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科學(xué)家在熱電材料的低熱導(dǎo)率研究中取得新進(jìn)展

近日，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體所物質(zhì)計(jì)算科學(xué)研究室張永勝研究員課題組，在熱電材料低熱導(dǎo)率研究中取得新進(jìn)展，相關(guān)結(jié)果日前發(fā)表在國際著名的《物理評(píng)論B》上。

熱電材料可以實(shí)現(xiàn)熱能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)換效率可以用無量綱的ZT值來衡量，ZT值越大，熱電轉(zhuǎn)換效率越高。目前報(bào)道的熱電材料轉(zhuǎn)換效率較低，尋找具有較低熱導(dǎo)率的材料是提高熱電材料轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要方法。由于礦石材料具有很低的熱導(dǎo)率，并且價(jià)格低廉而受到科研人員廣泛關(guān)注，其中兩種同構(gòu)同型的礦石材料CuBiS2和CuSbS2的實(shí)驗(yàn)測量熱導(dǎo)率值差別很大，室溫下CuBiS2的熱導(dǎo)率僅為CuSbS2的1/3，因此探索影響材料低熱導(dǎo)率的物理機(jī)制對設(shè)計(jì)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(dǎo)率的物理機(jī)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(huì)導(dǎo)致材料有較強(qiáng)的非簡諧性，進(jìn)而兩種材料都有較低的熱導(dǎo)率。這種孤對電子和原子振動(dòng)的協(xié)同作用導(dǎo)致CuBiS2相對于CuSbS2具有更低的熱導(dǎo)率。相關(guān)研究表明，孤對電子和原子振動(dòng)的協(xié)同效應(yīng)對聲子非簡諧性有著重要影響。該研究成果為尋求和設(shè)計(jì)具有超低熱導(dǎo)率和高效率的新型熱電材料提供嶄新的思路。

美學(xué)者運(yùn)用“白色石墨烯”夾層，大幅提升陶瓷材料的延展性和強(qiáng)度

作為應(yīng)用材料，陶瓷的主要缺點(diǎn)便是在高壓力或高應(yīng)變情況下容易破碎，但萊斯大學(xué)（Rice University）的一項(xiàng)研究正好克服了這個(gè)限制，提高了延展性和韌性的同時(shí)也提高了強(qiáng)度性能。這項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)布在美國化學(xué)學(xué)會(huì)出版的《應(yīng)用材料和接口》（ACS Applied Materials and Interfaces）期刊。

研究作者、萊斯大學(xué)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(huì)形成一個(gè)有趣的雙層晶體，具有多功能的特殊性質(zhì)，能夠制成一種堅(jiān)固耐用而且耐熱、耐輻射的陶瓷材料。

根據(jù)計(jì)算，插入二維hBN層的硅酸鈣將會(huì)非常堅(jiān)固，甚至能當(dāng)作電廠等核應(yīng)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(fù)合材料的領(lǐng)域。

由于二維 hBN的外型是六邊形互相連結(jié)形成一個(gè)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(qiáng)的填充物（fillers）與主體材料經(jīng)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(rèn)為，這項(xiàng)研究顯示了在最小限度的調(diào)整下為陶瓷材料加固的可能性。

團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)在研究中也對水平堆疊的雪硅鈣石與插入hBN的模型進(jìn)行了實(shí)際測試，結(jié)果顯示復(fù)合材料比起原有的雪硅鈣石強(qiáng)度高出3倍、硬度高出25%。

當(dāng)材料被壓縮時(shí)，一般水平堆疊的雪硅鈣石展現(xiàn)出約10GPa的降伏強(qiáng)度（yield strength），降伏應(yīng)力（yield strain）為7%，而復(fù)合材料則顯示出25GPa的降伏強(qiáng)度，以及20%的降伏應(yīng)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(zhì)量的表面積也是兩倍，“對于附著到周遭基質(zhì)和加固效果來說非常完美。”

研究者認(rèn)為，對于那些高性能陶瓷和其他多功能復(fù)合材料由下而上的設(shè)計(jì)，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(xué)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(zhì)部件。這一成果獲得大學(xué)知識(shí)與技術(shù)轉(zhuǎn)化中心頒發(fā)的發(fā)明人獎(jiǎng)。

材料研究類似于數(shù)以千計(jì)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(xué)3名博士研究生亞歷山大·庫巴、貝內(nèi)迪克·博希特勒和奧利弗·格羅斯在導(dǎo)師拉爾夫·布希教授的指導(dǎo)下，經(jīng)過多年實(shí)驗(yàn)，終于研制出一種強(qiáng)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(diǎn)：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(jià)，而且鈦硫合金不會(huì)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(zhì)量更輕、更便宜的鈦?zhàn)鲈囼?yàn)。經(jīng)過約250次實(shí)驗(yàn)，3人終于找到了鈦、硫和其他元素相互結(jié)合的最佳配比。尋找配方的過程非常復(fù)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(qiáng)度大約是普通相同密度的鈦基金屬的兩倍。因此，它是生產(chǎn)更輕，更小部件的理想材料。

