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《苏州纳米所冷凝微滴自驱离纳米仿生界面取得新进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2017-12-20

  • 中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所高雪峰研究员课题组聚焦冷凝微滴自驱离纳米仿生界面的设计、制备、性能调控及潜在应用展开了一系列探索。受蝉翼及弹射孢子表面冷凝液滴融合自去除原理启发，他们首先仿制了聚合物纳米乳突及纳米锥阵列结构（ Chem. Commun. 2012, 48 , 11322 ； ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4 , 5678 ； Small 2014, 10 , 2578 ），冷凝动力学研究显示：聚合物纳米乳突顶部尖锐化是确保冷凝微滴融合自去除的关键（ Adv. Mater. Interfaces 2015, 2 , 1500238 ）。随后，他们提出材料表面原位生长密排列准直纳米针可实现小尺度冷凝微滴高效自弹射去除的策略，实验与理论结合揭示了纳米结构表面极低的固液黏附是确保冷凝微滴利用自身融合释放的微弱过剩表面能实现自弹射去除的机理（ J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5 , 2084 ）。在此基础上，提出了功能界面构筑单元的设计原理：特征间距在亚微米尺度以避免水汽侵入；控制足够的高度或深度避免悬浮液桥接触结构底部；采用离散突起形貌降低固 - 液界面黏附以实现冷凝微滴自弹射去除。遵循这一原理，先后设计制备了多种纳米针锥构型（ ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6 , 8976 ； ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7 , 10660 ； Adv. Mater. Interfaces 2016, 3 , 1600362 ； ChemNanoMat 2016, 2 , 1018 ）、纳米粒子多孔构型（ Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54 , 4876 ）以及纳米棒 - 孔复合构型（ ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7 , 18206 ； ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7 , 11079 ），经低表面能化学修饰后都具有优异的冷凝微滴自弹射去除功能。

    　　初步研究显示：冷凝微滴自驱离纳米仿生界面与微热辅助技术相结合，可实现表面持续无霜（ ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6 , 8976 ），这一创新策略将有助于研制更节能的空调 / 热泵换热器。这种仿生界面还具有优异的过冷水不沾功能，是一种理想的节能技术，可用于飞行器机翼防冻雨结冰（ ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7 , 26391 ）。此外，这种仿生界面比普通金属表面有更高效的冷凝传热性能（ ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7 , 11719 ； ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7 ,10660 ），相关知识创新将有助于设计开发性能更卓越的传热传质界面材料与热控器件。

    　　最近，受《先进材料》杂志约稿，他们对冷凝微滴自驱离纳米仿生界面最新研究进展进行了专题报道及评述（ Adv. Mater. 2017, 29 , 1703002, DOI: 10.1002/adma.201703002 ），文章涉及功能界面的生物原型、机理及构筑原则、金属基功能界面的制备方法及其在能源相关应用领域的最新进展；最后，文章还总结了该研究领域目前存在的挑战及未来发展趋势，尤其如何利用其它仿生策略来设计开发性能更卓越的冷凝微滴自驱离功能界面。

