导读
近日，中山大学化学学院郑治坤教授课题组在Nature发表弹性晶体膜研究新进展，该工作通过构建编织晶界，建立了一种改善晶态材料脆性并同步增强其机械强度和韧性的方法，为晶态材料在柔性器件和分离膜方面的应用奠定了坚实的基础。
上海交通大学钱小石课题组在Nature上发表研究论文，实现电卡制冷技术新突破，研究揭示了基于铁电高分子的自驱动电卡制冷系统的设计机理，创新了电卡制冷系统的严格测试方法，对电卡制冷系统在各种工况下的制冷能力进行了细致和完善的表征与分析，验证了电卡制冷技术轻量化、高能效的理论优势，为未来更深入细致的学科交叉基础研究与工程应用探索提供了理论基础。
苏州大学功能纳米与软物质研究院廖良生教授、王亚坤副教授及其合作者在Nature上发表论文，该工作提供了一种长程有序量子点薄膜的可控制备新方法，并首次在钙钛矿量子点体系中实现了高亮度—高效率—高稳定性的有效统一。
1、中山大学化学学院郑治坤Nature：弹性晶体膜
高结晶度材料的机械物理性能主要取决于其缺陷结构，缺陷特别是晶界缺陷严重破坏高结晶度材料的机械性能，而天然和合成晶态材料通常为多晶，故晶态材料机械稳定性不高。同时，同木材、玻璃和塑料等一样，晶态材料的机械强度（材料在外力作用下抵抗破坏的能力）与韧性（材料在受到外力冲击时吸收能量并抵抗断裂的能力）相互制约，如何改善高结晶材料的脆性，同步增强其机械强度和韧性为晶态材料当前面临的一个巨大挑战。
中山大学化学学院郑治坤教授课题组一直致力于通过共价有序结构成孔和缺陷结构调控实现晶态聚合物均孔膜可控制备、结构和性能调控及其在碳四到碳八分离方面的应用研究。2019年，课题组通过小分子结构导向剂辅助界面聚合和结晶过程，建立了水面上可控制备高结晶度聚合物均孔膜的普适性新方法（Nat. Chem., 2019, 11, 994-1000）。通过对聚合和结晶过程跟踪，揭示了聚合和结晶机理（Nat. Chem. 2023, 15, 841），并通过近原子尺度下对晶态聚合物均孔膜缺陷结构跟踪和聚集态结构调控，实现了晶态聚合物均孔膜孔结构均一化（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 3927–3933; J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 7, 3233; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 22079）。但将所得晶态聚合物均孔膜用于压力驱动的分离过程时，膜易破裂并导致非选择性渗透。
图1. 编织晶界聚合物均孔膜合成示意图。
为应对这一挑战，郑治坤教授领导的国际团队利用牺牲性小分子结构导向剂导向相邻晶畴晶态聚合物分子链编织，构建了一种全新晶界结构-编织晶界，赋予了全结晶聚合物均孔膜高机械强度、韧性和弹性（图1）。大面积膜抗压性能接近致密材料铝合金和黄金，受力断裂时，断裂仅发生在受力集中点，裂纹不扩展，裂纹附近膜的机械性能与断裂前无差别，而一般全结晶材料裂纹一旦形成会迅速扩展，且裂纹严重影响机械性能。该工作通过构建编织晶界，建立了一种改善晶态材料脆性并同步增强其机械强度和韧性的方法，为晶态材料在柔性器件和分离膜方面的应用奠定了坚实的基础。
相关成果发表在Nature上，论文标题为：“Elastic films of single-crystal two-dimensional covalent organic frameworks”，中山大学在读博士研究生杨永航和德国乌尔姆大学梁宝坤博士为论文的共同第一作者，郑治坤教授为唯一通讯作者，作者信息：Yonghang Yang, Baokun Liang, Jakob Kreie, Mike Hambsch, Zihao Liang, Cheng Wang, Senhe Huang, Xin Dong1, Li Gong, Chaolun Liang, Dongyang Lou, Zhipeng Zhou, Jiaxing Lu, Yang Yang, Xiaodong Zhuang, Haoyuan Qi, Ute Kaiser, Stefan C. B. Mannsfeld, Wei Liu, Armin Gölzhäuser & Zhikun Zheng。上述研究得到了国家自然科学基金（51873236，52061135103），中山大学化学学院和绿色化学与分子工程研究院、中山大学仪器分析与测试中心、中山大学光电材料与器件国家重点实验室、欧洲同步辐射光源（ESRF）及广东工业大学和榕江实验室的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07505-x