這種所謂金屬玻璃的生產(chǎn)工藝也相當(dāng)關(guān)鍵，因?yàn)椴牧先垠w要在1100℃以上的高溫下被急速冷卻，這樣不會(huì)形成規(guī)則晶格的合金。熔體在不到一秒鐘內(nèi)冷卻，凝固的熔體呈現(xiàn)無序原子結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)狀態(tài)也被視為玻璃。混亂無序的結(jié)構(gòu)使得金屬玻璃的性能與傳統(tǒng)的相同原材料合金相當(dāng)不同，像鋼一樣堅(jiān)固，但同時(shí)像塑料一樣具有彈性。

二維材料力學(xué)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(jié)構(gòu)，而最薄的材料只有一個(gè)原子厚度，其二維力學(xué)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(xué)物理學(xué)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(jí)薄膜材料的二維力學(xué)性能。相關(guān)結(jié)果刊登在專業(yè)雜志《納米尺度》上。

近年來，二維材料備受關(guān)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(xué)獎(jiǎng)，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(dāng)驚奇，如材料內(nèi)的電子移動(dòng)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(gè)有趣的優(yōu)勢。另外，二維材料的力學(xué)性能也是獨(dú)一無二的，相對其厚度，顯示出的力學(xué)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(jīng)費(fèi)，將石墨烯列為旗艦項(xiàng)目，以進(jìn)一步挖掘二維材料的潛力。

然而到目前為止，關(guān)于這些新材料力學(xué)性質(zhì)的許多信息都來自模擬計(jì)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(gè)系統(tǒng)的性質(zhì)不可避免地還是由三維材料來決定。”不過，在最新研究中，他們首次直接測量出了原子級(jí)薄碳改性二維材料的力學(xué)性能。“這使得模擬計(jì)算的數(shù)據(jù)可以直接與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。此外，膜的晶格的各種缺陷對其力學(xué)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(lǐng)域帶來創(chuàng)新，從傳感器、處理器到過濾技術(shù)和燃料電池等。

上海交大團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)常溫下石墨烯催化C-C鍵斷裂

近日，上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院趙亞平教授科研團(tuán)隊(duì)首次報(bào)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(yīng)生成氰化銀，成功實(shí)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(shí)現(xiàn)C-C鍵斷裂、合成新材料提供了重要的科學(xué)啟示。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于2017年12月29日的國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）的子刊《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports）上。

碳-碳鍵斷裂和碳-氮鍵的形成在化學(xué)合成領(lǐng)域具有重要理論意義和實(shí)際使用價(jià)值。這類反應(yīng)通常會(huì)涉及高溫和多個(gè)化學(xué)合成步驟。該研究團(tuán)隊(duì)采用超臨界二氧化碳技術(shù)制備的高質(zhì)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(jīng)過簡單攪拌混合后，實(shí)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(shí)形成AgCN，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合系列分析表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了該反應(yīng)機(jī)理。

高質(zhì)量石墨烯的規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一，趙亞平教授研究團(tuán)隊(duì)致力于無缺陷石墨烯的制備和應(yīng)用研究，建立了規(guī)模化生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯技術(shù)，在石墨烯基柔性超級(jí)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(xué)參與新材料和可穿戴傳感器研發(fā)制造

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

美國得克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯校區(qū)、韓國漢陽大學(xué)、中國南開大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員合作研發(fā)了該材料。美國德克薩斯大學(xué)達(dá)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(tuán)隊(duì)成員，南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(xì)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(zhì)溶液中浸泡，使電解質(zhì)中的離子附著到碳納米管表面。當(dāng)紗線被擰緊或拉伸時(shí)，碳納米管之間的距離變小，離子聚集到一起密度變大，就會(huì)將擰緊或拉伸過程中的機(jī)械能轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)證明，每千克紗線可產(chǎn)生250瓦的峰值電能，比其他將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)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(chǎn)生的電能可以點(diǎn)亮一個(gè)小型LED。

科學(xué)家們十分看好Twistron的應(yīng)用前景，認(rèn)為其適合為物聯(lián)網(wǎng)中成千上萬的傳感器提供方便電能。同時(shí)，它還可用于制造電子紡織品或可穿戴醫(yī)療設(shè)備。研究人員還利用這種紗線采集海浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量，設(shè)想將生產(chǎn)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(kuò)展性，它們可在任何有可靠動(dòng)能的地方使用。

2015年，劉遵峰教授與雷·鮑曼教授曾在《科學(xué)》雜志上報(bào)道了使用同種細(xì)紗材料制成的彈性導(dǎo)線，用以制作監(jiān)測人體健康和運(yùn)動(dòng)的可穿戴設(shè)備。劉遵峰為論文第一作者。

據(jù)了解，雷·鮑曼院士現(xiàn)為南開大學(xué)“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。