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【澳门微尼斯人娱乐】西电先进材料与纳米科技

发布时间:2019-07-11 11:42编辑:化学科学浏览(59)

    姚建年

    4月28日,西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院携手Wiley国际出版集团举办材料学高峰论坛暨2016研究生年学术年会系列学术报告。此次学术年会旨在为研究生提供一个高层次、多领域、国际化的学术交流平台,着力提升研究生教育质量。

    (中国科学院院士、国家自然科学基金委员会副主任、中国化学会秘书长)

    4月28日上午,西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院马晓华教授以《新型氮化镓材料生长及器件工艺》为题拉开了本次学术年会的序幕。马晓华介绍到,氮化镓半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强等独特的特性,在光电子器件和高温、高频大功率电子等微电子器件领域,尤其是发光材料领域有巨大的应用价值。现今对GaN的研究都集中在以异质材料(如Al2O3、SiC、Si等)为衬底的外延生长薄膜上。他首先介绍了GaN双异质结器件优异的高温特性和纳米沟道器件在数字增强器件领域的重大意义,进一步提出通过将GaN薄膜转移至金刚石衬底可有效地解决GaN器件的热导问题,增强器件的可靠性,同时提高器件本身的功率密度。此外,马晓华教授的研究团队也针对其他新型二维材料的生长和器件制备开展了一定的研究工作。

    化学是一门在分子和原子水平上研究物质的性质、组成、结构、变化、制备及其应用,以及物质间相互作用关系的科学。作为一门极其重要的基础学科,化学与人类的衣食住行以及能源、信息、材料、国防、环境、医药等方面都有密切联系,在社会与经济发展以及人类生活质量的不断改善和提高中,都起着不可或缺的重要作用。举例来说,在神七飞天中,除了火箭推进剂材料、飞船的耐烧蚀蜂窝材料、密封胶粘剂等一大批结构材料外,航天员的舱外服和在舱外活动中取回的由我国自行研制的固体润滑剂样品等;又如奥运场馆水立方的充气外墙等新型建筑材料、游泳运动员穿的新一代鲨鱼皮泳衣等新型运动服装材料等,都饱含着化学工作者的重大贡献。过去和现在,化学一直是各国特别是发达国家科学研究中最受重视也是产生影响最大的学科领域之一。在特别强调坚持科学发展、可持续发展的今天,对于实现低能耗、低排放、资源再生、循环和综合利用、开发新型能源和绿色制品等一系列目标来说,化学的贡献都将得到更加极致的体现。

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    我国化学学科取得的进展

    西安电子科技大学教授 马晓华

    概述

    特拉华大学/西北工业大学魏秉庆教授作了题为《纳米碳材料在储能领域的应用》的报告。魏秉庆以水的储存为例,引出了利用电化学实现电能储存的研究理念。他从材料结构的设计理念和合成方法出发,结合自己课题组现阶段的研究进展,着重介绍了其研究团队在柔性超级电容器领域的研究工作,提出了具有优异机械性能和导电性碳纳米管薄膜的制备方法,系统阐述了这种柔性、可加工、自支撑的碳纳米管薄膜在超级电容器电极方面的应用,为大家展示了柔性、可伸缩电能存储器件广阔的应用前景。最后,魏秉庆教授对未来碳材料在储能领域的发展和应用进行了展望。

    在坚决贯彻科学发展观、落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020》的过程中,我国的化学学科取得了丰硕成果,基础研究更扎实、深入,更注重可持续发展,原创性成果不断涌现,学术交流更广泛,学术论文的数量和质量明显提升。

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    一是一批与化学相关的科研成果和化学科研工作者获得奖励。闵恩泽院士因其在石油炼制催化领域的杰出贡献获2007年国家最高科学技术奖;徐光宪院士因其在化学和稀土领域的杰出贡献获2008年国家最高科学技术奖。