2、上海交通大学钱小石课题组在Nature上发表研究论文，实现电卡制冷技术新突破
5月8日，上海交通大学机械与动力工程学院前瞻交叉研究中心钱小石教授课题组在Nature上发表“Self-oscillating polymeric refrigerator with high energy efficiency”的论文。研究人员结合弛豫铁电高分子材料在电场作用下的电致熵变（电卡效应）和电致伸缩效应，设计与制造了“自驱动”的高分子制冷薄膜系统。该系统无需外加驱动装置，而是优化了高分子制冷工质本身的机电耦合效率，设计了电-机械形变与电卡制冷效应协同驱动的方法，实现了轻量化、高能效比、高精度和智能化的制冷效果。钱小石教授为论文通讯作者，博士研究生韩东霖和硕士研究生张楹婧为共同第一作者。
巨电卡效应的电卡制冷技术因具有全固态、高能效、零温室效应潜能（GWP）及易于小型化、轻量化等理论优势，被国际能源署誉为制冷技术领域的颠覆性前瞻技术之一。在电卡制冷系统中，固态电卡材料（制冷工质）在电场的加载与卸载下实现间歇性的吸热与放热效果，并配合工质在空间位置的移动，实现与热源和热沉的交替接触，从而完成制冷循环。目前，绝大多数已报道的电卡制冷系统都依赖外置驱动设备（如机械泵、活塞、电机等），实现制冷工质的机械循环运动。这些设备往往需要分立的电源，体积、重量远大于实际系统中的电卡制冷工质。类似的设备一旦部署，如何体现电卡制冷技术在小型化、轻量化方面的优势始终是领域内的一项重要挑战。
此前，钱小石教授课题组在2021年发表的Nature论文（）中已证实，通过高分子链内分子修饰的手段，可以大幅提升弛豫铁电高分子材料在低电场下的熵变性能。这类材料被称为双键调控高分子（Double-bond Modified Polymer，DMP）。本文中，研究人员通过进一步优化各项单体比例，使得目标高分子兼具高“电致熵变”与高“电致伸缩应变”的性能。在66.7 MV/m的电场下，DMP表现出9 K的绝热温变和1.9%的面内应变。得益于显著提升的机-电-热耦合性能，DMP薄膜无需额外的机械驱动力输入，在电场作用下同步产生足够大的空间位移和冷热变化，仅凭自身本征物理效应即组成了完整的热力学循环。
图1 自驱动柔性制冷系统的运行机理
研究人员根据系统的运行逻辑针对性地搭建了系统温跨测试平台，并分别在热泵工况和制冷工况下对系统拉开温跨的能力进行了测试。在66.7 MV/m的电场和0.5 Hz的运行频率下，系统在两种工况下均能拉开近似于4 K的温跨，这表明系统的能量损耗相对较低。借助于界面热阻测量标定实验与有限元仿真计算，研究人员对系统温跨测试结果进行了深入分析。仿真计算结果表明，系统运行过程中的界面接触热阻和对流换热损耗是限制系统制冷性能的主要因素。
图2 自驱动柔性制冷系统拉开温跨能力的测试
如何准确地测试电卡制冷系统的性能，是该领域研究的另一项重点。前期报道的电卡制冷系统主要通过系统温跨描述性能，然而不同系统能够实现的系统温跨标准不一。本次工作中，研究人员首次将传统制冷系统测试技术引入电卡制冷系统性能测试中，搭建了适用于薄膜电卡制冷系统的焓差台，并分别独立地严格控制热源和热沉的温度。研究人员测试了在不同热源热沉温差条件下，即在不同工作温跨下电卡制冷系统能输出的制冷量，得到了系统在不同温跨条件下的额外对外制冷量与COP，而非系统在最大温跨下与热损耗相平衡时的制冷量与COP。
