·行业动态·

科学家在热电材料的低热导率研究中取得新进展

近日，中科院合肥物质科学研究院固体所物质计算科学研究室张永胜研究员课题组，在热电材料低热导率研究中取得新进展，相关结果日前发表在国际著名的《物理评论B》上。

热电材料可以实现热能和电能之间的相互转化，其转换效率可以用无量纲的ZT值来衡量，ZT值越大，热电转换效率越高。目前报道的热电材料转换效率较低，寻找具有较低热导率的材料是提高热电材料转换效率的一个重要方法。由于矿石材料具有很低的热导率，并且价格低廉而受到科研人员广泛关注，其中两种同构同型的矿石材料CuBiS2和CuSbS2的实验测量热导率值差别很大，室温下CuBiS2的热导率仅为CuSbS2的1/3，因此探索影响材料低热导率的物理机制对设计和寻找新材料具有重要意义。

为此，张永胜研究员课题组的科研人员采用密度泛函理论方法，研究了CuBiS2相对于CuSbS2具有较低热导率的物理机制。研究表明，CuBiS2和CuSbS2中的Bi和Sb原子都含有孤对电子，而孤对电子会导致材料有较强的非简谐性，进而两种材料都有较低的热导率。这种孤对电子和原子振动的协同作用导致CuBiS2相对于CuSbS2具有更低的热导率。相关研究表明，孤对电子和原子振动的协同效应对声子非简谐性有着重要影响。该研究成果为寻求和设计具有超低热导率和高效率的新型热电材料提供崭新的思路。

美学者运用“白色石墨烯”夹层，大幅提升陶瓷材料的延展性和强度

作为应用材料，陶瓷的主要缺点便是在高压力或高应变情况下容易破碎，但莱斯大学（Rice University）的一项研究正好克服了这个限制，提高了延展性和韧性的同时也提高了强度性能。这项研究已经发布在美国化学学会出版的《应用材料和接口》（ACS Applied Materials and Interfaces）期刊。

研究作者、莱斯大学民用与环境工程助理教授Rouzbeh Shahsavari指出，在两层硅酸钙间加入超薄的六角形氮化硼（hexagonal boron nitride，hBN）将会形成一个有趣的双层晶体，具有多功能的特殊性质，能够制成一种坚固耐用而且耐热、耐辐射的陶瓷材料。

根据计算，插入二维hBN层的硅酸钙将会非常坚固，甚至能当作电厂等核应用的屏蔽体使用，除了适用核工业，这种材料也能用在建筑、原油、天然气、航空航天和其它需要耐火材料或高性能复合材料的领域。

由于二维 hBN的外型是六边形互相连结形成一个超薄平面，看上去与石墨烯非常像，因此又称为“白色石墨烯”；但与石墨烯不同的是，hBN主要组成并非碳原子，而是由硼和氮交替组成。

传统上用于加强的填充物（fillers）与主体材料经常是呈现松散连接，但放置在双层硅酸钙间的 hBN则成为了整体系统的一部分，研究者认为，这项研究显示了在最小限度的调整下为陶瓷材料加固的可能性。

团队用于研究的陶瓷形式主要为“雪硅钙石”（tobermorite），为了了解与原有材料的差异，团队在研究中也对水平堆叠的雪硅钙石与插入hBN的模型进行了实际测试，结果显示复合材料比起原有的雪硅钙石强度高出3倍、硬度高出25%。

当材料被压缩时，一般水平堆叠的雪硅钙石展现出约10GPa的降伏强度（yield strength），降伏应力（yield strain）为7%，而复合材料则显示出25GPa的降伏强度，以及20%的降伏应力。

研究者表示，与纤维、纳米碳管（CNT）等常见一维填充物相比，hBN这样的二维材料是双面的，因此每单位质量的表面积也是两倍，“对于附着到周遭基质和加固效果来说非常完美。”

