中国科学技术大学的于树红院士长期从事无机材料的仿生合成和功能化研究。该研究小组在仿生材料方面取得了许多进展,包括开发了一系列无机纳米材料的仿生合成,自组装技术和模拟生物矿化方法,并在这些技术方法的基础上成功地合成了各种神奇的轻质材料。在宏观上。高强度的新材料,例如人造珍珠母贝,它与天然珍珠母贝非常相似,是一种新的轻质,耐热且隔热的碳材料,灵感来自北极熊头发的空心结构,防火,隔热,耐腐蚀的仿生高分子木材等
近年来,在面向应用的关键纳米结构单元的宏观制造,宏观规模的纳米组件的制造和功能化,新纳米材料的合成设计以及能量转换材料的研究方面取得了重要进展。他在2010年和2016年,firstGraduate两次获得第二届全国科技奖,并当选为中国科学院学术在2019年。
于书宏院士认为,“从事科学研究的年轻人应该有很高的野心,坐在冷漠的长凳上,集中精力一个方向,坚持从“ 0”到“ 1”的原创工作,他们必须培养自己的勇气。面对困难。解决问题的能力而不是移开“帽子”和“罚单”,其次,与其他领域的同事和研究人员积极合作,而不是自信愿意交流和合作进行科学研究通常会导致“ 1 +“ 1高”的效果为2’。”
中国科学院院士于淑红
以下编辑简要地从以下四个部分总结了于书洪2020年学者的重要研究成果,供大家共享和学习。
第1部分:生物质/仿生材料的生??产和功能化
第2部分。功能性无机纳米材料
第三部分:纳米材料在生物医学中的应用
第4部分。在微纳米尺度上的热质传递
生物质/仿生材料的加工和功能化
1.?Adv.Mater。:新兴的仿生合成木
木材具有独特,精确的微观结构和出色的性能(例如低密度,高强度,高韧性,可再生和可回收利用),并激发了研究人员创造出各种木材状材料的灵感。来自中国科学技术大学的于树红学者的团队系统地解释了仿生合成木的概念,并就其机理,调控和应用进行了深入的讨论和观点。为了重现木材的微观结构并获得令人满意的机械性能,孔道和孔壁是具有刚性链段的高度化学交联的聚合物网络,在决定合成木材的机械性能和其他物理性能方面起着重要作用。当前,聚合物基体材料的选择非常有限。迫切需要开发更好的方法来有效地将聚合物与孔结构结合起来。另外,需要开发具有刚性链段的可生物降解或可回收的聚合物。
合成木材的生产过程缓慢,基于生物材料或回收的技术聚合物的合成木材可能会在未来大放异彩,并成为新型仿生高性能材料的一大家族。
参考文献:
新兴生物启发人工木材。高级材料.2020,3,2001086。
DOI:10.1002 / adma.202001086
原始链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001086
2. Natl.Sci.Rev .:超强,阻燃,大型智能合成木材木材是天然的纳米复合材料,并且高度定向的纳米纤维嵌入木质素基质中,使木材颗粒成为设计微/纳米结构的理想原材料然而,由自然资源制成的可持续建筑材料在机械方面仍与实际应用仍有很大差距。于树红的团队使用稳定高效的微/纳米结构设计方法将天然木材颗粒再生为各向同性木材并形成可持续的高性能。这种自下而上的过程打破了天然木材各向异性和机械性能不一致的界限,并使再生的各向同性木材(RGIwood)可与工程塑料媲美。RGI木材的极限抗压强度高达300 MPa,在布雷克之前没有屈服的证据RGI木材的致密结构显着提高了阻燃性。在35 kW / m2的热流下,RGI木材的着火时间为120 s。
参考文献:
再生各向同性木材。国家科学评论,2020年。DOI:10.1093 / NSR / NWAA230
原始链接:
https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa230/5909038
3. Sci.Adv .:轻质,高强度的仿生纳米纤维素结构材料
航空航天和其他高科技领域继续对改善工程建筑材料的性能提出了新的要求,并且开发了完全超越常规建筑材料(例如工程塑料,陶瓷和金属材料)的新型轻质和高强度材料在相关领域具有重要的实际应用策略。于书洪教授的团队成功开发出一类天然的纳米纤维素高性能结构材料(CNFP)。CNFP具有优良的综合性能,其密度仅为钢的六分之一,是铝合金的一半,其比强度和韧性超过了常规合金材料,陶瓷和工程塑料。CNFP还具有极高的尺寸稳定性和抗热震性。在-120°C至150°C的温度范围内,W热膨胀系数极低,即使温度变化100°C,其幅值变化也在五分之一以内,这比航空航天合金材料和工程学要好得多塑料。
