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刘静:新材料可快速膨胀固化也可再次恢复液态

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摘要


清华教授刘静联合中科院发现普适性柔性材料,液态金属研究领域又获新进展。





研发世界首个液态金属机器的清华大学医学院生物医学工程系教授刘静


我国科学家近日在液态金属研究领域又获新进展。清华大学教授刘静研究组联合中科院理化技术所,发现了一种基于多孔液态金属(镓铟合金)的普适性柔性材料——PLUS材料。这种材料在极限情况下可快速膨胀至原体积的7倍以上,膨胀后甚至可携带重物漂浮于水面。相关论文近日在线发表于国际学术期刊《材料视野》上。


刘静研究组通过在液态金属内部加载铁纳米颗粒并引入化学反应机制,可快速制造出柔性多孔金属材料,其孔径大小可灵活调控,且体积膨胀后还可再度迅速恢复成液体状态,经加热能够多次重复膨胀。这些特性为制造新型水下可变形机器、柔性机械臂、外骨骼以及发展柔性智能机器人技术打开了新的思路。


实验表明,在加热条件下,PLUS材料可在内部迅速形成孔隙结构,在几分钟内即可膨胀至原先体积的数倍,甚至能将重物携带至溶液表面。在此过程中,PLUS材料由液体逐渐变为膏状物,经氢氧化钠溶液处理并烘干后,可得到异常坚硬的多孔金属材料。如果在此固体材料上再次添加盐酸并搅拌,可使其重新恢复至液态。这种液固转换过程可重复100次以上。





人物档案:


刘静,男,云南宣威人,1969年4月生,清华大学医学院生物医学工程系教授;中国科学院理化技术研究所客座研究员;2003年国家杰出青年科学基金获得者;清华大学及中国科学院百人计划入选者。曾先后荣获中国青年科技奖、茅以升科学技术奖、北京青年科技奖、美国机械工程师学会年度唯一最佳论文奖等十余项奖励。研究兴趣:微创医学技术、移动医疗与健康管理、低温生物医学、肿瘤热疗物理学、微/纳流体与传热学及先进芯片散热等。

先后获得清华大学工学士、理学士(1992年7月)、工学博士(1996年2月);曾为美国Purdue大学博士后、MIT访问学者。1998年入选中国科学院百人计划,后创建理化技术研究所低温生物医学实验室;2008年7月兼任清华大学医学院生物医学工程系教授(百人计划),主持医学微系统技术实验室,同时继续担任中科院理化技术研究所低温生物医学实验室课题组长。

先后出版9部跨学科前沿著作,多为国内外同主题首部著作(其中之一已被印刷5次,含繁体字版),对促进我国生物医学工程与热科学新兴交叉学科领域的快速发展和人才培养作出重要贡献;应邀撰写有14篇中英文著作章节。发表期刊论文300余篇,国际会议论文70余篇;申请专利100余项(已获授权60余项),一批成果转让企业。

先后指导毕业41名硕士、博士生及24名本科毕业设计,其中有19人次获得中国科学院院级及清华大学校级奖学金或竞赛奖,5人次入选全国优秀博士论文提名、中国科学院优秀博士论文奖或提名;所指导研究生或助手中,已有3人成长为教授或研究员(1名入选中科院百人计划,1名入选教育部"新世纪优秀人才支持计划"),1名入选北京市科技新星人才计划,4人被提升为副研究员或副教授。2015年入围“中央电视台2015年度科技创新人物”。

【背景资料】2015年3月,由清华大学教授、中国科学院理化技术研究所双聘研究员刘静带领的中科院理化技术研究所、清华大学医学院联合研究小组,发现了一种异常独特的现象和机制,发现系列液态金属基础现象与机器运动变形机制。即液态金属可在吞食少量物质后以可变形机器形态长时间高速运动,实现了无需外部电力的自主运动。刘静小组的发现,为可变形材料特别是液体机器的设计和制造迈出了关键性的一步,一定程度上从理论和技术的层面论证了实现液态金属机器人的可能性;事实上,该研究已打开了系列已趋现实的应用范畴,如制造柔性执行器,控制目标流体或传感器的定向运动、金属液体回收,以及用作微流体阀、泵或更多人工机器等。若采用空间架构的电极控制,还可望将这种智能液态金属单元扩展到三维,以组装出具有特殊造型和可编程能力的仿生物或人形机器;甚至,在外太空探索中的微重力或无重力环境下,也可发展对应的机器来执行相应任务。值得庆幸的是,宣威有幸成为液态金属产业基地,并于2017年1月18日在虹桥轻工业园区举行液态金属产业园开工仪式,为宣威轻工业的快速发展奠定了坚实的基础。






延伸阅读:

新型柔性热电材料与器件取得重要进展



  发展可再生能源是我国一项既定国策,也是保证经济稳定和可持续发展的关键。全球约有80%的电站利用热能发电,然而这些电站的平均效率只有30%,每年约有15 TW的热量损失到环境中,如能将这部分能量回收利用,可有效地缓解当前突出的能源与环境问题。以热电材料为核心的热电转换技术可依靠任何外力将“热”与“电”两种不同形态的能量直接转换,备受科学界和工业界的广泛关注。特别是近年来以可穿戴式、植入式为代表的新一代智能微纳电子系统迫切需求开发微瓦-毫瓦级自供电技术代替传统充电电池,以满足其向微型化、高密度化、高稳定性和可靠性发展的技术需求。而热电材料,可利用人体体温与周围环境的温差发电,因此成为便携式智能电子器件自供电技术的有效解决方案。