    特拉华大学/西北工业大学教授 魏秉庆

    二是学术交流更加广泛、深入。在中国化学会和相关方面的组织和推动下,一年来共举办了50余次全国性学术会议,尤其是2008年中国化学会组织的学术年会,会议内容覆盖了当今化学科学的几乎所有分支与热点,并引起国际化学界的巨大兴趣与关注,诸多国际知名化学家在年会上作学术报告,美、英、德、日等国的化学会也都派学会领导或代表与会。这些学术会议的举办有力地推动了我国化学工作者的国内、国际交流。

    兰州大学秦勇教授作了题为《弹性纳米发电机》的报告。他从野外使用的无源传感器的电源供给问题出发,提出了利用周围环境收集能量,进而转化为电能的纳米发电机的研究工作。他介绍到,由于ZnO纳米线具有压电效应,当利用原子力显微镜探针针尖去弯曲竖直生长的ZnO纳米线时,在其内部和外部将分别产生压缩和拉伸,这种独特结构可在纳米尺度上实现机械能和电能的相互转化,这也是压电纳米发电机的基本工作原理。在此基础上,他详细讲述了他的科研团队在该领域针对纤维基纳米发电机、交流纳米发电机、集成化纳米发电机、非接触纳米发电机以及生物相容纳米发电机等的相关研究工作。

    三是学术论文数量明显增加、质量不断提高。内地科学家发表的化学方面的论文总数目前仅次于美国,居世界第二;同时论文的质量有了明显提高,在高影响因子的国际期刊上发表的论文数量和论文的总被引频次都大幅增长,增长的幅度与速度都远远超过论文数量的增幅。但是,篇均引频次还比较低,表明属于原创性的和国际前沿的热点领域的论文还不多,需要从跟踪、积累和扩展研究向源头创新推进、提升。

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    近两年来我国化学学科取得的主要进展

    兰州大学教授 秦勇

    1.一些新兴与交叉学科,如纳米科学,与生命现象相关的化学研究以及软物质科学等快速发展。

    西北大学吴彪教授作了题为《阴离子配位与超分子组装》的报告。吴彪详细介绍了阴离子配位化学的结构特点以及其在超分子化学、环境科学及生命科学等领域中发挥的重要作用,并重点从多脲配体的阴离子识别、基于阴离子的超分子组装和阴离子超分子结构的应用等角度,细致地介绍了其研究团队多年来在该领域中所开展的科研工作。他指出,随着对阴离子性质认识的逐步深入,阴离子和阳离子同样遵循某些配位化学规律,如存在着特定的配位几何构型和配位数等。然而,阴离子相对于阳离子有着更复杂的化学本质,研究其配位化学面临着更大的挑战。吴彪教授的研究团队基于阴离子结构的特性,通过合理地组合脲单元获得系列多脲阴离子配体,表现出良好的阴离子配位性能。

    在纳米科学领域,实现了碳纳米管及其阵列的可控制备,发展了部分应用。证明了争议已久的氧化石墨烯的化学结构,制备了基于石墨烯的体相异质结有机光伏电池和超分子导电膜。

    香港理工大学柴扬博士作了题为《多功能钙钛矿光致变色超级电容器研究》的报告。柴扬首先介绍了光致变色电池和电容器在建筑和汽车自驱动智能窗领域的广阔应用前景,提出这种在较宽波长范围内具有可调控的光吸收率和自动变色能力的光致变色器件是未来能够改变人们生活的新型智能器件。他指出,有机铅卤化钙钛矿太阳能电池的高光吸收系数能够同时满足轻薄和半透明光伏器件的植被需求。柴扬博士的研究团队将钙钛矿太阳能电池、MoO3/Au/MoO3透明电极和电致变色超级电容器在垂直方向上集成,设计出了具有共正极和共负极的光致变色超级电容器,这种新型的超级电容器可实时地指示器件储存和消耗能量的大小,并且具有较高的光稳定性。

