滚球体育APP

官方微信 English

学术新闻

首页 >> 首页栏目-学术活动 >> 学术新闻 >> 正文

【学术】杨维清教授团队在国际著名期刊Adv. Funct. Mater., Nano Energy和Small连发三篇高质量论文

作者:杨维清团队     审核:黄德明    日期:2020年02月21日 15:03   点击数:  


【写在文前】

心想万象复始本不过是世间常态之美好,然而这个春节,空城,寂静的街道,还有很多张脸庞,我们也成了时代见证者,也许有部分朋友更是成了同行者,犹记某日新闻一位医生背后左侧是非典旧衣,右肩成了新冠病毒。里尔克在安魂曲说过,哪有什么胜利可言?挺住意味着一切。滚动的消息和母亲隔着门的叮咛;各地的车辆、蔬菜和盒饭;绿色的帽檐三层起手套下皲裂的那双手和医护们捐献的血浆,人类命运共同体背后是一个个鲜活的生命对他人的感同身受,我想可能凭借于此,一切会得到治愈,也寄希望记住这些脸庞。若小小地谈及自身,认真对待并珍惜自己的生活和工作,望与诸君共勉。对生态有了更深认知的新年,鲜有烟花爆竹声仍融融而来。

---吴琰白


(一)Advanced Functional Materials:多维感知--MXene基柔性多功能微力传感器

MXene是一种新型的二维材料,它是由过渡族金属形成的碳氮化物。它是通过利用HF刻蚀掉前驱体材料MAX中的金属“A”,形成MXene材料。刻蚀过后的MXene呈现一种手风琴状的层片状结构,同时具有良好的导电性。在压力作用下,MXene层片状的间距发生变化使得材料本身电导率也发生变化,这种特性使得其成为一种优异的压阻敏感性材料。

在滚球体育APP杨维清教授、青年教师邓维礼以及土木学院方勇教授的指导下,课题组学生高育育和闫成(共同一作)利用这种MXene材料以及微结构限域效应的设计,研制了一种具有多功能检测能力的微力传感器。研究结果表明,在外力作用下,MXene内部的层片间距以及MXene颗粒之间的间距都会产生相应的压缩,这种相互之间的挤压使得MXene材料构成敏感层的电导率产生改变,从而使其电阻值随之发生变化。为进一步提升MXene在压力下的形变空间,研究者利用微沟道结构的限域作用,使得MXene在器件中的分布形成了三维立体堆叠结构。实验证明在这种可压缩材料和沟道限域效应的协同作用下,器件的检测灵敏度可达99.5 kPa-1,最低可以实现9 Pa超低压强的检测,同时具有极短的响应时间(4 ms,并且在10000周的循环寿命测试后,压力检测性能几乎没有衰减。此外,该传感器能够实现对人体脉搏,喉咙微动,物体加速度甚至声音信号的检测,展示了该传感器的超高灵敏度。这种单结构的设计思路够在实现多功能检测的同时有效的降低传感元件在电子器件中的体积占比,为未来传感器的开发提供了一种新的思路。相关研究成果已发表在Wiley旗下期刊Advanced Functional Materials10.1002/adfm.2019096032020)(影响因子:15.621)。


2 器件实现多功能检测

文章链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201909603


(二)Nano Energy:竹蜻蜓让纳米发电机“飞”起来

高效的能量收集设备吸引了广泛的研究目光,旨在在可预见的将来为分布式电子设备、个性化医疗保健和人工智能提供可持续且普及的能量解决方案。与传统的电源设备(例如电池)相比,具有可持续和可再生特性的人体机械式能量采集器已被越来越多地视为物联网时代分布式电子设备的理想能源解决方案。在过去的几十年中,以压电、电磁和摩擦电效应为基础的各种能源技术被出色地应用到了将环境机械能转化为电能的过程中。其中最有效的两种方法是:基于法拉第电磁感应定律的电磁发电机(EMG)和根据麦克斯韦位移电流推导的摩擦纳米发电机(TENG)。一方面,人体侧的大部分机械运动都在低频范围内,且与人体相关的生物力学运动通常是线性运动,这对EMGTENG进行高效机械能收集都构成了挑战。另一方面,由于TENGEMG固有的工作原理,他们都更适用于转换旋转运动进而产生电能。因此,如何通过TENGEMG实现低频线性生物力学运动能量的有效转换,仍然是个挑战。

