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2020年度中国10大新质料新技术盘货,北京4所高校上榜

本文摘要:南科大首次准确测定单层非晶碳质料的原子结构 2020年1月,南方科技大学物理系林君浩副教授课题组,范德堡大学物理系Pantelides教授课题组与新加坡国立大学物理系ÖZYILMAZ教授课题组互助在非晶态质料中取得关键性突破,乐成在低维极限下合成出单层非晶碳质料,并首次在原子尺度下准确测定了该单层非晶碳质料的原子结构,在实空间下盘算出其长程无序性的径向漫衍函数。

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南科大首次准确测定单层非晶碳质料的原子结构 2020年1月,南方科技大学物理系林君浩副教授课题组,范德堡大学物理系Pantelides教授课题组与新加坡国立大学物理系ÖZYILMAZ教授课题组互助在非晶态质料中取得关键性突破,乐成在低维极限下合成出单层非晶碳质料,并首次在原子尺度下准确测定了该单层非晶碳质料的原子结构,在实空间下盘算出其长程无序性的径向漫衍函数。事情统计效果讲明,该单层非晶碳薄膜没有任何长程周期性,其径向漫衍函数很是靠近传统的三维非晶碳质料,进一步验证了单层非晶结构的无序特性。

同时,通过更深入的分析,此次事情颠覆了人们对于单层非晶碳质料不能单独稳定存在的认知。(a)单层非晶碳质料在色差校正效果下的HRTEM图片以及相应的傅立叶转换图片,展示出非晶质料独占的弥散衍射环。(b) 对应于a图中红色选框区域的原子mapping 的伪彩处置惩罚图片。

五元环(红色),七/八元环(蓝色)和扭曲的六元环(紫色/绿色)。微晶(绿色)由扭曲的六元环组成,并被大量非六圆环区域分开。晶粒被界说为至少由被六个六元环围绕的六角形组成。

(c) 凭据b图建设的理论模型。(a)图1b中红色选区的键长键角丈量图,证明微晶粒中存在庞大的应变。(b)在实空间统计数据下,石墨烯和单层非晶碳的键长径向漫衍函数。(c)石墨烯和单层非晶碳中第一个相邻原子的键长漫衍的统计图。

(d)石墨烯和单层非晶碳之间的键角漫衍的统计直方图。西安交大铁电质料领域再获突破,挑战传统认识 2020年1月,西安交大研究团队与美国宾夕法尼亚州立大学、澳大利亚伍伦贡大学、哈尔滨工业大学等单元互助,使用交变电场来极化PMN-PT铁电晶体,从而完全消除了对光有散射作用的铁电畴壁,从而获得了兼具高压电系数(>2100 pC/N)、高电光系数(220 pm/V)和理论极限透光率的铁电晶体质料。

铁电质料是一种能够实现电-声信号转换的智能质料,广泛应用于超声、水声、电子、自控、机械等诸多领域。然而,由于铁电体存在大量的畴壁和晶界,传统的高性能压电质料,如Pb(Zr,Ti)O3(PZT)陶瓷和工程畴结构的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)单晶质料,通常在可见光波段是不透明的。这项研究事情所获得的透明压电晶体将有效地推动声-光-电多功效耦合器件的设计与开发,例如透明触觉传感器、具有能量收集功效的透明压电触摸屏、用于光声成像的高性能透明超声换能器等。

(a)本事情所获得的透明高性能压电单晶质料照片(b)单晶透光率实验数据 金属所首次在块体非晶态质料中实现加工硬化 2020年2月,金属研究所沈阳质料科学国家研究中心质料动力学研究部李毅研究员(通讯作者),潘杰副研究员(第一作者)和博士生周维华与英国剑桥大学质料系 A.L. Greer教授(通讯作者)、Y. P. Ivanov博士互助,首次在块体非晶态质料中实现加工硬化,颠覆了人们对非晶态质料形变软化行为的固有认识,为开发具有匀称塑性变形能力的非晶合金及其工业应用提供了新思路和偏向。此次研究效果讲明,块体非晶合金的加工硬化却是陪同着质料缺陷的湮灭和淘汰(更驰豫状态),是一个由高能态向低能态的转变历程。这与晶体质料的传统加工硬化历程完全相反,讲明非晶合金具有完全差别的加工硬化机制。此研究不仅是八十五年来对质料加工硬化机理的重新认识,也为非晶态质料作为结构质料的应用奠基坚实的理论基础。