    发展了多种新方法,实现了单分散的有机小分子单晶纳米结构及特定形貌和三维自组装超结构的可控制备,并在大面积有序生长纳米尺度功能有机材料方面取得进展。得到了羧基功能化的氮化硼纳米管,发展出了一种对BN纳米管进行碳掺杂的新方法。制备出具有周期性孪晶结构的SiC纳米线,具有特殊的光发射特征和化学稳定性。提出了一种碱腐蚀机制,适用于过渡金属氧化物空心球结构的制备,制备出氧化物空心笼状纳米结构。实现了有机/无机半导体p-n结纳米线的可控构筑,制备了带隙宽度组分可调的ZnSxSe1-x合金纳米线。制备出有序介孔碳单晶材料颗粒、有序介孔C/SiO2复合陶瓷材料和特殊的双模介孔材料。制备出纳米尺度的一维链状Cu@PVA导线结构、具有光控二极管效应的聚吡咯-CdS异质结纳米线和具有双功能的Ni/Ni3C核壳结构纳米链。实现了浸润性光、热和电可控的固体表面的制备。研制成功了纳米光子学超精细加工系统,可实现纳米尺度的加工分辨率。

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    在与生命现象相关的化学研究中,生物合成基因簇中部分基因功能的研究及金属离子对某些重要生命过程的调控作用方面是研究的重点,同时在生命过程机制及其应用和相关的研究方法上也取得了较大进展。实现了ATP的生物合成,并借助中空蛋白胶囊内部,实现外缘物质的胞内输送。发展了分子和超分子聚合物有序结构的近程和远程控制原理及功能化,合成了一系列含有偶数喹啉酰胺结构单元的具有螺旋结构的喹啉酰胺寡聚物,自组装成为单、双螺旋和四螺旋超分子体系。模拟了具有重要生理作用和临床研究意义的烟碱乙酰胆碱受体在细胞膜中的动力学行为,发展出一套描述金属离子与蛋白质相互作用的理论模型。发展出一种基于生物靶分子特异性识别和核磁共振梯度场扩散序谱技术的方法,使天然植物中抗肿瘤活性成分快速筛选和结构鉴定成为可能。建立了人类口服生物利用度数据库和人类肠吸收数据库,开发了基于活性化合物三维结构寻找潜在结合靶标的反向分子对接方法和基于互联网的应用平台。

    香港理工大学 柴扬博士

    在软物质研究领域,超分子自组装及相关的组装规律、组装结构、组装调控和组装驱动力等,主客体分子识别、手性超分子以及功能胶体软物质分子聚集体方面的研究取得了一系列进展。

    陕西师范大学房喻教授作了题为《荧光传感薄膜及其器件化研究》的报告。房喻介绍了基于化学单层组装修饰荧光小分子制备荧光传感薄膜的方法。该方法所制得的薄膜传感器具有稳定性高、可重复使用、不污染待测体系、易于器件化等优点。他详细说明了通过改变基质、长度、极性等微调节方法,设计并制备出的二十余种薄膜传感器,实现对各类有害化学物质的检测。近几年来,房喻教授的研究团队又将这一薄膜制备的理念拓展到对共轭荧光高分子及其寡聚物的表面化学修饰领域,所制备的高分子薄膜传感器对硝基芳烃类爆炸物、苦味酸、甲醛等实现了高灵敏、高选择性的检测。此外,这项工作在器件化方面也取得了长足进展,以该薄膜传感器为核心部件的高灵敏便携式爆炸物检测仪已研制成功并实现了商业化生产。房喻教授用大量实例生动阐述了所带领团队近年来在荧光传感薄膜以及器件化方面的研究成果。