在西南交通大学杨维清教授、青年老师邓维礼以及加州大学洛杉矶分校陈俊教授的指导下,课题组学生闫成和高育育(共同第一作者)报道了一种可以实现从线性运动到旋转运动转换的杂化式纳米发电机(LRH-NG),它可以从低频人体生物力学运动中收集电能,作为可持续的动力为个性化医疗保健电子设备供能。通过合理的设计,LRH-NG首先可以将人体的线性生物力学运动转换为旋转运动,并有效地发电,为集成了无线温度传感器和湿度传感器的人体局域网络提供动力,以进行连续的生理信号监测。该研究为物联网时代分布式电子设备有效利用低频人体生物力学运动提供了新的途径。该工作于近期以题为“A Linear-to-Rotary Hybrid Nanogenerator for High-Performance Wearable Biomechanical Energy Harvesting”发表在国际著名期刊Nano Energy, 67 1042352020影响因子:15.548)。


文章链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104235


(三)Small:梵高的微观星空:从碳量子点的自组织走向压电聚合物杂化发光材料的有序构筑

自组织和自组装是自然界存在的普遍现象,被认为是一种终极的合成化学,推动了宇宙中复杂物质的形成和进化,从分子到生命,再到思维有机体。特别是,自组织和自组装过程在自发构建高度有序的功能材料体系中起着至关重要的作用。其中,纳米无机物在有机聚合物中的自组织过程可形成新颖的精细杂化结构,并赋予杂化材料以新功能,已引起材料学界的极大兴趣。然而,在现有的材料成分/结构/能量组合条件下,如何在微纳尺度上可控原位构筑高度复杂有序的自组织杂化光电结构,仍然是多功能无机-聚合物杂化光电材料在设计/制备中所面临的巨大挑战。另外,聚合物压电纳米发电机在捕获可变振幅/频率的动态机械能方面已显示出明显优势。目前,该领域研究重点主要集中在两个方面:提高压电材料的机电转换效率/稳定性,以及开发用于多重自适应电子学/光电子学的多功能杂化压电材料。  

   滚球体育APP杨维清教授和吕军教授提出了一种全固态顺序自组织/自组装策略,用于原位构筑具有超高和超稳定压电响应且呈现多色荧光发射特性的复杂有序有机无机杂化材料。他们利用压电共聚物(PVDF-TrFE)作为碳量子点(CQDs)客体的主体基质材料,在高压下相继连续实现了CQDs客体在固相PVDF-TrFE基质中的自组织以及自组织CQDs结构诱导的PVDF-TrFE主体自组装。复合材料体系中自发形成了大量由热力学稳定的、阵列状态的极性聚合物晶体纳米线构筑而成的微米尺度、微纳分级、多边形CQDs/PVDF-TrFE杂化结构。该类材料具有典型的激发波长依赖的发光行为,随光激发波长的变化,依次表现出从蓝色、绿色和黄色到红色的荧光颜色。无需特殊的高电压极化处理,该类材料即可通过大规模群体协作新机制,从工作环境中捕获不同频率的动态机械能,并将其高效率地转换为电能,电压输出密度可达到29.6伏特/平方厘米。此外,基于高压结晶CQDs/PVDF-TrFE材料组装而成的压电纳米发电机(PNG),在驱动商用发光二极管(LEDs)的应用中表现出持久稳定的机电转换性能,经过连续10000次工作循环未观察到压电输出信号的衰减和波动。该工作发表在SmallDOI:10.1002/smll.201905703, 2020影响因子:10.856


文章链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201905703


团队介绍:

  杨维清,滚球体育APP教授/博导,四川省第十二届政协委员,四川省杰出青年,20072011年分别获得四川大学硕士和博士学位,2011-2014年先后在电子科技大学和美国佐治亚理工学院从事博士后, 20144月引进到滚球体育APP教授博导,主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。近年来,在Adv. Mater.IF: 25.809, ACS Nano (IF: 13.903),Nano Lett.IF12.279, Adv. Funct. Mater. (IF: 15.621) 等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计150余篇,其中影响因子IF>10论文31篇,ESI高被引论文11篇,引用4900余次(Google Scholar)。主持国家自然基金、四川省杰出青年基金项目、教育部留学回国人员启动基金项目等多 项省部级项目,担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家。申请专利40(已授权18余项)。所做的工作被美国知名网站美国国家自然基金委(NSF)NewscientistCCTV等近20家媒体专题报道,受到法国路透社,中国科学网、中国储能 网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。也是Newscientists(科技媒体世界排名第一,见百度)首次报道西南交通大学的科研工作。相关科研成果在北京科技展和中关村科技展上,受到国务院副总理刘延东、中科院院 长白春礼院士和中科院北京分院院长何岩院士的高度评价,受邀参加中国国际广播电台名人坊节目专访。