(a) 使用三维压应力的方法使块体非晶合金发生大规模、高水平的回春,获得高能态的块体非晶合金;(b) 回春态块体非晶合金在单轴压缩时的加载-卸载-再加载曲线和真实应力-应变曲线 北航质料学院攻克国际性难题 单层二维质料研究取得希望 2020年3月,《Nature》杂志在线以全文Article的形式揭晓了北京航空航天大学质料科学与工程学院杨树斌教授课题组在单层二维质料研究方面取得的最新希望。《Conversion of non-van der Waals solids to 2D transition-metal chalcogenides》发现并提出一种合成单层二维质料的新方法──拓扑转化法,通过转化非范德华固体(过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物(MAX相)等)直接大量制备出具有超稳定和超高单层率的单原子层二维过渡金属硫族化物,攻克了单层二维质料难以制备和不稳定的国际性难题。

专家评述,这种方法可以直接将非范德华固体质料转变为单层TMCs,极具普适性,且操作轻便,成本低廉,很是适合工业生产,将二维质料的应用极大地推向了市场商业化。(a):转化非范德华固体(MAX相)合成超高单层率和高温稳定的二维过渡金属硫族化物的机理图。

(b):MAX相中A相与含硫族元素的气体或蒸气形成的中间物的饱和蒸汽压-温度曲线。北理工突破传统认知,发现剪切促进晶体生长!2020年3月,北京理工大学化学与化工学院孙建科教授以《Enhancing crystal growth using polyelectrolyte solutions and shear flow》为题,将其“剪切促进晶体生长”研究结果揭晓于《Nature》杂志上(Nature 2020, 579, 73-79)。孙建科为该论文的配合第一作者,化学与化工学院为配合互助单元,排名第三。

此研究是与韩国基础科学研究院Bartosz Grzybowski 教授互助完成。制备高质量且粒径尺寸合适的单晶在有机合成以及制药等相关行业至关重要。孙建科教授的该项研究突破了人们对传统晶体生长机理的认知,他发现在聚离子液体(Poly(ionic liquid),PIL,一类聚电解质质料)存在的情况中,不停的搅拌会让晶体生长的更快、更大。

该事情打破了人们对传统结晶理论的认识,提出了使用剪切驱动的关闭系统恒温结晶方法,为简朴、高效合成高质量的单晶提供了新思路。该方法是对当前晶体生长技术的一个重要增补,有望大大降低质料加工和制药业中晶体生长成本。

在聚离子液体存在下剪切应力促进均苯三甲酸晶体的生长 科学家首次乐成制备新型半导体异质结质料 2020年5月,上海科技大学物质科学与技术学院教授于奕课题组与美国普渡大学研究团队互助,在新型半导体异质结研究中取得重要希望,首次乐成制备并表征了二维卤化物钙钛矿横向外延异质结。卤化物钙钛矿质料作为一类近年来引起广泛关注的新兴半导体,在太阳能电池、发光二极管、激光等领域展示出庞大的应用前景,于奕课题组与互助团队在两个前沿难题的解决上取得了突破。

这一突破提供了界面原子结构、缺陷构型以及晶格应变等准确信息,为这类新型半导体异质结的微观结构设计提供了直观的指导。在这些研究发现的基础上,研究团队进一步互助,展示了新型异质结原型器件中的整流效应,验证了这类新型半导体走向应用的前景。港大黄明欣等创强韧性组合世界纪录的超级钢 2020年5月,由香港大学机械工程系黄明欣教授和美国劳伦斯伯克利国家实验室的Robert O. Ritchie教授互助向导的科研团队,乐成突破超高强钢的屈服强度-韧性组合极限,获得同时具备极高屈服强度(~2 GPa),极佳韧性(102 MPa·m½),良好延展性(19%的均勻延伸率)的低成本变形分配钢(D&P钢)。

生长超高强度同时兼备优良韧性的结构质料,一直是质料科学家及工程师已往几十年间希望解决的世界级科学难题。对比现有航空航天用马氏体时效钢,此次的高强高韧D&P钢以低于其5分之1的原质料成本,实现了强度与韧性的同时提升。

除了力学性能上的庞大跃升,该团队开创性地提出高屈服强度诱发晶界分层开裂增韧新机制,获得超高强钢铁质料断裂韧性的大幅提升;打破了传统认为的提高强度会降低质料断裂韧性的知识。(A)三维图解模型形貌了样品加载偏向与D&P钢组织结构的关系。(B)工程应力应变曲线。