参考文献:
由散装材料制成的轻质,坚固和可持续的纤维素,这些材料来自低膨胀系数的纤维。Sci.Adv。?2020,6(18),aaz1114。
DOI:10.1126 / sciadv.aaz1114
原始链接:
https://advances.sciencemag.org/content/6/18/eaaz1114
4. Adv.Mater .:超弹性和无疲劳的碳纳米纤维气凝胶,可承受温度变化
具有超弹性和抗疲劳性的轻质可压缩材料,尤其是能够在宽温度范围内使用的材料,是航空航天,机械阻尼,能量阻尼和软机器人技术的理想材料。于学院的研究团队舒宏和梁海威教授的研究小组报告了一种通过化学热解控制将结构生物材料(BC或细菌纤维素)热转化为石墨碳纳米纤维气凝胶(CNFA)的方法。CNFAs从宏观到微观完美地继承了细菌纤维素的层次结构,并具有显着的热机械性能。特别是经过2×10 6个压缩循环后,它可以保持超弹性而不会发生塑性变形,并且在至少-100?500°C的宽温度范围内,即使温度变化也不会表现出优异的超弹性和抗疲劳性。
参考文献:
温度不变的超弹性和抗疲劳碳纳米纤维气凝胶。高级顾问?2020年?32,1904331。
DOI:10.1002 / adma.201904331
原始链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.2019043315。Natl.Sci.Rev .:新型的仿生增强和硬化纳米复合纤维材料基于纤维素的大纤维材料的强度和韧性之间的矛盾尚未得到解决。高强度常常以牺牲它们为代价。断裂伸长率和韧性得以实现。韧性差和脆性断裂等问题严重限制了这种材料在高级织物和其他领域的实际应用。于书洪教授的团队从天然生物纤维的策略中汲取了经验,并成功地从宏观上成功开发了一种强韧的纳米复合纤维素基纤维材料。螺旋缠绕结构的多级设计产生了一种宏观合成纤维材料,其性能类似于生物纤维结构,其拉伸强度进一步提高了25%,断裂伸长率和韧性同时提高了近50%最终伸长率,强度,断裂伸长率和韧性分别可以达到535 MPa,16%和45 MJJ-3。
参考文献:
基于细菌纤维素纤维的生物启发性的环状螺旋纳米复合细纤维纤维.Natl.Sci.Rev.2020.7(1),73-83。
DOI:10.1093 / NSR / NWZ077
原始链接:
https://academic.oup.com/nsr/article/7/1/73/5521924
6.?CellRep.Phys.Sci .:仿生多孔光热材料有助于海水淡化太阳界面处的光热蒸发是一种实用且可持续的技术,可用于海水淡化和废水处理。但是,在实际应用中,通常受到蒸发效率和长期稳定性的限制。于书洪教授的团队演示了一种具有不对称润湿性的仿生蒸发器和两个毛细管结构,可在少量热量的情况下高效,稳定地收集淡水。光热材料的上下表面的润湿性就像荷叶一样,超疏水的顶部可以阻止水的传输,有效地将盐截留在水中并实现对阳光的有效吸收。超亲水的下端可以输送水快速运输三维大孔支架包含与the结构相似的平行中孔,有效降低了材料的密度,使材料漂浮在水面上,并进行了热传导仿生结构的设计使得水汽化的焓低至1846 Jg-1,与其他具有相同转化效率的光热材料相比,汽化率更高。
参考文献:
具有Janus润湿性和双峰孔的Lotus启发式蒸发器,用于SolarSteamGeneration.CellRep.Phys.Sci.?2020,1.100074。
DOI:10.1016 / j.xcrp.2020.100074
原始链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386420300692
7.物质:一种超强,超硬,透明和可持续的纳米复合薄膜,可以代替塑料
