电材料新秀

电材料新秀：多孔性物质未来绿色设备的福星2014-07-23来源：新材料在线作者：责任编辑：孙亚青行业：其它摘要：能够将热能和电能相互转化的电热装置可能能够利用废热提高绿色技术能源效率。这一效率的提高有利于未来的可持续发展。一项新的研究显示出了多孔性物质如何成为热电材料——即指出了如何在未来使用这种材料制作热电装置。这是不同的多孔层(梯度多孔材料)组成的层叠结构示意图。每一层包含一组间接分布、大小相同的孔(这里仅显示一组这样的粒子)。无论是发热的汽车，还是发热的手提电脑，你生活中的每台机器和设备都通过热损失浪费了大量能量。但是能够将热能和电能相互转化的电热装置可能能够利用废热提高绿色技术能源效率。这一效率的提高对于未来的可持续发展是十分必要的。如今，一项新的研究显示出了多孔性物质如何成为热电材料——即指出了如何在未来使用这种材料制作热电装置。希腊雅典国家研究中心(Demokritos)的DimitrisNiarchos说，世界上产生的所有能量中，大约70%以热量的形式消耗。他和在同一研究中心的RolandTarkhanyan将他们的分析成果发布在美国物理联合会(AIP)出版的《APLMaterials》杂志上。为了创造出能够充分利用这种热量的技术，世界各地的研究人员一直在试图创造更有效率的热电材料。一个有发展前景的材料要充满大小约一微米(十的负六次方米)到约一纳米(十的负九次方米)的微孔。Niarchos说：“多空热电技术能显着提高热电效率。所以这可以作为收集废热的一种可行手段”。热量利用声子和震动的量化单位(作为载热粒子)穿过材料。当声子跑进一个孔里时，它会分散、损失能量。因此，声子不能有效地携带热量通过多层材料。这导致该材料的导热系数会比较低。而这一低导热率会提高热电转化效率。材料的孔越多，则导热系数越低，就越适合做热电材料。但是Niarchos说，到目前为止，研究人员还没有系统地模拟出多孔材料是如何保持低导热系数的。所以他和RolandTarkhanyan研究了微纳米多孔材料的四个简单模型结构的导热性能。他还说这一分析为如何设计这种用于热电设备的的材料提供了大致的方向。总的来说，研究人员发现当孔越小、挤得越密时，导热系数就越低。Niarchos说他们的运算结果与其他实验得出的数据非常吻合。他们也表示，微纳米多孔材料基本上比无孔材料的热-电转化率要高出好几倍。第一个模型所描述的材料充满着小孔，孔的直径从微米到纳米，大小不等;第二个模型描述的是一个多层材料。由于材料的每一层的孔与其他层的孔的尺度是不一样的，所以它的孔隙度会比较特殊;第三个模型描述的是一个由三维立方晶格组成的材料，立方晶格的孔大小相同;第四个模型描述的是另外一种多层材料，这一材料的每一层都包含一个立方晶格，立方晶格的孔大小也相同，但每一层的孔大小不同。通过分析，第一个模型和第四个模型比第二个模型的导热系数低。第三个模型似乎是最好的，因为它的导热系数比第四个模型的导热系数还要低。但是Niarchos说，除了第一个模型之外，其余的模型都是不切实际的。因为第二、三、四个模型展现的都是小孔完美组合的一种理想化的状态。现实中，精确地创造出大小完全相同的孔是不可能的。因此，第一个模型是最有可能实现的。不过他还说，所有的模型都展示了多孔性在热电材料中的重要性。在简单的一般的解析公式上建立模型，除了需要对多孔材料的有效晶格导电系数进行快速、精准的计算，还需要对材料进行系统化的分析。各位老师：2015年的校开放性实验申报工作开始了，辛苦大家指导学生积极申报。本次学校立项是10项，但只要项目好，即使学校没有立项分院也会立项。详见校内通知；麻烦5月26日前交材料纸质和电子各一份给我，以便组织院内评审，谢谢。各学院、中心：为了加强实践教学，积极推动研究性教学，切实提高学生的实践创新能力，促进我校实验教学改革，提高实验教学质量和实验室利用率，学校将组织2015年开放实验项目立项申报工作，具体事项通知如下：一、开放实验项目分为：程序设计类、实物制作类、人文创新实践类。