研究者认为，对于那些高性能陶瓷和其他多功能复合材料由下而上的设计，其它二维材料如二硫化钼（molybdenum disulfide）、二硒化铌（niobium diselenide）和层状双氢氧化合物（LDH）也可能可以适用。

航空航天用金属玻璃材料问世

德国萨尔州大学研究人员开发出一种新的非晶态金属钛硫合金，这种合金也称为金属玻璃，其性能与常规钛合金完全不同，特别适合用作航空航天的轻质部件。这一成果获得大学知识与技术转化中心颁发的发明人奖。

材料研究类似于数以千计的拼图游戏，如果没有找到合适的开始部分，要想获得完整的图片就非常困难。萨尔州大学3名博士研究生亚历山大·库巴、贝内迪克·博希特勒和奥利弗·格罗斯在导师拉尔夫·布希教授的指导下，经过多年实验，终于研制出一种强度非常高而又非常轻的合金。

与目前的无定形金属材料相比，该合金具有许多优点：原料来源丰富，主要由钛和硫组成，与其它基于锆、钯或铂非晶态金属不同，钛相对廉价，而且钛硫合金不会像通常使用的铍磷合金那样有高毒性。

以往没有人尝试用硫磺来做合金，本研究率先选择了硫作为不同金属的混合物。博希特勒介绍说，他们首先发现了一种具有良好性能的含钯和镍的硫合金，然后又拿质量更轻、更便宜的钛做试验。经过约250次实验，3人终于找到了钛、硫和其他元素相互结合的最佳配比。寻找配方的过程非常复杂，一种元素用量1%的差异，对于一种合金是否具有所需特性起决定性作用。在相同重量下，新开发出的钛硫合金强度大约是普通相同密度的钛基金属的两倍。因此，它是生产更轻，更小部件的理想材料。

这种所谓金属玻璃的生产工艺也相当关键，因为材料熔体要在1100℃以上的高温下被急速冷却，这样不会形成规则晶格的合金。熔体在不到一秒钟内冷却，凝固的熔体呈现无序原子结构，这种结构状态也被视为玻璃。混乱无序的结构使得金属玻璃的性能与传统的相同原材料合金相当不同，像钢一样坚固，但同时像塑料一样具有弹性。

二维材料力学性能首次测出

目前已知的材料特性都是基于材料的三维结构，而最薄的材料只有一个原子厚度，其二维力学性能完全不同于三维材料特性。为了获取和处理二维材料，迄今为止都是以三维材料薄膜形式替代。德国萨尔州大学物理学家乌韦·哈特曼和莱布尼茨新材料研究所的研究人员合作，通过扫描隧道显微镜测量石墨烯，首次能够表征原子级薄膜材料的二维力学性能。相关结果刊登在专业杂志《纳米尺度》上。

近年来，二维材料备受关注。2010年，安德烈·吉姆和康斯坦丁·诺沃索洛夫因研究二维纯碳材料石墨烯而获得诺贝尔物理学奖，由此开启了诸如硅、锗等元素的二维材料制造和材料特性表征。哈特曼表示，一些二维材料的电子特性相当惊奇，如材料内的电子移动遵循相对论原理，而传统三维材料基本不是这样，在制造电子元件方面，这是一个有趣的优势。另外，二维材料的力学性能也是独一无二的，相对其厚度，显示出的力学稳定性比三维材料大得多。2013年，欧盟投入10亿欧元研究经费，将石墨烯列为旗舰项目，以进一步挖掘二维材料的潜力。

然而到目前为止，关于这些新材料力学性质的许多信息都来自模拟计算。哈特曼说：“二维材料一直只能作为三维材料表面上的薄膜来看待，而整个系统的性质不可避免地还是由三维材料来决定。”不过，在最新研究中，他们首次直接测量出了原子级薄碳改性二维材料的力学性能。“这使得模拟计算的数据可以直接与实验结果进行比较。此外，膜的晶格的各种缺陷对其力学性能的影响也将能够测量。”

