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科學家在熱電材料的低熱導率研究中取得新進展

近日，中科院合肥物質科學研究院固體所物質計算科學研究室張永勝研究員課題組，在熱電材料低熱導率研究中取得新進展，相關結果日前發(fā)表在國際著名的《物理評論B》上。

熱電材料可以實現(xiàn)熱能和電能之間的相互轉化，其轉換效率可以用無量綱的ZT值來衡量，ZT值越大，熱電轉換效率越高。目前報道的熱電材料轉換效率較低，尋找具有較低熱導率的材料是提高熱電材料轉換效率的一個重要方法。由于礦石材料具有很低的熱導率，并且價格低廉而受到科研人員廣泛關注，其中兩種同構同型的礦石材料CuBiS2和CuSbS2的實驗測量熱導率值差別很大，室溫下CuBiS2的熱導率僅為CuSbS2的1/3，因此探索影響材料低熱導率的物理機制對設計和尋找新材料具有重要意義。

為此，張永勝研究員課題組的科研人員采用密度泛函理論方法，研究了CuBiS2相對于CuSbS2具有較低熱導率的物理機制。研究表明，CuBiS2和CuSbS2中的Bi和Sb原子都含有孤對電子，而孤對電子會導致材料有較強的非簡諧性，進而兩種材料都有較低的熱導率。這種孤對電子和原子振動的協(xié)同作用導致CuBiS2相對于CuSbS2具有更低的熱導率。相關研究表明，孤對電子和原子振動的協(xié)同效應對聲子非簡諧性有著重要影響。該研究成果為尋求和設計具有超低熱導率和高效率的新型熱電材料提供嶄新的思路。

美學者運用“白色石墨烯”夾層，大幅提升陶瓷材料的延展性和強度

作為應用材料，陶瓷的主要缺點便是在高壓力或高應變情況下容易破碎，但萊斯大學（Rice University）的一項研究正好克服了這個限制，提高了延展性和韌性的同時也提高了強度性能。這項研究已經發(fā)布在美國化學學會出版的《應用材料和接口》（ACS Applied Materials and Interfaces）期刊。

研究作者、萊斯大學民用與環(huán)境工程助理教授Rouzbeh Shahsavari指出，在兩層硅酸鈣間加入超薄的六角形氮化硼（hexagonal boron nitride，hBN）將會形成一個有趣的雙層晶體，具有多功能的特殊性質，能夠制成一種堅固耐用而且耐熱、耐輻射的陶瓷材料。

根據計算，插入二維hBN層的硅酸鈣將會非常堅固，甚至能當作電廠等核應用的屏蔽體使用，除了適用核工業(yè)，這種材料也能用在建筑、原油、天然氣、航空航天和其它需要耐火材料或高性能復合材料的領域。

由于二維 hBN的外型是六邊形互相連結形成一個超薄平面，看上去與石墨烯非常像，因此又稱為“白色石墨烯”；但與石墨烯不同的是，hBN主要組成并非碳原子，而是由硼和氮交替組成。

傳統(tǒng)上用于加強的填充物（fillers）與主體材料經常是呈現(xiàn)松散連接，但放置在雙層硅酸鈣間的 hBN則成為了整體系統(tǒng)的一部分，研究者認為，這項研究顯示了在最小限度的調整下為陶瓷材料加固的可能性。

團隊用于研究的陶瓷形式主要為“雪硅鈣石”（tobermorite），為了了解與原有材料的差異，團隊在研究中也對水平堆疊的雪硅鈣石與插入hBN的模型進行了實際測試，結果顯示復合材料比起原有的雪硅鈣石強度高出3倍、硬度高出25%。

當材料被壓縮時，一般水平堆疊的雪硅鈣石展現(xiàn)出約10GPa的降伏強度（yield strength），降伏應力（yield strain）為7%，而復合材料則顯示出25GPa的降伏強度，以及20%的降伏應力。

研究者表示，與纖維、納米碳管（CNT）等常見一維填充物相比，hBN這樣的二維材料是雙面的，因此每單位質量的表面積也是兩倍，“對于附著到周遭基質和加固效果來說非常完美。”

研究者認為，對于那些高性能陶瓷和其他多功能復合材料由下而上的設計，其它二維材料如二硫化鉬（molybdenum disulfide）、二硒化鈮（niobium diselenide）和層狀雙氫氧化合物（LDH）也可能可以適用。