    2.新理论、新技术、新装备和新方法上不断探索前进。

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    提出了诸多新的理论和计算方法,例如含转动效应的无辐射跃迁理论、轨道分解法等。开发了多项新实验技术,并研制成功一批具有自主知识产权的新仪器设备,如交叉分子束离子速度成像仪、精密自动绝热量热装置等。在新方法的探索上也取得了一些具有较好原创性的成果,如提出了在熔盐中电解固态氧化物直接电化学还原制备重稀土金属的新方法,以及双氧水直接氧化丙烯制环氧丙烷新技术等。在色谱研究的新方法、新技术和新系统上,在多维色谱仪器、新型色谱填料和色谱柱、样品前处理方法等方面得到了迅猛发展。开发了包括搅拌棒吸附萃取技术在内的微型化处理技术、亲和色谱在内的选择性预处理技术、在线联用的柱上堆积富集技术等。针对复杂样品的分离分析,构建了全二维气相色谱、多维液相色谱、多维毛细管电泳等多维分离系统,有效提高了样品的分辨率。

    陕西师范大学教授 房喻

    3.新材料和元器件上有所突破。

    西安交通大学单智伟教授作了题为《微纳尺度材料的结构与性能》的报告。单志伟谈到,纳米科技的蓬勃发展带来了很多极富应用前景的新技术概念,如纳米探测器、纳米发电机以及纳米导线等。微纳尺度(10nm-10µm)作为连接宏观连续介质力学和量子力学的桥梁,也是材料各项性能发生剧烈改变的尺度区间。这个领域是目前科学研究的热点领域,不断地涌现出突破性的成果。单志伟教授的科研团队系统、定量地研究了微纳尺度结构材料的变形特性和相关机理,分析了这些特性对纳米器件的设计、优化及可靠使用的影响机制,提出了微纳尺度下“力致退火”、“力致愈合”以及“弹性应变工程”的概念。另外,他以ZnO纳米线为例,通过透射电镜原位形变的系列研究工作,证实了纳米材料的形貌特征与其表现出来的力学特性有着非常紧密的联系。

    在新能源的开发上,太阳能电池、锂离子电池、燃料电池、超级电容器、全钒液流储能电池等受到关注。开发出了一系列性能优异的染料敏化太阳能电池,光电转化效率最高达9%;提出了一种基于薄液层氧化还原对的新型超级电容器;成功研制出国内规模最大的第一代100kW级全钒液流储能电池系统。

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    有机场效应管方面,制备了并五苯OFET,实现了在单个器件中起始栅极电压对器件阈值电压的调控,首次用低聚TTF化合物为活性层制备OFET器件,使微纳晶场效应管迁移率显著提高。有机发光材料及器件方面,高分子发光材料体系、界面修饰材料体系和新型发光器件等取得了一系列研究成果。获得了目前发光效率最高的白光高分子单层器件;制备了可发红、橙、黄、绿四色光的QD-LED器件。

    西安交通大学教授 单智伟

    在生物医用高分子及生物传感方面,合成得到了高载药量聚乳酸蛋白质复合物和用于骨修复的纳米粒子增强脂肪族聚酯复合材料等;构建了阳离子聚芴/DNA等阳离子聚合物/生物分子自组装体系,实现了DNA甲基化转移酶的高灵敏度检测和葡萄糖磷酸化及单链DNA水解的无标记、肉眼可视的传感检测。

    兰州大学张浩力教授作了题为《双极性有机半导体材料的设计与器件应用》 的报告。张浩力将传统的无极半导体材料与有机半导体材料进行比较,发现双极性有机半导体同时具有电子和空穴传输能力,在有机发光场效应方面领域具有巨大的应用前景。他介绍了研究团队基于氮杂并五苯和低聚噻吩框架的在双极性半导体材料的合成以及器件性能方面的研究工作,发现分子堆积形式不同可以决定材料表现出双极性或单极性传输性质的现象。基于这个研究结果,他们开发了基团修饰的氮杂并五苯有机场效应晶体管,其具有很高的空穴和电子迁移率,同时利用低成本的电极如银、铜来取代常用的金电极制备得到的低成本有机反相器具有很高的增益和噪声容限。最后张教授还介绍了以上器件在热、电以及微量气氛条件下变形特性的初步研究结果,提出了该类器件的应用领域。