为了更好地预防和控制塑料污染,迫切需要开发新一代的可持续性替代塑料材料。基于微生物发酵过程,中国科学技术大学的于树红教授团队成功开发了超强,超硬和透明,高性能,可持续的壳状复合膜。该膜基于可持续的生物材料,并通过气溶胶辅助生物合成方法生产。它具有优异的高强度和韧性,强度和模量可以达到482MPa和15 GPa。作为一种生物基可持续材料,仿生膜还具有出色的热稳定性,热膨胀系数仅为3 ppmK-1,即每次温度变化100°C时,尺寸均等变化仅千分之一。相对于在高温下易于软化和变形的塑料薄膜而言,这种现成的塑料薄膜只有十分之几,该薄膜在250°C的温度下可以保持稳定的结构和性能,并且比塑料薄膜具有更好的使用寿命在极端的环境中
参考文献:
超强,超韧,透明和可持续的塑料复合纳米薄膜,问题,2020,3(4),1308-1317。
DOI:10.1016 / j.matt.2020.07.014
原始链接:
https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30372-6
功能性无机纳米材料
8.Nat.Nanotechnol .:半导体纳米棒的区域选择性磁化一维半导体的区域选择性磁化可在室温下实现各向异性磁化并控制自旋极化。为了实现定向的磁光功能,必须在母纳米棒的特定位置实现磁性单元的生长。对于晶格失配较大的材料,这一挑战尚未解决。在此基础上,中国科学技术大学的俞书宏,中国科学院国家纳米科学中心的唐志勇,多伦多大学的爱德华·萨金特等人讨论了不依赖纳米棒的区域选择性磁化晶格失配,并且通过缓冲催化界面来改变界面。促进并促进不相容材料的区域选择性生长。使用此策略,您可以将具有不同晶格,化学成分和磁性(Fe3O4)的材料与一系列吸收特定位置的紫外和可见光谱的半导体纳米棒结合在一起。所得的异质纳米棒显示出在特定位置感应出由磁场产生的光学活性。
参考文献:
导电纳米棒中的区域选择性磁化。纳米技术国家专利2020,15 ,?192-197。
DOI:10.1038 / s41565-019-0606-8
原始链接:
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0606-8#citeas
9.?Nat.Commun。:?单晶硫化物纳米带,可有效转换太阳能开发新的半导体纳米材料以捕获太阳能并实现有效的光化学转化是解决当前全球能源和环境危机的理想方法之一。于书洪教授的团队开发了一种胶体化学合成方法,并成功创建了季铵盐?硫化物单晶纳米带光催化剂。这种单晶纳米带具有优异的光催化制氢性能。研究人员开发了一种简单的胶体化学合成方法,并成功地制作了仅暴露(0001)个晶面的Cu-Zn-In-S单晶纳米带。同时,合适的该方法也适用于Cu-Zn-Ga-S纳米带的合成。制得的纳米带光催化剂表现出优异的组成依赖性光催化性能。不使用助催化剂,Cu-Zn-In-S和Cu-Zn-Ga-S的产氢率分别达到3.35和3.75 mmolh-1 g-1,分别。
参考文献:
用于将太阳能转化为氢的单晶季铵盐阳极。国家自然科学,2020,11,5194。
DOI:10.1038 / s41467-020-18679-z
原始链接:
https://academic.oup.com/nsr/article/7/1/73/5521924
10. Nat.Commun .:在碱性电解液中用于高效HOR的双金属-镍-钼/钨-纳米合金催化剂-“合金效应”
在碱性燃料电池中,氢氧化反应(HOR)的慢动力学受到限制,这大大限制了此类电池的效率。有鉴于此,中国科学技术大学的高敏瑞,学者于树宏等人证明,四方Ni-Mo合金(MoNi4)可以有效地催化碱性溶液中的HOR。该催化剂具有异常高的表观交换电流密度(3.41 mA / cm2),是Pt / C催化剂的1.4倍,并且Ni-Mo合金具有稳定的催化活性。实验表明,Ni-Mo合金具有出色的抗CO中毒能力。这项工作还发现了四方镍-钨合金(WNi4),它也显示出显着的HOR活性。作者将此现象归因于合金效应,该效应改善了氢在Ni上的吸附和对Mo(W)上羟基的吸附的优化,从而可以协同促进Volmer步骤。
参考文献:
双金属镍钼/钨纳米合金,用于碱性电解液中的高效氢氧化催化。Nat.Commun。2020,11,4789。