    　　上述工作得到科技部、基金委、中国科学院、江苏省等项目支持。

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  • 《苏州纳米所在仿生人工肌肉研究方面取得新进展》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2023-06-26
    • 　　仿生肌肉纤维在外界刺激下能够产生类生物肌肉的收缩运动，作为一种新型的驱动器，有望推动仿生软体机器人、智能变翼飞行器、可穿戴及可植入医疗技术等方向的创新发展。螺旋仿生肌肉纤维凭借其独特的驱动放大结构可以输出优异的驱动性能。但在收缩前需要对螺旋仿生肌肉纤维施加张力将纤维相邻的螺环分开为其收缩提供空间，而且其回复过程也需要相同的应力将纤维拉回原长，这导致在一个驱动循环过程中螺旋仿生肌肉纤维的净做功为零。 　　针对上述问题，中国科学院苏州纳米所李清文、邸江涛研究员等报道了一种无预应力、可自回复并能高效循环做功的仿生肌肉纤维。该仿生肌肉纤维以碳纳米管（CNT）纤维的弹性螺旋结构驱动回复，并利用液晶弹性体（LCE）的可逆相变产生驱动形变。所获得的肌肉纤维表现出56.9%的可逆收缩量，1522%/s的收缩速率，7.03 kW kg？1的功率密度和32,000次的稳定循环。 　通过连续的浸渍涂覆固化技术实现了复合纤维的连续制备，随后进行并股加捻得到螺旋纤维。其中，CNT纤维表面的沟道初步诱导了液晶分子的排列，加捻进一步诱导液晶分子重排变为相对有序的状态，复合纤维在温度刺激下产生形变。（图1） 　　经过加捻的复合纤维表面的LCE从无序变为有序，偏光显微镜和WAXS的结果都证明了这一点，加捻后LCE的取向变好，取向因子增加，表明螺旋应力有效诱导了液晶分子的排列（图2）。 　　目前文献中报道的仿生肌肉纤维在收缩和恢复过程中都需要施加恒应力（图3a，循环Ⅰ），整个过程纤维的净做功为零。本工作开发的纤维在通电时收缩提起负载，断电后无需负载回复到原长（图3a，循环Ⅱ），纤维的净做功大于零。该有效做功特性对于仿生肌肉纤维的应用具有重要意义。对复合纤维加捻使得LCE在CNT沟槽中沿着CNT取向形成液晶态。在电热的作用下液晶高分子链的刚性棒向无序相转变，导致相邻碳纳米管受到应力而解捻，进而产生收缩驱动。在电热驱动训练过程中复合纤维中的CNT纤维骨架被加工成具有螺环张开且扭矩平衡的结构，纤维受热收缩会对CNT纤维骨架压缩进而储存了弹性势能。断电后弹性势能的释放使得复合纤维恢复到原来大螺距、扭矩平衡的结构。这说明本工作中报道的仿生肌肉纤维的回复不需要外力辅助。因此该仿生肌肉纤维实现了有效循环做功。复合仿生肌肉纤维的驱动量高达56.9%，最大做功能力为2.11 J/g，与文献中报道的LCE纤维驱动器相比，该纤维做功能力处于最大值。在自恢复模式下，纤维循环32,000圈后驱动性能依然保持良好，具有优异的循环稳定性。（图3） 　基于LCE/CNT螺旋纤维优异的驱动性能及自恢复特性。研究团队将这种高性能的仿生肌肉纤维作为驱动单元与机械结构结合起来，演示了其在类内窥镜上的作用，可以实现内窥镜镜头的三向弯曲。进一步将纤维集束与仿生手臂结合，模仿人的手臂实现了拉车的动作。此外，基于纤维的快速响应特性，利用其瞬间的爆发力，纤维在机械爬虫及踢足球场景下都具有一定的应用潜力。（图4） 　　相关工作以Pretension-Free and Self-Recoverable Coiled Artificial Muscle Fibers with Powerful Cyclic Work Capability为题发表在ACS Nano上。论文第一作者为中国科学院苏州纳米所硕士生崔波，通讯作者为邸江涛研究员和李清文研究员。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。
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  • 《苏州纳米所在半导体SERS研究中取得新进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2017-12-20