哈特曼表示，二维材料可以给许多领域带来创新，从传感器、处理器到过滤技术和燃料电池等。

上海交大团队成功实现常温下石墨烯催化C-C键断裂

近日，上海交通大学化学化工学院赵亚平教授科研团队首次报道石墨烯的催化活性，在常温条件下，石墨烯可催化硝酸银与乙醇反应生成氰化银，成功实现乙醇C-C键的断裂，该研究成果为石墨烯催化以及温和条件下实现C-C键断裂、合成新材料提供了重要的科学启示。相关研究成果在线发表于2017年12月29日的国际著名学术期刊《自然》（Nature）的子刊《科学报告》（Scientific Reports）上。

碳-碳键断裂和碳-氮键的形成在化学合成领域具有重要理论意义和实际使用价值。这类反应通常会涉及高温和多个化学合成步骤。该研究团队采用超临界二氧化碳技术制备的高质量无缺陷石墨烯，在室温条件下，将石墨烯乙醇分散液与硝酸银经过简单搅拌混合后，实现了乙醇碳-碳键的断裂和硝酸银中的氮-氧键断裂，并同时形成AgCN，研究团队结合系列分析表征实验结果，提出了该反应机理。

高质量石墨烯的规模化生产和应用是当今研究的热点之一，赵亚平教授研究团队致力于无缺陷石墨烯的制备和应用研究，建立了规模化生产高质量石墨烯技术，在石墨烯基柔性超级电容器、柔性透明电极、热管理材料、防腐涂层等方面已取得系列研究成果。

南开大学参与新材料和可穿戴传感器研发制造

日前，《科学》杂志刊文介绍了一种名为“Twistron”的神奇“纱线”，只要拉伸或扭转就能实现自发电。这一新材料有望在物联网传感器、可穿戴医疗设备、海水发电等领域广泛应用，并帮助人类减少对化石能源的依赖。

美国得克萨斯大学达拉斯校区、韩国汉阳大学、中国南开大学等机构的研究人员合作研发了该材料。美国德克萨斯大学达拉斯分校纳米科技研究所教授雷·鲍曼（Ray Baughman）为论文通讯作者。作为国际研究团队成员，南开大学药物化学生物学国家重点实验室教授刘遵峰，参与了新材料的研发以及Twistron“纱线”可穿戴传感器的研制工作。

“Twistron”本质上是一种不需要外加电源的电容器。研究人员利用只有人类头发丝万分之一粗细的碳纳米管制成了这种纱线。发电前，需要将这种纱线在盐水等电解质溶液中浸泡，使电解质中的离子附着到碳纳米管表面。当纱线被拧紧或拉伸时，碳纳米管之间的距离变小，离子聚集到一起密度变大，就会将拧紧或拉伸过程中的机械能转化为电能。

为了提高纱线的弹性，研究人员不断提高纱线的捻度，从而使得纱线呈类似弹簧的螺旋结构。实验证明，每千克纱线可产生250瓦的峰值电能，比其他将机械能转换为电能的技术高出100倍以上。测试中，一根重量小于家蝇的Twistron纱线，每次被拉伸后，产生的电能可以点亮一个小型LED。

科学家们十分看好Twistron的应用前景，认为其适合为物联网中成千上万的传感器提供方便电能。同时，它还可用于制造电子纺织品或可穿戴医疗设备。研究人员还利用这种纱线采集海浪运动产生的能量，设想将生产成本降低后，可利用这种纱线制成巨大的能量收集装置。研究人员表示，由于这种纱线具有可扩展性，它们可在任何有可靠动能的地方使用。

2015年，刘遵峰教授与雷·鲍曼教授曾在《科学》杂志上报道了使用同种细纱材料制成的弹性导线，用以制作监测人体健康和运动的可穿戴设备。刘遵峰为论文第一作者。

据了解，雷·鲍曼院士现为南开大学“杨石先讲座教授”。中国参加该研究工作的单位还有江南石墨烯研究院外籍院士工作站。