DOI:10.1038 / s41467-020-18585-4
原始链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18585-410.JACS:限制中间产品以保护铜的氧化态并实现将CO2选择性还原为C2 +产品-“富集效应”有效地将二氧化碳减少为优质化工原料,是储存高能量密度清洁能源的有效途径。迄今为止,有效地将CO2还原为氧化物和C2 +产物的最大障碍是难以克服的难题,俞书洪院士团队通过合成具有一个纳米腔的氧化铜纳米催化剂来实现将CO2选择性还原为C2 +产物的困难。具有多个纳米腔的氧化铜催化剂可以有效地将CO2转化为C2 +产品,其法拉第效率为75.2%,C2 +产品的偏置电流为267 mAcm-2,C2 +产品与C1产品的比率为7,2:1.原位拉曼实验和X射线吸收光谱表明,具有腔状纳米结构的Cu +在CO2电还原反应中稳定地保持+1价,从而实现了较高的C2 +-产物选择性。
参考文献:
通过中间限制保护铜的氧化状态,以选择性地将CO2电解还原为C2 +燃料。?2020.JACS
DOI:10.1021 / jacs.0c01699
原始链接:
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c01699
11.角:具有高曲率和高邻近效应的过渡金属硫属化物纳米结构可以快速,选择性地电还原CO2-“富集效应”
将二氧化碳活化为二氧化碳或其他中间体是将二氧化碳(CO2)转化为有用燃料的重大挑战,而这些燃料通常需要贵金属催化剂,高电势或电解质添加剂。于淑红教授及其团队报告了一种微波加热策略,用于合成过渡金属硫属元素化物的纳米结构,该结构可以有效地电催化将CO2还原为CO。他们发现硫化镉(CdS)针阵列具有前所未有的电流密度。在-1.2 V时为212 mA / cm2,CO法拉第效率为95.5±4.0%。实验和计算研究表明,具有高曲率和明显的邻近效应的纳米CdS催化剂对增强电场,浓缩碱金属具有很大的作用。阳离子,从而可以提高CO2的电还原效率。
参考文献:高曲率过渡金属硫族化物具有显着邻近效应的纳米结构可启用FasstandSelectiveCO2电解还原.Angew.Chem.Ind.Ed。?2020,?59.8706。
DOI:10.1002 / anie.201912348。
原始链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ange.201912348
12. NanoLett .:旋转磁场在径向纳米线排列中诱导有效的电荷分离
用于产生相应的闭路并用于磁电的简单有效的纳米材料组装技术对提高纳米材料的电荷分离和转移效率具有重要的研究意义。受到“旋转伞上雨滴的径向运动”的启发,俞书洪学院的研究小组利用旋涂过程产生的液体感应制备了具有辐射结构的纳米线阵列,并借助旋转磁场成功实现了纳米线。在介质中有效的分离和电荷转移。与其他组装方法相比,该方法具有所需时间少,成本低,操作简单和可重复性好的优点,适用于各种一维纳米结构,不需要对基板进行任何修改。具有辐射结构的这种纳米线布置还可以在旋转磁场下实现纳米线中电荷的有效分离和转移。
参考文献:
RadialNanowireAssemblies underRotatingMagneticFieldEnabledEfficientChargeSeparation.NanoLett.2020,20,4,2763-2769。
DOI:10.1021 / acs.nanolett.0c00408
原始链接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00408
纳米材料在生物医学中的应用
13. Sci.Adv .:原位矿化的非晶态含铁碳酸钙纳米药物协同诱导铁的死亡和肿瘤细胞的凋亡铁的死亡(促肥大)在肿瘤的发生和发展中起着重要的作用,并有望出现作为治疗癌症的新策略,但如何针对肿瘤细胞的铁死亡诱导仍是一个重要的科学问题。俞书宏研究小组与重庆大学罗忠教授的研究小组合作,发现原位矿化的单分散无定形晶体阵列含铁碳酸钙纳米药物阵列协同诱导铁死亡和肿瘤细胞凋亡研究人员正在利用无机配位原位生长载有阿霉素铁离子的肿瘤微环境响应性无定形碳酸钙纳米制剂,并构建可生物降解的含铁碳酸钙药物,对肿瘤微环境有反应已经发现并证实该阵列协同诱导肿瘤细胞铁死亡和化学凋亡,证明了优越的临床应用前景。