航空航天用金屬玻璃材料問世

德國薩爾州大學研究人員開發(fā)出一種新的非晶態(tài)金屬鈦硫合金，這種合金也稱為金屬玻璃，其性能與常規(guī)鈦合金完全不同，特別適合用作航空航天的輕質部件。這一成果獲得大學知識與技術轉化中心頒發(fā)的發(fā)明人獎。

材料研究類似于數(shù)以千計的拼圖游戲，如果沒有找到合適的開始部分，要想獲得完整的圖片就非常困難。薩爾州大學3名博士研究生亞歷山大·庫巴、貝內迪克·博希特勒和奧利弗·格羅斯在導師拉爾夫·布希教授的指導下，經過多年實驗，終于研制出一種強度非常高而又非常輕的合金。

與目前的無定形金屬材料相比，該合金具有許多優(yōu)點：原料來源豐富，主要由鈦和硫組成，與其它基于鋯、鈀或鉑非晶態(tài)金屬不同，鈦相對廉價，而且鈦硫合金不會像通常使用的鈹磷合金那樣有高毒性。

以往沒有人嘗試用硫磺來做合金，本研究率先選擇了硫作為不同金屬的混合物。博希特勒介紹說，他們首先發(fā)現(xiàn)了一種具有良好性能的含鈀和鎳的硫合金，然后又拿質量更輕、更便宜的鈦做試驗。經過約250次實驗，3人終于找到了鈦、硫和其他元素相互結合的最佳配比。尋找配方的過程非常復雜，一種元素用量1%的差異，對于一種合金是否具有所需特性起決定性作用。在相同重量下，新開發(fā)出的鈦硫合金強度大約是普通相同密度的鈦基金屬的兩倍。因此，它是生產更輕，更小部件的理想材料。

這種所謂金屬玻璃的生產工藝也相當關鍵，因為材料熔體要在1100℃以上的高溫下被急速冷卻，這樣不會形成規(guī)則晶格的合金。熔體在不到一秒鐘內冷卻，凝固的熔體呈現(xiàn)無序原子結構，這種結構狀態(tài)也被視為玻璃?；靵y無序的結構使得金屬玻璃的性能與傳統(tǒng)的相同原材料合金相當不同，像鋼一樣堅固，但同時像塑料一樣具有彈性。

二維材料力學性能首次測出

目前已知的材料特性都是基于材料的三維結構，而最薄的材料只有一個原子厚度，其二維力學性能完全不同于三維材料特性。為了獲取和處理二維材料，迄今為止都是以三維材料薄膜形式替代。德國薩爾州大學物理學家烏韋·哈特曼和萊布尼茨新材料研究所的研究人員合作，通過掃描隧道顯微鏡測量石墨烯，首次能夠表征原子級薄膜材料的二維力學性能。相關結果刊登在專業(yè)雜志《納米尺度》上。

近年來，二維材料備受關注。2010年，安德烈·吉姆和康斯坦丁·諾沃索洛夫因研究二維純碳材料石墨烯而獲得諾貝爾物理學獎，由此開啟了諸如硅、鍺等元素的二維材料制造和材料特性表征。哈特曼表示，一些二維材料的電子特性相當驚奇，如材料內的電子移動遵循相對論原理，而傳統(tǒng)三維材料基本不是這樣，在制造電子元件方面，這是一個有趣的優(yōu)勢。另外，二維材料的力學性能也是獨一無二的，相對其厚度，顯示出的力學穩(wěn)定性比三維材料大得多。2013年，歐盟投入10億歐元研究經費，將石墨烯列為旗艦項目，以進一步挖掘二維材料的潛力。

然而到目前為止，關于這些新材料力學性質的許多信息都來自模擬計算。哈特曼說：“二維材料一直只能作為三維材料表面上的薄膜來看待，而整個系統(tǒng)的性質不可避免地還是由三維材料來決定?！辈贿^，在最新研究中，他們首次直接測量出了原子級薄碳改性二維材料的力學性能?！斑@使得模擬計算的數(shù)據可以直接與實驗結果進行比較。此外，膜的晶格的各種缺陷對其力學性能的影響也將能夠測量。”