(C)J-积分阻力曲线。展示了D&P钢同時具有极高的屈服强度、韧性和匀称延伸率。D&P钢与其它结构质料的 (A) 屈服强度-断裂韧性及 (B) 屈服强度-匀称延伸率的对比。(A)此次D&P钢的三维立体组织结构。

(B)原奥氏体晶粒界限(PAGBs)在D&P钢中的漫衍。(C)三维原子探针证明晰Mn元素在原奥氏体晶界处富集。

(D)三维示意图展示了D&P钢的奇特片层状结构。(A) D&P钢分层开裂增韧三维示意图,展示分层裂纹沿着垂直主裂纹的面发生。

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(B)D&P钢的断口形貌,视察到分层裂纹沿着垂直主裂纹的面发生。(C)分层裂纹沿着原奥氏体晶界(PAGBs)扩展。(D)D&P钢的TRIP 韧化机理。北京大学实现30余种高指数晶面、A4纸尺寸单晶铜箔库制造突破 2020年5月,北京大学物理学院刘开辉研究员、王恩哥院士与南方科技大学俞大鹏院士、韩国蔚山科学技术院丁峰教授等互助在高指数单晶铜箔制造偏向上取得重要希望。

研究团队缔造性提出晶体表界面调控的“变异和遗传”生长机制,在国际上首次实现种类最全、尺寸最大的高指数晶面单晶铜箔库的制造。近年来随着二维质料研究的兴起,铜被广泛应用于二维单晶质料的外延制备。

制备大尺寸、多种指数晶面的单晶铜箔是工业界、科研界亟待解决的科学和技术问题。本事情中,研究团队生长一种全新退火技术,实现了对铜箔再结晶历程中热力学和动力学的控制。

研究结果首次实现了世界上最大尺寸、晶面指数最全的单晶铜箔库的可控制备,在单晶金属研究、二维质料生长、表界面催化、低损耗电学传输、高频电路板、高散热器件等领域具有开拓性意义。差别指数晶面、A4纸尺寸单晶铜箔的控制制备 超疏水质料披“铠甲”,疏水耐磨可兼得 2020年6月,《自然》杂志封面揭晓了电子科技大学基础与前沿研究院邓旭教授团队最新科研结果,该篇名为《设计结实的超疏水外貌》的论文提出,通过为超疏水外貌“穿上”具有优良机械稳定性微结构“铠甲”的方式,解决了超疏水外貌机械稳定性不足的关键问题。具作者先容,凭据已有科学研究,人们认为质料外貌的机械稳定性和超疏水性是相互排挤的两个特性。

这就意味着超疏水性和机械稳定性在提高一种性能时一定导致另一种性能下降。在实验历程中,该团队通过联合浸润性理论和机械力学原理分析得出微结构设计原则,同时使用光刻、冷/热压等微细加工技术将铠甲结构制备于硅片、陶瓷、金属、玻璃等普适性基材外貌,与超疏水纳米质料复合构建出具有优良机械稳定性的铠甲化超疏水外貌。该论文展示了铠甲化超疏外貌特殊的应用潜力,必将进一步推动超疏水外貌进入广泛的实际应用。现在研究人员已经将这种新型超疏水质料外貌应用于太阳能电池盖板。

铠甲微结构尺寸越小,超疏水性对断裂性磨损越敏感 清华科研超长碳纳米管,具有超耐疲劳性能 2020年8月,清华大学化工系魏飞教授和张如范副教授团队首次以实验形式测试了厘米级长度单根超长碳纳米管的耐疲劳性。超强超韧和超耐疲劳性能的质料在航空航天、军事装备、防弹衣、大型桥梁、运动器材、人造肌肉等众多领域都面临庞大的需求。为开展单根厘米级长度碳纳米管的疲劳力学行为测试,研究团队设计搭建了一个非接触式声学共振测试系统(non-contact acoustic-resonance-test,ART)。

与基于电子显微镜的纳米质料测试系统相比,ART系统具有多方面优势,该系统不仅制止了电子束导致的样品损伤,也使得厘米长度的一维纳米质料的疲劳测试成为可能,同时还解决了小尺寸样品夹持以及高周次循环载荷的施加问题。这项事情展现了超长碳纳米管用于制造超强超耐疲劳纤维的灼烁前景,同时为碳纳米管各领域相关应用的寿命等设计提供了参考依据。

超长碳纳米管的结构和疲劳测试方案。


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