课题组网站:https://faculty.swjtu.edu.cn/yangweiqing/zh_CN/index.htm






 

【学术】杨维清教授团队在国际著名期刊Adv. Funct. Mater., Nano Energy和Small连发三篇高质量论文

2020年02月21日 15:03 1286次浏览


【写在文前】

心想万象复始本不过是世间常态之美好,然而这个春节,空城,寂静的街道,还有很多张脸庞,我们也成了时代见证者,也许有部分朋友更是成了同行者,犹记某日新闻一位医生背后左侧是非典旧衣,右肩成了新冠病毒。里尔克在安魂曲说过,哪有什么胜利可言?挺住意味着一切。滚动的消息和母亲隔着门的叮咛;各地的车辆、蔬菜和盒饭;绿色的帽檐三层起手套下皲裂的那双手和医护们捐献的血浆,人类命运共同体背后是一个个鲜活的生命对他人的感同身受,我想可能凭借于此,一切会得到治愈,也寄希望记住这些脸庞。若小小地谈及自身,认真对待并珍惜自己的生活和工作,望与诸君共勉。对生态有了更深认知的新年,鲜有烟花爆竹声仍融融而来。

---吴琰白


(一)Advanced Functional Materials:多维感知--MXene基柔性多功能微力传感器

MXene是一种新型的二维材料,它是由过渡族金属形成的碳氮化物。它是通过利用HF刻蚀掉前驱体材料MAX中的金属“A”,形成MXene材料。刻蚀过后的MXene呈现一种手风琴状的层片状结构,同时具有良好的导电性。在压力作用下,MXene层片状的间距发生变化使得材料本身电导率也发生变化,这种特性使得其成为一种优异的压阻敏感性材料。

在滚球体育APP杨维清教授、青年教师邓维礼以及土木学院方勇教授的指导下,课题组学生高育育和闫成(共同一作)利用这种MXene材料以及微结构限域效应的设计,研制了一种具有多功能检测能力的微力传感器。研究结果表明,在外力作用下,MXene内部的层片间距以及MXene颗粒之间的间距都会产生相应的压缩,这种相互之间的挤压使得MXene材料构成敏感层的电导率产生改变,从而使其电阻值随之发生变化。为进一步提升MXene在压力下的形变空间,研究者利用微沟道结构的限域作用,使得MXene在器件中的分布形成了三维立体堆叠结构。实验证明在这种可压缩材料和沟道限域效应的协同作用下,器件的检测灵敏度可达99.5 kPa-1,最低可以实现9 Pa超低压强的检测,同时具有极短的响应时间(4 ms,并且在10000周的循环寿命测试后,压力检测性能几乎没有衰减。此外,该传感器能够实现对人体脉搏,喉咙微动,物体加速度甚至声音信号的检测,展示了该传感器的超高灵敏度。这种单结构的设计思路够在实现多功能检测的同时有效的降低传感元件在电子器件中的体积占比,为未来传感器的开发提供了一种新的思路。相关研究成果已发表在Wiley旗下期刊Advanced Functional Materials10.1002/adfm.2019096032020)(影响因子:15.621)。


2 器件实现多功能检测

文章链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201909603


(二)Nano Energy:竹蜻蜓让纳米发电机“飞”起来

高效的能量收集设备吸引了广泛的研究目光,旨在在可预见的将来为分布式电子设备、个性化医疗保健和人工智能提供可持续且普及的能量解决方案。与传统的电源设备(例如电池)相比,具有可持续和可再生特性的人体机械式能量采集器已被越来越多地视为物联网时代分布式电子设备的理想能源解决方案。在过去的几十年中,以压电、电磁和摩擦电效应为基础的各种能源技术被出色地应用到了将环境机械能转化为电能的过程中。其中最有效的两种方法是:基于法拉第电磁感应定律的电磁发电机(EMG)和根据麦克斯韦位移电流推导的摩擦纳米发电机(TENG)。一方面,人体侧的大部分机械运动都在低频范围内,且与人体相关的生物力学运动通常是线性运动,这对EMGTENG进行高效机械能收集都构成了挑战。另一方面,由于TENGEMG固有的工作原理,他们都更适用于转换旋转运动进而产生电能。因此,如何通过TENGEMG实现低频线性生物力学运动能量的有效转换,仍然是个挑战。