    • 有一种元素，以单质分子形式构成了大气体积的 21% 、以化合物形式构成了地壳总质量的 48.6% ，这就是氧。因其活泼的化学性质及其较大的电负性，成就了自然界物种的多样性。自 1777 年由拉瓦锡发现以来，氧元素一直都是化学家的宠儿。如今在新兴的半导体 SERS 领域，它的重要性再一次被体现。 　　自上世纪 70 年代表面增强拉曼光谱（ SERS ）面世后，贵金属基底的引入将拉曼检测灵敏度提升了百万倍，克服了传统拉曼光谱与生俱来的信号微弱等缺点，使得拉曼检测在食品安全、环境监测、生命科学等领域得到广泛应用，并迅速成长为最为灵敏的表面物种现场谱学检测技术之一。然而，人们欣喜的同时却遗憾地发现， SERS 仅在金、银、铜等贵金属的粗糙表面才具有高活性，即需依赖贵金属表面电磁增强的 “ 热点 ” 效应，基底的选择十分有限；且实际应用中这种精细调制的材料结构易受环境因素干扰，稳定性差强人意。事实上，探索新型、高性能的非金属基底一直是 SERS 技术中最重要的研究方向之一。尤其近年来半导体化合物被证实具有 SERS 活性，其丰富的种类与化学组成引起人们极大的兴趣，但此类化合物作为 SERS 基底普遍较低的增强因子似乎成为难以突破的科研瓶颈。我们知道，基底材料所表现出的 SERS 性能来源于探针分子与其表面的相互作用，包括电磁增强（ EM ）与化学增强（ CM ）两种方式。通常认为金属材料中以电磁增强为主，而半导体化合物表面化学增强则起决定作用。正因为机制不同，半导体材料用作 SERS 基底的设计应遵循完全不同于现有的贵金属材料的研究理念。 　　最近，中国科学院苏州纳米所赵志刚研究员团队成功地发现了氧分子可以作为开启半导体化合物 SERS 性能宝藏的钥匙，即利用化合物化学组成可调的特点，巧妙地通过氧元素调控过渡金属化合物的化学计量组成或表面晶格氧浓度，来增强非（弱） SERS 活性材料表面物种的信号。 　　在此学术思想指导下，该研究团队首先选择自身富氧缺陷的 W 18 O 49 海胆状纳米粒子作为 SERS 基底，成功获得了高灵敏度和低探测极限的优异 SERS 性能。这种首次作为 SERS 基底的半导体材料对 R6G 分子的检测极限可低至 10 -7 M ，通过还原气氛（ H 2 、 Ar ）处理的方法进一步改变 W 18 O 49 的表面氧缺陷浓度，成功地将材料的 SERS 增强因子提升至 3.4 × 10 5 ，是现已报道的性能最为优秀的半导体 SERS 基底材料之一，并已接近无 “ 热点 ” 的贵金属材料。相比之下，化学计量比 WO 3 几乎没有 SERS 活性，这说明氧缺陷对于半导体氧化物的 SERS 性能有着至关重要的作用。 　　既然从晶格中拖出氧对材料 SERS 如此重要，那么反过来向晶格中插入氧又将如何？带着这个疑问，赵志刚研究员团队选择了硫化钼（ MoS 2 ）这种本身 SERS 性能微弱的硫族半导体材料，通过取代和氧化两种方式方便地实现其晶格中氧的插入。结果证实，适量的氧插入可使硫化钼的 SERS 活性提升 100,000 倍，但过量的氧掺杂会导致 SERS 活性大幅下降。此外，通过这种氧插入方法，硒化钨、硫化钨、硒化钼等多种化合物的 SERS 性能均可获得大幅增强，也就是说这种晶格氧调控的手段在提升半导体 SERS 性能方面颇具普适性潜力。 　　至此，晶格中的 “ 氧缺陷 ” 与 “ 插入氧 ” 对半导体 SERS 的增强作用已被统一，而理论计算结果更是指向了同一结论。该团队研究人员将化学增强的理论模型应用于半导体 - 有机分子体系，发现半导体材料晶格氧的增减可作为调控其能级结构的有效手段；其中 “ 氧缺陷 ” 会引入深能级作为电子跃迁的 “ 弹跳板 ” ，而 “ 插入氧 ” 将直接增加带边附近的电子态并伴随着禁带变窄；这些都将显著增加激光激发下半导体中电子跃迁的可能，并进一步通过振动耦合（ Vibronic Coupling ）作用于半导体 - 有机分子之间的电荷跃迁（ Charge Transfer ），影响基底表面所吸附有机分子的极化张力，从而增强其拉曼光谱响应。 　　以上工作证实了恰当地调制半导体化合物中的晶格氧，可作为显著提升其 SERS 性能的一种有效手段，突破常规 SERS 技术中贵金属基底的局限性，进一步拓宽半导体化合物作为基底材料在 SERS 检测中的应用范畴。系列研究成果相继以 “Noble metal-comparable SERS enhancement from semiconducting metal oxides by making oxygen vacancies” 与 “Semiconductor SERS enhancement enabled by oxygen incorporation” 为题于 2015 年 7 月 17 日、 2017 年 12 月 8 日在 Nature Communications 在线发表。 ( DOI:10.1038/ncomms8800& DOI: 10.1038/s41467-017-02166-z) 　　研究工作得到国家自然科学基金 (51372266, 51572286, 21503266, 51772319, 51772320) 、 江苏省相关人才计划 (BK20160011) 、 中国科学院青年创新促进会 等的资助和支持。
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