    此外,还设计了一系列新型给体受体分子,实现了分子荧光开关、分子逻辑器件和分子内电子转移可逆调控。制备出表面光学、电学性质及浸润性可多重调控的聚合物光子晶体。

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    4.环境和绿色研究日益受到重视。

    兰州大学教授 张浩力

    环境化学方面,新型化学污染物的环境问题、常见污染物的环境问题、污染物环境界面化学、复合污染、污染物毒性检测等成为研究重点,初步建立了各种水源中多种常见全氟化合物的液相色谱串联质谱分析方法;绿色化学方面,重点放在了超临界流体、离子液体的应用上,开发出一种以离子液体为极性微环境的超临界CO2微乳液,其胶束结构和性质可通过CO2及离子液体的结构进行调节,使得该类微乳液在实际应用中具有非常明显的优势。

    西安建筑科技大学云斯宁教授作了题为《过渡金属化合物催化剂在染料敏化太阳能电池中的应用》的报告。云斯宁以如何有效地开发和利用可再生清洁能源作为研究的切入点,介绍了染料敏化太阳能电池近年来的发展现状。他指出,对电极的制备工艺将直接影响电池的发展和应用,开发低成本、高性能的新型电极材料是实现高效率DSSC的一个重要前提。云教授在报告中提到,具有可媲美传统Pt催化剂性能的过渡金属氧化物具有成本低、制备方法多样化的特点,是目前DSSC对电极领域研究的热点。云斯宁教授的研究团队针对过渡金属氧化物催化剂的制备及其在厌氧技术和染料敏化电池中的应用进行了系统的研究工作,深入的开发了该类化合物在催化剂领域的应用潜力。

    1. 传统学科知识不断积淀深化并产生新的研究热点。

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    在物理化学研究方面,催化机理研究不断深入,新的催化反应与催化剂不断产生。在电化学方法、生物电化学、有机电化学上不断创新,提出了研究不稳定体系电催化的流体动力学理论方法,制备出复合双极膜用于电有机合成反应。在无机化学研究方面,基于过渡金属配合物的分子磁体、分子固体及其相关的研究成为新的研究热点。在有机化学研究方面,有机反应依然是最为活跃的研究领域。在天然产物的合成上,则实现了一些环肽、三萜类糖苷、生物碱等的首次全合成,同时发现了多种新的天然产物。在高分子研究方面,聚合反应机理和新的聚合方法和聚合物合成取得了一系列进展,观察到线团紧密小球转变的两级动力学,建立了描述分散相形变、破裂、凝聚等的流变学本构模型。此外,在导电高分子和生物高分子的研究上,实现了导电聚苯胺纳米材料的可控制备,并首次制备了含DNA的非交联、稳定多孔聚电解质复合物膜。在化学信息学研究方面,化学计量学方法与应用研究处于国际前沿,发展了多种新的化学计量学方法,如交替移动窗口因子分析等,可方便地对不同样本的共有化合物进行比较分析。

    西安建筑科技大学教授 云斯宁

    6.面向国家、社会重大需求和面向应用取得一系列成果。

    西安交通大学徐峰教授作了题为《基于水凝胶材料的细胞微环境工程及其生物医学应用》的报告。徐峰首先介绍了其研究团队的基本情况,然后提出依托组织工程以及自创的细胞打印等相关前沿生物技术,可将快速成型技术和生物制造技术的有机结合,实现在三维尺度微米量级精确控制不同种类的细胞,解决生物医学工程的基础性研究及临床医学治疗方案的设计和优化。他详细地为大家展示了基于水凝胶材料的微尺度凝胶结构,并将细胞包裹于微凝胶中在体外培养形成微尺度的细胞——凝胶“生物砖”,再通过磁力、声波、静电力等多种物理方式将细胞凝胶“生物砖”精确地组装成各种复杂结构的微组织,揭示了组装过程中物理刺激因子对最终微组织结构及性能的影响规律,并将单一及多种细胞进行生物学表征,用于组织工程和再生医学。同时该微凝胶体系还可用于在体外构建三维细胞力学微环境。

