩(wěn)定性，還進一步將太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率大幅度提高，截止2013年9月份，由CN3NH3PbI3組裝的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換下來已經(jīng)高達(dá)15%以上，僅2013年就有10篇以上的學(xué)術(shù)論文發(fā)表在權(quán)威期刊《Science》、《Nature》以及《Nature》旗下的子刊。在2013年的MRS秋季學(xué)術(shù)會議上更是臨時組織了CN3NH3PbI3太陽能電池的專場論壇，來自英國牛津大學(xué)和劍橋大學(xué)、美國普林斯頓大學(xué)、耶魯大學(xué)以及哈弗大學(xué)等國際知名科學(xué)家匯聚一堂，展開了熱烈的討論。英國牛津大學(xué)的教授指出，由CN3NH3PbI3組裝的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率應(yīng)該很快會超過薄膜太陽能電池的20%和單晶硅太陽能電池的25%，并預(yù)測該種太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率將可達(dá)到30%。

(北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院李洪義博士

Email:lhy06@bjut.edu.cn)