参考文献:
肿瘤微环境可激活的Fe-阿霉素预加载非晶态CaCO3纳米配方触发在肿瘤细胞中的肥大病.Sci.Adv。?2020,?6(18),? eaax1346。
DOI:10.1126 / sciadv.aax1346
原始链接:
https://advances.sciencemag.org/content/6/18/eaax1346
14. Natl.Sci.Rev .:铁磁反应的载药胶束与肿瘤磁热的协同治疗
临床中使用的磁性材料的热转换效率差,并且需要大剂量的磁性介质才能达到足够的肿瘤杀灭效果。另外,基于磁性纳米材料的磁热加热通常会减慢加热速率,这是基于磁热反应的药物所限制的释放。于书宏研究小组生产的铁磁纳米胶束的饱和磁化强度是目前商业造影剂的两倍。在交变磁场的作用下,铁磁纳米胶可产生高热量,其热转换效率远高于临床使用的磁性纳米材料。因此,磁性纳米载体可以有效地靶向肿瘤部位并促进肿瘤细胞摄取,此外,可以通过以非常低的剂量刺激交变磁场来显着杀死肿瘤细胞。
参考文献:
亚铁磁性mPEG-b-PHEP共聚物胶束装有氧化铁纳米立方体和莫丁,用于增强磁热化学疗法。《国家科学通报》,2020,7,723-736。
DOI:10.1093 / NSR / NWZ201
原始链接:
https://academic.oup.com/nsr/article/7/4/723/5708950
第四名
微纳米尺度上的热质传递
15. JACS:“ ChemTEM”用于固相离子迁移的原位可视化固相离子迁移过程复杂且难以遵循。在原子级纳米空间结构之间原位研究离子迁移的新表征方法的开发仍然是未知的挑战。于书洪教授的团队与上海交通大学的吴建波教授和中国科学技术大学的倪勇教授合作,设计并利用原位化学TEM方法定量研究了复合纳米线之间固相离子迁移过程。以复合Te-Ag纳米线结构为研究模型,发现Ag离子可通过Te纳米结构的(101)表面嵌入晶格中,揭示了Ag在单层Te纳米线阵列上的各向异性迁移行为。根据实验数据分析和相场建模,纳米线O面上Ag离子的迁移速率快于主相的迁移速率,从而导致形成锥形的核。外壳结构。
参考文献:
实时可视化不同层中的固相迁移动力学,J.Am.Chem.Soc。?2020,142,17,7968-7975
DOI:10.1021 / jacs.0c02137
原始链接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c0213716。问题:水热合成的液体行为对纳米材料合成的影响了解热量和传质对于更好地控制水热批生产至关重要。加压的密闭容器在高温下很难,但是研究人员却能够研究反应过程。于书宏,丁航教授(通讯作者)等人利用氧化石墨烯(GO)的液晶行为和胶凝能力以及酚醛树脂(PF)的硬化和凝固作用,将GO / PF制成环状极性结构凝胶基于凝胶的微观结构显示了在不连续水热合成中液体的行为。研究结果表明,在水热合成中总存在对流和温度差,反应器衬里尺寸是最重要的影响对流对流的改善会恶化产品的均匀性,尤其是在大范围内合成纳米线,纳米片或块状凝胶材料时通过水热过程扩大规模。
参考文献:
批次水热流体的行为Behaviorand对纳米材料合成的影响。物质2020,2(5).1270-1282。
DOI:10.1016 / j.matt.2020.02.015
原始链接:
https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30077-1
资料来源:高分子科学前沿
免责声明:仅给出作者的个人观点,并且限制了作者的水平。如果发现任何不科学的内容,请在下面留下评论!
提交模板:
个别报道:上海交通大学的周瀚和范同祥的“ PNAS”:插入影片后,就不再需要冷却电了!
系统报告:加拿大最年轻的院士陈忠伟对能源成就的汇编
历史进步:经典回顾|收集和诱导发光的开创性工作:“ CC”为中国人引领世界开辟了新领域!