    例如,我国自行研制的航天飞行器用固体润滑材料已在神舟七号飞船上得到实际应用。此外还包括具有自主知识产权的世界第二条年产5000吨绿色可降解环保型聚乳酸树脂的工业示范线,催化裂化干气制乙苯气相烃化和液相反烃化优化组合的第三代技术,具有自主知识产权的甲醇制烯烃技术,可用于同位素生产堆的氢氧复合整体催化剂及复合器,用于丁基橡胶的生产装置中的可控正离子聚合新工艺技术,具有我国独立知识产权国内第一条彩色等离子显示屏PDP用荧光粉生产线,用于危险废物处理的贵金属稀土金属双组分湿式催化氧化工业示范装置,合成第三代强效解热镇痛药双氯芬酸类药物的国际领先的新技术,还有化学信息管理系统CISOC-ChIMS的建立,等等。上述成果或者自主创新开发,或者深入生产生活实际,解决实际问题,都是科研转化为生产力的展示,产生了重大的社会效益和经济效益。

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    展望

    西安交通大学教授 徐峰

    当前,化学已经从传统意义上的实验科学向更深入的分子、原子水平探索和理论研究发展,由此诞生了一大批新的分支领域,尤其是在与材料科学、生物学、物理学等许多传统学科领域的交叉、融合中,自身得到了飞快发展,而一些传统领域也产生了新的生长点。作为一门与国民经济各个领域密不可分的基础科学,以及承上启下、渗透于各种新兴、交叉学科的中心科学,从总体来说,化学的未来发展,应该特别注重加强在资源的有效合理开发、无害化使用、再生和循环利用,以为经济的可持续发展提供物质保障和在为改善人类的生活环境、提高生活质量提供更加绿色、更为质优价廉的衣食住行条件,以及在加强科学积淀以促进学科自身发展等方面的研究。

    本次学术年会共作主题报告10场,展示了各位专家学者在材料领域的最新研究成果和进展,与会师生交流探讨了材料科学发展的新思想、新理论和新应用,共同探索材料学科最新的发展趋势。学术年会的召开,促进了学院与国内知名高校及科研院所的交流合作,拓展了学院师生的学科视野,激励科技工作者大胆探索,勇于创新,抓前沿、重基础,更快的推动材料研究领域的发展。

    为此,可以预见,在未来的相当一段时间内,纳米科技及其向各化学学科的渗透(例如纳米材料功能化和功能材料纳米化)、新型功能材料的制备与组装及相关器件的研发、材料工程与可控构筑、新型高效绿色催化剂的开发及其在反应与工业中的应用、新反应的发现及其机制的研究、与生物体和生命现象相关的化学和仿生学、纳米以至分子水平的探测与分析表征的新方法和新技术手段、绿色与原子经济化学、新能源材料的开发及相关研究、理论化学与方法从原子分子体系向多体的宏观体系发展以及从解释现象向设计发展等,都还必将是化学学科的热点方向。

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    强化基础研究将始终是发展化学科学之根本,新进展与成果、新理论与观点、新材料与性能、新方法与工艺、新技术与装备将是推动化学发展的强大动力,而服务于社会和国民经济的发展则是化学工作者须臾不可忘的历史使命。

    据悉,根据学校“遨游科学”2016年研究生学术年会的总体安排,先进材料与纳米科技学院成立了由院长牵头的领导小组,负责学术年会的统一部署和组织协调。近期将继续邀请材料相关领域的国内外知名专家来校交流讨论,以“启迪思想、孕育创新”为主题,落实建设材料特色学科,加强校园学术文化建设,激发学生科学研究的积极性与创造性。

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