《中科大发明检测γ射线辐射剂量新材料》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2020-09-22
  • 中国科学技术大学张国庆教授团队发明一种新型亚克力树脂薄膜材料,无需使用光电倍增管和电子仪器,可通过薄膜荧光颜色变化直接判断γ射线辐射剂量的大小。该成果日前发表在《美国化学会应用材料与界面》上。


    γ射线是波长短于千分之一纳米的高能电磁波,穿透力强,是核弹爆 炸后的主要辐射源之一,对人体有致命杀伤力。基于γ射线的辐射电离效应,由可以发生电离的气体或固体、光电倍增管和电子仪器组成的设备,是目前定量检测γ射线强度的常用仪器。


    张国庆团队发现在γ射线的辐射下,聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙烯亚克力薄膜中可以定量释放酸性物质。基于这一发现,该团队设计并制备了一种全新的可用于检测γ射线辐射剂量的亚克力树脂薄膜传感器。这种传感器本质上是一种对酸碱性敏感、但在辐照条件下稳定的喹啉类蓝色荧光分子。他们将该分子包埋到亚克力树脂薄膜中,随着γ射线辐射剂量的增加,薄膜的蓝色发光强度逐渐减弱,红色发光强度逐渐增强,两处荧光强度的比值在较大的γ射线辐射剂量范围内符合线型关系,能够方便、定量并且廉价地检测γ射线。为验证γ射线辐照释放酸性物质的机理,该团队在制备薄膜的过程中加入了微量的酸,发现实验效果与受到γ射线高剂量辐射的效果相同。他们将受到γ射线高剂量辐射后的薄膜加微量碱(三乙胺)后,发现薄膜的荧光发射峰与未受γ射线辐射前的荧光发射峰相同,验证了其响应机理。

相关报告
  • 《中科大发明一种高性能可降解透明薄膜材料》

    • 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:2020-08-21
    • 塑料制品为人们的生活带来了极大便利,然而丢弃的塑料垃圾对生态环境造成了难以想象的危害。难以降解的塑料垃圾每年造成数十万海洋动物的死亡,产生的微塑料更是遍及地球的各个角落,甚至进入动植物的体内或其他环境中,对人类健康产生巨大的威胁。为了更好地防治塑料污染,发展新一代可持续塑料替代材料迫在眉睫。 近日,由中国科学技术大学俞书宏院士团队基于微生物发酵过程,成功研制了一类超强、超韧、透明的高性能可持续仿贝壳复合薄膜。该薄膜基于可持续的生物材料,采用一种气溶胶辅助的生物合成法制备。这种新型制备方法完美地结合了纳米材料沉积与微生物发酵过程的优势,成功实现了微生物产物与纳米材料的原位复合,大幅提升了该材料的光学和力学性能。同时,通过纳米粘土片和细菌纤维素两种天然组分,成功构筑了“砖-纤维”仿贝壳层状结构,使该薄膜展现出远超传统塑料的力学性能。得益于这种仿生结构设计和微生物发酵过程中纳米材料原位复合过程,该薄膜集成了多种优异的宏观特性,展现出比塑料薄膜更突出的综合性能,在新型显示、光电转换、柔性电子器件等领域具有竞争力。成果以“Ultra-Strong, Ultra-Tough, Transparent, and Sustainable Nanocomposite Films for Plastic Substitute”为题发表于Matter。 图1. 高性能可持续仿贝壳透明薄膜的制备过程与结构示意图。(A-B) 常温常压下微生物辅助合成复合水凝胶的过程。(C) 具有三维纳米纤维网络结构的复合水凝胶。(D) 高性能可持续仿贝壳透明薄膜内部的“砖-纤维”结构。 该薄膜具有优异的光管理特性,在高透明度的基础上兼具极高的光学雾度,能高效地散射透过的光线,从而实现理想的匀光效果。传统的聚合物塑料薄膜由于其均质结构的特点,使光线易于透过而难于散射,因此很难具备这种光学特性。而这种高透明高雾度薄膜得益于致密的仿贝壳“砖-纤维”结构,通过薄膜内部孔隙的填充保证透光效果,通过纳米片-纤维素的界面散射保证光学雾度,从而可以在370-780 nm的可见光谱波长范围内同时实现超过73%的高透明度和超过80%的高光学雾度。对于光电器件来说,这种结合了高透明度和高光学雾度的光学特性可以有效提高透过光的比例,延长光的传输路径,从而显著提升光捕获效率。 图2. 该薄膜与多种传统塑料强度、模量、最高服役温度和热膨胀系数的Ashby图。(A) 强度和模量Ashby图,表明该薄膜具有优于传统塑料的强度和模量。(B) 最高服役温度和热膨胀系数Ashby图,表明该薄膜具有优于传统塑料的最高服役温度和热膨胀系数。(C) 该薄膜的大尺寸样品。(D-E) 该薄膜可以被折叠成各种形状,且多次折叠后展开无明显损伤。(F) 在展开和弯折的情况下,该薄膜上的电路都可以保持畅通,使LED灯亮。 同时,该薄膜还具有高强、高韧的优异性能。其强度和模量可达到482 MPa和15 GPa,分别是商用PET塑料薄膜的6倍和3倍以上。此外,该薄膜还展现出了良好的柔韧性,可以被折叠成各种形状,并且在多次折叠展开后没有明显的损伤,这种优异的力学性能可以保证薄膜材料更好地适用于各种场景。纳米纤维三维网络和“砖-纤维”仿贝壳结构设计有助于应力均匀分散,避免应力集中,有效抑制裂纹扩展,同时纤维变细效应可以提高材料内部纤维间的氢键密度、促进薄膜拉伸过程中的纤维滑移,从而使材料兼具高强度和高韧性。 作为一种生物基可持续材料,该仿生薄膜还具有优异的热稳定性,热膨胀系数低至 3 ppm K-1,即温度每改变100°C,尺寸变化仅为万分之三,是商用塑料薄膜的几十分之一。而且,相对于在高温下极易软化变形的塑料薄膜,该薄膜在250℃下仍能保持结构和性能稳定,因此在极端环境下具备比塑料薄膜更为优异的服役性能。 这种仿生薄膜材料集成了优异的光学、力学和热学性能,并且在自然条件下可以完全生物降解,克服了废弃塑料难以降解的问题,避免了微塑料的产生及其对人类健康的威胁。在满足柔性电子器件基底材料光学透明性、柔性、低成本以及高低温下的尺寸稳定性等要求的同时,该薄膜全生命周期绿色无污染,在未来柔性电子器件领域将具有广泛的应用前景。 这项研究受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、合肥综合性国家科学中心等资助。
  • 《PNAS:中科大新型量子功能材料获重要进展!》