二、学生是项目申请人及参与主体，每个项目参加学生人数为3-5人。鼓励跨专业、跨年级的学生参加，同一项目中原则上应有一定比例的低年级学生，以项目负责学生所在学院进行申报。三、经费资助：程序设计类和人文创新实践类600元/项，实物制作类900-1200元/项。四、根据验收结果，指导教师工作量计入基本本科教学业绩点。五、本次立项采取限项申报：（一）根据学生人数、学科类别及近两年项目完成情况，各学院限报数量如下：机电12、计测13、信息12、光电11、质安11、材料10、经管8、理学8、生命8、法学4、人文4、外语4、艺传5、量新3、标准化4、工训6、现科18；（二）原则上每个指导教师指导项目为1项；（三）项目研究周期一般为1年；（四）以前资助过的国家级、省级、校级学生项目不再资助。六、二级学院、中心要统筹规划，将开放实验项目与学生课外科技活动、学科竞赛等相结合，提高开放实验项目成果展示度和后续发展能力，项目验收标准见附件3（较往年有修改）。七、具体安排（一）2015年6月1日前，申请人填写《中国计量学院开放实验项目申请表》（附件1）报各二级学院、中心；（二）2015年6月4日前，各二级学院、中心组织审查，汇总材料，根据限项数量排序，将申请表和汇总表（附件2）(纸质和电子版各一份)交教务处实践教学管理办公室（明德南楼111）；八、联系人：龚云飞，电话：87676138，E-mail：[e-mail]。请二级学院、中心认真做好组织发动工作，积极动员申报开放实验项目，并做好实验室开放工作，提高实验室的综合效益，为培养创新人才提供足够的条件。申请书正文1．项目名称3D有序磁性纳米球组装体孔隙的功能化填充：合成、结构与磁性能2．研究工作的科学意义以纳米尺度大小的物质为结构单元，设计、构筑或营造1D、2D、3D的纳米结构一直是纳米材料科学研究领域的研究热点[1-3]。随着均相纳米结构单元（如零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合设计日趋成熟，异质、异相和不同性质的纳米结构单元的组合、纳米尺度基元的表面修饰、改性获得多功能纳米复合材料（multifunctionalnanocomposite）成为更大的挑战[4-7]。设计合成多功能纳米复合材料，不仅由于因新组分引入带来新的性质，更会因两相之间纳米尺度的固-固界面之间强烈的相互作用产生协同、耦合、偏置等效应而带来新的特性，从而为新的应用开辟了道路[8-13]。1D以及2D的纳米复合结构已有很多报道，而3D有序的纳米复合结构的研究相对较少，这可能是由于3D有序纳米复合结构要同时满足组分上异质、组分分布上均匀、空间排布上有序的条件比较苛刻所致[14-18]。一种经济、简单、可靠的思路是先合成具有3D有序纳米孔洞结构、高活性的第一相材料，然后在其孔洞表面引入、填充第二相，从而获得3D有序多功能纳米复合材料[19-21]。依照上述思路，合理地选择一个体系获得高度有序的、具有孔洞的第一相，然后进一步将其作为主体填充第二相物质至关重要。国内外采用物理及化学方法方法对有序纳米粒子结构进行了研究和探索。化学方法主要思路有：(1)自组装技术，首先合成纳米粒子，在此基础上利用化学键、范德华力、溶剂粘附及毛细凝聚力、憎水和亲水力、静电力、磁力等将纳米粒子组装成有序结构[22-26]；(2)纳米模板技术，利用纳米模板的孔洞，在孔洞中组装纳米粒子，然后消除模板剩下有序结构的纳米粒子组装体；模板可以是有机物或无机物，有机物如共聚物、DNA，无机物如多孔SiO2、阳极Al2O3，多孔碳材料[27-30]。相比于物理方法，化学方法具有低成本、低能耗的优点。而化学方法中，相比于自组装技术，纳米模板技术因其省略了纳米粒子合成这一步优势更加明显。