  一方面,与其他种类的换能形式相比,热电技术的换能效率不高,只有10%,严重制约着热电技术产业的发展。热电材料的性能可由热电优值(zT)来衡量:

  zT=S2σT/(κe + κL)

  其中S为材料的Seebeck系数,σ为电导率,T为工作温度,κe和κL分别为电子和声子的热导率。由于本征物理属性的限制,决定zT值的各个参数相互关联制约,使得热电材料的优值系数难以大幅度提高。

  另一方面,为保持温差,充分利用热能发电,需要热电材料/器件与热源表面紧密贴合。然而,在实际应用中无论是人体体表还是热源管道,都具有复杂曲率变化的几何表面。传统无机热电材料,由于其本征脆性,不能满足紧密贴合曲率变化热源表面的要求,使得热源与热电材料/器件之间的热能损失处于较高范围。除了热电材料本身热电优值外,这种热源与热电材料之间接触不良所导致的热能损失也成为制约现有热电技术发展的关键因素之一。

  因此,探索通过尺度效应、合金化、界面能垒调控等方法增加Seebeck系数,并设计利用多尺度缺陷散射声子,抑制热导率等策略提高热电转换性能,以及开发新型高性能柔性热电材料和器件制备技术,研究改善无机热电材料本征脆性的机理等课题已成为当前本领域全球性的难点和热点问题。

  金属所沈阳材料科学国家(联合)实验室邰凯平研究员课题组致力于从原子尺度设计和制备具有高度有序显微结构的热电薄膜材料和器件。利用物理气相沉积技术调控相邻晶粒为小角度倾转晶界,首次实现大面积制备面内和面外方向均为高度织构取向的Bi2Te3热电薄膜。研究表明,小角度倾转晶界能抑制其对载流子散射增强面内电导率,同时保持对声子的散射作用降低热导率,显著提高了热电转换性能,是制备高性能Bi2Te3热电薄膜材料的有效方法(Scripta Materialia, 119,33-37,2016,专利:201610004221.5;201711219639.9)。

图 非平衡磁控沉积制备小角度倾转晶界Bi2Te3薄膜材料SEM(a)、TEM(b)显微结构分析和热电薄膜制冷器光学显微分析(c)、台阶仪三维形貌分析(d)和制冷器结构示意图(e)-(f)

  基于上述技术,并结合本团队自行设计构建的高精度微束激光加工平台,成功研发出Bi2Te3合金薄膜微型制冷器,热电对厚度为~25 μm,最小面内尺寸~200×200 μm,微区制冷通量可达~40 W/cm2。该器件在微系统热管理领域具有非常广泛的应用前景,如CPU芯片定点散热、微型激光二极管控温等。该项工作实现了国内在热电薄膜微型制冷器制备加工领域的技术突破,荣获2017年中国材料大会“热电材料与器件分会优秀墙展奖”,申请发明专利1项(201611219897.2),授权2项(201620007645.2;201621438993.1)。

  该团队首次采用非平衡磁控溅射技术,以纤维素纸为基体,制备具有微米至纳米多尺度孔隙结构的碲化铋复合热电薄膜材料,如下图所示。

图 多尺度孔隙结构设计示意图和纤维素/Bi2Te3复合柔性热电材料SEM结构表征

  研究表明,由于非平衡磁控溅射技术特点,碲化铋薄膜与纤维素界面结合紧密,沉积的名义厚度可达数十微米,能有效降低薄膜器件的内阻,提高热电转换的输出效率;纤维素/Bi2Te3独特的网络结构、多尺度孔隙结构和Bi2Te3薄膜尺度效应等赋予纤维素/Bi2Te3复合材料表现出良好的弯曲柔性;复合热电薄膜中的多尺度孔隙结构能有效散射声子降低热导率值,使其接近于Bi2Te3理论最低热导率;Bi2Te3薄膜表面存在本征的氧化层,当载流子在相邻纤维素表面Bi2Te3薄膜间传输时,界面处的氧化层可散射过滤低能载流子,明显提高Seebeck系数。因此,纤维素/Bi2Te3复合材料室温至473K的热电性能ZT值可达0.24~0.38,并有望通过载流子浓度优化而进一步提升。利用高精度微束激光平台,对该复合柔性热电材料进行裁剪和器件集成,演示验证基于该复合材料的柔性热电“发电机”。该项工作为探索高性能新型柔性热电材料提供了新的思路和解决方案,为柔性热电器件的实用化发展开辟了崭新的方向(Acs Applied Materials & Interfaces, DOI: 10.1021/acsami.7b16356;专利:201610004807.1、201710981432.9、201721353567.2)。

  上述工作得到了国家自然科学青年基金、面上基金和中科院“百人计划”等项目的支持。

图 纤维素/Bi2Te3复合材料热电性能(a-d)及柔性弯曲性能表征

图 XPS分析多尺度孔隙碲化铋复合材料以及3D纳米X射线成像分析复合薄膜材料以及界面能垒过滤低能载流子效应示意图

图 复合柔性热电材料原位弯曲电学性能测试及利用人体体温与环境温差形成的热电压

图 柔性热电“发电机”器件结构设计示意图及回收废热发电演示验证



以上分享内容出自公益目的选编自网络


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