    • 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:2018-03-13
    • 中国科大陆亚林教授量子功能材料和先进光子技术研究团队在量子功能材料研究方面取得重要进展。该团队成员翟晓芳副研究员、傅正平副教授等人,与美国劳伦兹伯克利国家实验室Jinghua Guo博士、中国科大赵瑾教授、湖南大学马超教授等合作,在研究新型高温、高对称性铁磁绝缘体过程中,通过把高质量氧化物薄膜制备与同步辐射先进光电学探测、第一性原理计算等相结合, 成功地发现了高于液氮温度(77K)的高对称性铁磁绝缘体,并解释了产生高温铁磁转变现象的新机制。 相关研究成果发表在2018年3月5日出版的美国科学院会刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》(PNAS)上。 论文链接: http://www.pnas.org/content/early/2018/02/28/1707817115 通常磁性材料可分为铁磁性和反铁磁性,而在真实的材料中,铁磁材料通常是导电的,反铁磁材料通常是绝缘的。随着量子科技的发展,对量子功能材料的性能逐渐有了更多的需求,例如在量子拓扑器件中需要绝缘的铁磁材料(铁磁绝缘体),同时需要该铁磁绝缘体具有高晶格对称性,以利于与其他材料外延生长成未来量子器件;需要具有尽可能高的铁磁转变温度,以利于更接近于器件的现实工作环境等等。 以往研究中发现的铁磁绝缘体大多是通过两个磁性原子占据位的不同以促使其轨道占据不同,这样的铁磁绝缘体中最著名的就是Y3Fe5O12 (YIG)。但是这一类型的铁磁绝缘体具有复杂的、低对称性的点阵结构,同一种原子可以容易地占据不同晶格格点, 因此高质量铁磁绝缘体的制备非常困难,并且严重影响到其铁磁绝缘体的性能。 更为严重的是,这些复杂结构的铁磁绝缘体在被应用到磁性量子器件或隧穿器件中时,很难和其他高对称性的材料进行外延生长,从而造成未来器件制备与集成的困难。另一方面非常不幸的是,目前已知的、具有高对称性非掺杂铁磁绝缘体的铁磁转变温度都非常低,大部分都位于16K之下,远没有达到最低要求的液氮温度。这样表现出来的低温铁磁绝缘性可能是由于4f轨道太窄,和氧之间超交换作用太弱所导致。通常量子功能材料的罕见性都是受制于基本客观物理规律, 因此要取得突破就必须从深层物理机制着手,设计和研制能够产生新型性能的新量子材料,这对物理机制研究和材料制备都提出了极高的要求。 为了获得能在高温下工作的、具有易外延生长能力的、高对称性结构的铁磁绝缘体,该团队从一开始就进行了充分的材料筛选,认为LaCoO3薄膜是有可能成为一个高对称性铁磁绝缘体的研究对象。但是关于LaCoO3薄膜铁磁性的来源前期却充满了争议,由于对制备要求很高,薄膜中经常会出现大量缺陷,因而前期很多人认为是这些缺陷导致了铁磁性,导致了性能的不稳定及不可控。 在本项工作中,团队成员发挥了高质量单晶薄膜制备的优势,研制了高质量、近似无缺陷的LaCoO3薄膜并深入研究了其铁磁性的来源,发现LaCoO3薄膜确实是一个罕见的高温铁磁绝缘体,其铁磁转变温度可以高达85K,是以往研究过材料的5倍,并高于液氮温度。通过制备不同氧含量、不同应力、不同厚度的LaCoO3薄膜,发现了氧缺陷的浓度增加会引起铁磁性的削弱,并且在氧缺陷导致的Co2+含量达到10%左右时,铁磁性会完全消失;通过第一性原理计算,发现了和实验基本一致的结论,当氧缺陷被引入到拉应力下的LaCoO3薄膜中时,产生的Co2+高自旋态(t2g3eg2)与邻近的Co3+高自旋态或Co2+高自旋态形成局域的反铁磁相互作用,削弱了铁磁性。并且当Co2+的浓度达到12.5%时,反铁磁相互作用取代了铁磁相互作用并成为新的长程序,铁磁性因而完全消失。这些实验和理论工作充分解释并证明了LaCoO3薄膜铁磁绝缘机制, 为未来研制高质量磁性量子器件等应用需求提供了一个亟需的新材料。 文章共同第一作者为合肥微尺度物质科学国家研究中心博士生孟德超和郭宏礼,通讯作者为翟晓芳副研究员和陆亚林教授。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和教育部等关键项目的资助。.