在众多模板中，有序介孔材料(如MCM、SBA、FDU以及KIT等)因其具有均一可调的介孔孔径、规则的孔道及易于消除的骨架结构非常适合于有序纳米结构的合成。在获得高质量3D高度有序多孔的第一相之后，进一步引进第二相成为可能。可以直接对第一相材料表面进行部分地氧化或者还原得到第二相，也可以通过固-固反应在其表面、孔洞获得第二相[31-39]。如果第一相是一类磁性材料，第二相是另一类磁性材料，则该纳米复合磁性材料根据其组成情况，内部将产生软磁/永磁、铁磁/反铁磁、亚铁磁/反铁磁、铁磁/亚铁磁等相互作用。对于纳米复合磁性材料来说，这些作用尤为重要，可有效降低磁性材料的超顺磁临界尺寸、提升矫顽力等，例如：纳米复合永磁材料因有效地提高了磁体的磁能积而成功商品化[40]。通常，在实验上区分前述磁相互作用是比较困难的，一方面是由于纳米磁性颗粒具有无序性(直径、形状以及各向异性等)，另一方面是由体系的复杂性决定的。如果在材料制备中能保持纳米组装体系中纳米颗粒尺寸一致、形状可控、间距可调以及成份均一，则在探讨磁学行为时可以排除结构缺陷带来的不确定性。理论研究表明，磁性纳米复合结构的磁性能强烈依赖于磁体的微结构，如磁体相的分布、晶粒的大小和形状以及结构类型等[41-43]。例如，软磁相和硬磁相之间的交换耦合作用是影响纳米复合永磁体磁性能的最主要因素，两相的晶粒尺寸和微结构对这种耦合作用起着至关重要的作用，只有软、硬磁相的尺寸都在这个临界尺寸以下时，交换耦合才真正起作用。理想的模型条件是晶粒尺寸在10-20nm左右，晶粒形状规则均匀，硬磁相晶粒理想平行取向等等。由此可见，要使纳米复合材料的性能获得进一步提升，合理的结构设计必不可少，而有了合理的结构设计，如何在合成方面实现该结构成为解决问题的关键。如果磁性纳米复合结构中，体系组分在组成、颗粒大小在一定范围内连续可调，那么其磁学行为也必然在一定范围内连续可调。纳米尺度的磁性两相在三维空间内的有序组装，其性能严重依赖于结构参数，连续地调控其结构参数是获得最优特性的关键。本项目将探讨一种3D异质纳米球磁性结构的构筑方案，通过对3D有序纳米球磁性结构表面、孔洞、孔隙的功能化修饰引入磁性纳米第二相。研究磁性纳米复合结构中磁性相与相之间的协同、耦合、偏置等效应。通过连续调控3D有序磁性纳米球的结构参数来连续调控两相的粒径及间距，从而使其磁学性能连续可调，进而探究其磁性能变化规律。通过项目的成功实施，可以获得一类3D异质磁性纳米结构（磁-磁相互作用）的系统的知识，从而进一步扩展该类材料的用途，如吸附、分离、靶向药物、燃料电池、传感器、MRI成像、热疗甚至磁记录等领域。更重要的是，项目的研究方法可以移植到其它类型的材料研究中，比如催化-磁，磁-电、磁-光、电-光等等具有类似3D有序纳米复合结构均有可能用类似的思路去实现。3．本项目研究目标，及其与申请者研究工作长期目标的关系本项目的研究目标是获得一类3D有序纳米球磁性复合结构，揭示磁性相组成、尺寸、间距等结构参数对体系的磁性能的调控作用，阐明其变化规律，总结两相间磁相互作用机制。申请者长期致力于介孔材料、纳米磁性材料、磁学分析与测量领域的研究，取得了一系列研究进展。目前，申请人完成刚刚完成基金项目一项，并已结题。项目名称：3D有序尖晶石结构磁性纳米球组装体的合成、结构与磁性调控。本项目是在前一项目所取得的结果上提出的，已结题项目的部分结果正是本项目研究的起点：1）已结题项目实现了3D有序尖晶石结构磁性纳米球组装体的合成，而本项目提出对3D有序结构磁性纳米球组装体的孔洞、表面进行修饰；2）已结题项目系统地研究了3D有序尖晶石结构磁性纳米球组装体的磁学性能，而本项目将对比新合成的纳米复合材料与老的材料之间的关系。从长期工作目标而言，通过项目的成功实施，可以获得一类3D异质磁性纳米结构的系统知识，扩展该类材料的用途，并且本项目的实验制备方法具有可移植性，为进一步达成多功能材料的研究奠定基础。4．项目研究内容、研究方案和进度