在西南交通大学杨维清教授、青年老师邓维礼以及加州大学洛杉矶分校陈俊教授的指导下,课题组学生闫成和高育育(共同第一作者)报道了一种可以实现从线性运动到旋转运动转换的杂化式纳米发电机(LRH-NG),它可以从低频人体生物力学运动中收集电能,作为可持续的动力为个性化医疗保健电子设备供能。通过合理的设计,LRH-NG首先可以将人体的线性生物力学运动转换为旋转运动,并有效地发电,为集成了无线温度传感器和湿度传感器的人体局域网络提供动力,以进行连续的生理信号监测。该研究为物联网时代分布式电子设备有效利用低频人体生物力学运动提供了新的途径。该工作于近期以题为“A Linear-to-Rotary Hybrid Nanogenerator for High-Performance Wearable Biomechanical Energy Harvesting”发表在国际著名期刊Nano Energy, 67 1042352020影响因子:15.548)。


文章链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104235


(三)Small:梵高的微观星空:从碳量子点的自组织走向压电聚合物杂化发光材料的有序构筑

自组织和自组装是自然界存在的普遍现象,被认为是一种终极的合成化学,推动了宇宙中复杂物质的形成和进化,从分子到生命,再到思维有机体。特别是,自组织和自组装过程在自发构建高度有序的功能材料体系中起着至关重要的作用。其中,纳米无机物在有机聚合物中的自组织过程可形成新颖的精细杂化结构,并赋予杂化材料以新功能,已引起材料学界的极大兴趣。然而,在现有的材料成分/结构/能量组合条件下,如何在微纳尺度上可控原位构筑高度复杂有序的自组织杂化光电结构,仍然是多功能无机-聚合物杂化光电材料在设计/制备中所面临的巨大挑战。另外,聚合物压电纳米发电机在捕获可变振幅/频率的动态机械能方面已显示出明显优势。目前,该领域研究重点主要集中在两个方面:提高压电材料的机电转换效率/稳定性,以及开发用于多重自适应电子学/光电子学的多功能杂化压电材料。  

   滚球体育APP杨维清教授和吕军教授提出了一种全固态顺序自组织/自组装策略,用于原位构筑具有超高和超稳定压电响应且呈现多色荧光发射特性的复杂有序有机无机杂化材料。他们利用压电共聚物(PVDF-TrFE)作为碳量子点(CQDs)客体的主体基质材料,在高压下相继连续实现了CQDs客体在固相PVDF-TrFE基质中的自组织以及自组织CQDs结构诱导的PVDF-TrFE主体自组装。复合材料体系中自发形成了大量由热力学稳定的、阵列状态的极性聚合物晶体纳米线构筑而成的微米尺度、微纳分级、多边形CQDs/PVDF-TrFE杂化结构。该类材料具有典型的激发波长依赖的发光行为,随光激发波长的变化,依次表现出从蓝色、绿色和黄色到红色的荧光颜色。无需特殊的高电压极化处理,该类材料即可通过大规模群体协作新机制,从工作环境中捕获不同频率的动态机械能,并将其高效率地转换为电能,电压输出密度可达到29.6伏特/平方厘米。此外,基于高压结晶CQDs/PVDF-TrFE材料组装而成的压电纳米发电机(PNG),在驱动商用发光二极管(LEDs)的应用中表现出持久稳定的机电转换性能,经过连续10000次工作循环未观察到压电输出信号的衰减和波动。该工作发表在SmallDOI:10.1002/smll.201905703, 2020影响因子:10.856


文章链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201905703


团队介绍:

  杨维清,滚球体育APP教授/博导,四川省第十二届政协委员,四川省杰出青年,20072011年分别获得四川大学硕士和博士学位,2011-2014年先后在电子科技大学和美国佐治亚理工学院从事博士后, 20144月引进到滚球体育APP教授博导,主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。近年来,在Adv. Mater.IF: 25.809, ACS Nano (IF: 13.903),Nano Lett.IF12.279, Adv. Funct. Mater. (IF: 15.621) 等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计150余篇,其中影响因子IF>10论文31篇,ESI高被引论文11篇,引用4900余次(Google Scholar)。主持国家自然基金、四川省杰出青年基金项目、教育部留学回国人员启动基金项目等多 项省部级项目,担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家。申请专利40(已授权18余项)。所做的工作被美国知名网站美国国家自然基金委(NSF)NewscientistCCTV等近20家媒体专题报道,受到法国路透社,中国科学网、中国储能 网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。也是Newscientists(科技媒体世界排名第一,见百度)首次报道西南交通大学的科研工作。相关科研成果在北京科技展和中关村科技展上,受到国务院副总理刘延东、中科院院 长白春礼院士和中科院北京分院院长何岩院士的高度评价,受邀参加中国国际广播电台名人坊节目专访。

课题组网站:https://faculty.swjtu.edu.cn/yangweiqing/zh_CN/index.htm