哈特曼表示，二維材料可以給許多領域帶來創(chuàng)新，從傳感器、處理器到過濾技術和燃料電池等。

上海交大團隊成功實現(xiàn)常溫下石墨烯催化C-C鍵斷裂

近日，上海交通大學化學化工學院趙亞平教授科研團隊首次報道石墨烯的催化活性，在常溫條件下，石墨烯可催化硝酸銀與乙醇反應生成氰化銀，成功實現(xiàn)乙醇C-C鍵的斷裂，該研究成果為石墨烯催化以及溫和條件下實現(xiàn)C-C鍵斷裂、合成新材料提供了重要的科學啟示。相關研究成果在線發(fā)表于2017年12月29日的國際著名學術期刊《自然》（Nature）的子刊《科學報告》（Scientific Reports）上。

碳-碳鍵斷裂和碳-氮鍵的形成在化學合成領域具有重要理論意義和實際使用價值。這類反應通常會涉及高溫和多個化學合成步驟。該研究團隊采用超臨界二氧化碳技術制備的高質量無缺陷石墨烯，在室溫條件下，將石墨烯乙醇分散液與硝酸銀經過簡單攪拌混合后，實現(xiàn)了乙醇碳-碳鍵的斷裂和硝酸銀中的氮-氧鍵斷裂，并同時形成AgCN，研究團隊結合系列分析表征實驗結果，提出了該反應機理。

高質量石墨烯的規(guī)?；a和應用是當今研究的熱點之一，趙亞平教授研究團隊致力于無缺陷石墨烯的制備和應用研究，建立了規(guī)?；a高質量石墨烯技術，在石墨烯基柔性超級電容器、柔性透明電極、熱管理材料、防腐涂層等方面已取得系列研究成果。

南開大學參與新材料和可穿戴傳感器研發(fā)制造

日前，《科學》雜志刊文介紹了一種名為“Twistron”的神奇“紗線”，只要拉伸或扭轉就能實現(xiàn)自發(fā)電。這一新材料有望在物聯(lián)網傳感器、可穿戴醫(yī)療設備、海水發(fā)電等領域廣泛應用，并幫助人類減少對化石能源的依賴。

美國得克薩斯大學達拉斯校區(qū)、韓國漢陽大學、中國南開大學等機構的研究人員合作研發(fā)了該材料。美國德克薩斯大學達拉斯分校納米科技研究所教授雷·鮑曼（Ray Baughman）為論文通訊作者。作為國際研究團隊成員，南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室教授劉遵峰，參與了新材料的研發(fā)以及Twistron“紗線”可穿戴傳感器的研制工作。

“Twistron”本質上是一種不需要外加電源的電容器。研究人員利用只有人類頭發(fā)絲萬分之一粗細的碳納米管制成了這種紗線。發(fā)電前，需要將這種紗線在鹽水等電解質溶液中浸泡，使電解質中的離子附著到碳納米管表面。當紗線被擰緊或拉伸時，碳納米管之間的距離變小，離子聚集到一起密度變大，就會將擰緊或拉伸過程中的機械能轉化為電能。

為了提高紗線的彈性，研究人員不斷提高紗線的捻度，從而使得紗線呈類似彈簧的螺旋結構。實驗證明，每千克紗線可產生250瓦的峰值電能，比其他將機械能轉換為電能的技術高出100倍以上。測試中，一根重量小于家蠅的Twistron紗線，每次被拉伸后，產生的電能可以點亮一個小型LED。

科學家們十分看好Twistron的應用前景，認為其適合為物聯(lián)網中成千上萬的傳感器提供方便電能。同時，它還可用于制造電子紡織品或可穿戴醫(yī)療設備。研究人員還利用這種紗線采集海浪運動產生的能量，設想將生產成本降低后，可利用這種紗線制成巨大的能量收集裝置。研究人員表示，由于這種紗線具有可擴展性，它們可在任何有可靠動能的地方使用。

2015年，劉遵峰教授與雷·鮑曼教授曾在《科學》雜志上報道了使用同種細紗材料制成的彈性導線，用以制作監(jiān)測人體健康和運動的可穿戴設備。劉遵峰為論文第一作者。

據了解，雷·鮑曼院士現(xiàn)為南開大學“楊石先講座教授”。中國參加該研究工作的單位還有江南石墨烯研究院外籍院士工作站。