在零温跨下，该系统可以输出6.5 W/g的比制冷功率，瞬时制冷量与耗电量比值高达58（在电荷回收效率为80%的条件下）。在4 K的系统温跨下，该系统可以输出2.7 W/g的比制冷功率，对应的COP为24，实现了约32%的热力学完善度，这是迄今为止在电卡制冷系统研究中所报道的最高的热力学完善度。值得注意的是，系统的COP与所处温跨和能量回收效率息息相关，若提升电荷回收效率至99.7%以上，系统在零温跨下实现的COP将达到210左右。此外，由于无需外加驱动部件，本研究中搭建的薄膜制冷系统空间利用率高，其单位空间上的比制冷功率相比于领域内已报道的电卡制冷系统提升了近百倍。
图3 自驱动柔性制冷系统的制冷功率和能效比。
该系统能为狭小空间内的芯片提供被动散热额外的制冷能力，迅速降低芯片表面温度。相比于空气自然对流冷却，该系统能为芯片在50 s内提供额外17.5 K的温降。研究人员利用铁电高分子的介电温谱，实现了被冷却目标温度的定点实时监测，并设计了系统制冷工作自动启停的反馈运行逻辑。研究人员还对该系统进行了超过七万次的循环稳定性测试，验证了系统的稳定性。由此，凭借其轻质、体积小、能耗低和柔性等诸多优势，基于电致伸缩效应与电卡效应协同的自驱动电卡制冷系统可以实现轻量化、柔性、高能效和智能化的主动制冷。
图4 系统的应用实例
两年多来，该团队陆续在固态相变机理、材料理化性质、器件设计与制造方面取得突破，相关工作已发表6篇Nature、Science论文，其中以第一或通讯作者发表4篇。本文揭示了基于铁电高分子的自驱动电卡制冷系统的设计机理，创新了电卡制冷系统的严格测试方法，对电卡制冷系统在各种工况下的制冷能力进行了细致和完善的表征与分析，验证了电卡制冷技术轻量化、高能效的理论优势，为未来更深入细致的学科交叉基础研究与工程应用探索提供了理论基础。钱小石教授团队已获得相关发明专利授权。（；）
研究工作得到了机械与动力工程学院陈江平教授和电子信息与电气工程学院刘钢教授等的支持，所有研究工作均由上海交通大学的研究人员完成。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室、上海交通大学“深蓝计划”项目、重点前瞻布局基金、“交大2030”项目的支持。研究工作还得到了上海交通大学学生创新中心、上海交通大学分析测试中心以及转化医学国家重大科技基础设施（上海）的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07375-3
3、苏州大学功能纳米与软物质研究院廖良生教授、王亚坤副教授及其合作者在Nature上发表论文
近日，苏州大学功能纳米与软物质研究院廖良生教授、王亚坤副教授的研究成果 “Long-range order enabled stability in quantum dot light-emitting diodes”在《自然》（Nature）上发表。功能纳米与软物质研究院是该论文的唯一通讯单位，王亚坤为论文的第一作者，加拿大多伦多大学Haoyue Wan为共同第一作者，廖良生为论文的通讯作者。王穗东教授课题组在薄膜迁移率表征方面提供了帮助。
新型显示产业是国家战略性新兴产业之一，也是国际上竞争的产地新高地。开发基于钙钛矿量子点的新型显示技术，对我国在这一行业中保持领先地位至关重要。然而，钙钛矿量子点发光器件仍面临在高亮度下实现高效率和高稳定性的巨大挑战。
长程有序量子点薄膜示意图
针对上述关键科学问题，廖良生、王亚坤从机理研究出发，深入剖析影响钙钛矿量子点发光器件在实现高亮度—高效率—高稳定性的关键因素，发现非有序钙钛矿量子点薄膜是其主要限制因素。为此，他们提出了一种双配体协同策略，通过缺陷态钝化与原位去除小尺寸量子点相结合的方式，成功制备了长程有序、致密、均匀和无缺陷的薄膜。基于此策略所制备的钙钛矿量子点发光器件，在亮度为1000尼特的工作条件下可保持超过20%的外量子效率，且工作寿命相对提高100多倍，为同类器件的最高值。
该工作提供了一种长程有序量子点薄膜的可控制备新方法，并首次在钙钛矿量子点体系中实现了高亮度—高效率—高稳定性的有效统一。上述研究成果，为高性能量子点发光器件的实际应用提供了新策略。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07363-7
来源：中山大学、上海交通大学、苏州大学