仿生纳米通道能量转换材料体系及器件
新型热电材料有效将废弃热能转化为电能
1/4新型热电材料有效将废弃热能转化为电能美国GMZ Energy4月22日宣布推出一款突破性的新型材料，有助于制造新一代更加清洁、能效更高的产品。
这种新型热电材料使用了纳米技术，清洁环保，能够有效地将废弃的热能转化为电能，从而为绿色消费品及工业品的发展铺平道路，推动未来的可持续发展。
该款GMZ材料功能众多、应用广泛。
它能优化电冰箱及空调的制冷功能，并能利用汽车尾气排放系统的热源产生动力。
由于GMZ材料已经研发成功，并具有成本效益及易于采用等特点，因此具备商业可行性。
它可以用于现今许多产品，能减少能源消耗和温室气体排放。
“长期以来，因为高成本和低效率，热电材料一直未能在清洁技术中广泛运用，但现在我们已经克服了这些问题。
” GMZ Energy 的CEO Mike Clary 说：“该技术所能达到的效率令人倍感兴奋，而GMZ Energy已经做好充分准备，于今日发布这种具备商业可行性的新材料，以促进其在日用品屮的应用。
”短期来看，这款GMZ材料将应用于制冷设备，以制造能耗更少的产品，或利用原本被浪费的能源。
长远来讲，它可以提供更先进的解决方案，比如利用尾气排放系统以及性能得到提升的太阳能电池板为汽车提供部分动力。
GMZ材料目前正在美国及亚太地区一些指定厂家接受进一步的测试，并请先行客户试用。
该材料很容易与现有或新型产品的设计实现集成，从而快速打入市场。
GMZ Energy正依靠其多个量产制造设备，试产该种材料。
以前生产该种材料是复杂的工作，需要多个纳米工程技术步骤。
而GMZ Energy首创简单的制造流程，能够高效而且大规模生产该种热电材料，从而使商业应用成为可能。
GMZ热电材料由清洁环保的合成物质组成。
这种钮堆弟■硝合金先被压成大约只有头发宽度千分之一的纳米颗粒，然后通过GMZ 创新制造流程，经过加热挤压在一起。
该制造流程将纳米颗粒散布到团状材料中，以便散发进入的热能。
因此，该材料能够在电能传导的同时减缓热能传导，从而改变热能的流动2/4方向，驱动电子和能量，使其不会散逸。
仿生材料
又叫水瓜，寒瓜 , 夏瓜，因在汉代从西 域引入，故称“西瓜”。西瓜味道甘甜 多汁，清爽解渴，是盛夏的佳果，既能 祛暑热烦渴，因此有“天然的白虎汤” 之称。西瓜除不含脂肪和胆固醇外，几 乎含有人体所需的各种营养成分，是一 种富有营养,纯净，食用安全的食品。
仿生材料最新研究领域
光子晶体材料：是一类特殊 的晶体，其原理很像半导体， 有一个光子的能力。蛋白石 就是其中的典型，它的组成 仅仅是宏观透明的二氧化硅， 其立方密堆积结构的周期性 使其具有了光子能带结构丽的色彩 。（这种材料的研发
仿生材料
仿生材料
仿生材料定义：仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发 的材料。仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是化学、材料 学、生物学、物理学等学科的交叉。受生物启发或者模仿生物 的各种特性而开发的材料称仿生材料，仿生材料在21世纪将为 人类做出更大的贡献。 自然界中的物质和天然生物材料，如贝壳，骨骼等经过上 亿年进化的产物，具有适应环境与功能需求的最佳结构，表现 出传统人工合成材料无法比拟的优异强韧性，功能适应性以及 愈合能力。在生物医疗领域，仿照天然生物材料制备出具有生 物功能，甚至是生物活性的材料成为生物材料科学极为活跃的 前沿研究领域。
仿生高超强韧材料：贝壳的成 分主要是碳酸钙和少量的壳基 质构成，这些物质是由外套膜 上皮细胞分泌形成的。贝壳的 结构一般可分为 3 层：最外一层 为角质层，很薄，透明，有光 泽，由壳基质构成，不受酸碱 的侵蚀，可保护贝壳。中间一 层为壳层，又称棱柱层，占贝 壳的大部分，由极细的棱柱状 的方解石（CaCO3, 三方晶系） 构成。最内一层为壳底 , 即珍珠 质层，富光泽，由小平板状的 结构单元累积而成、成层排列， 组成成分是多角片型的文石结 晶体（CaCO3, 斜方晶系）。
纳米材料基本概念和分类
第二章 纳米材料的特性
2 1 纳米材料的基本效应表面效应
也称界面效应;是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径 的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化
随着粒径的减小;纳米粒子的表面原子数 比表面积 表面能及表 面结合能都迅速增大
表面原子处于裸露状态;周围缺少相邻原子;有许多剩余键力;易 与其他原子结合而稳定;具有较高的化学活性
目前;在纳米化工厂 生物传感器 生物分子计算机 纳 米分子马达等方面;都做了重要的尝试
纳米材料定义
按国际制SI词冠中纳米尺寸概念以及纳米度量单位与其它度量单位的关系 如下：
1艾米exametre＝1000拍米petametre 1拍米petametre＝1000太米terametre 1太米terametre＝1000吉米gigametre 1吉米gigametre＝1000兆米megametre
飞檐走壁的壁虎
壁虎可以在任何墙面上爬行;反贴在天花板上;甚至用一 只脚在天花板上倒挂 它依靠的就是纳米技术 壁虎脚上 覆盖着十分纤细的茸毛;可以使壁虎以几纳米的距离大 面积地贴近墙面 尽管这些绒毛很纤弱;但足以使所谓的 范德华键发挥作用;为壁虎提供数百万个的附着点;从而 支撑其体重 这种附着力可通过剥落轻易打破;就像撕开 胶带一样;因此壁虎能够穿过天花板
纳米材料的定义及发展
纳米材料定义
纳米材料;是指在结构上具有纳米尺度特征的材料;纳米尺度 一般是指1100nm
广义定义：材料的基本单元至少有一维的尺寸在1100nm范 围内
同时具备的两个基本特征：纳米尺度和性能的特异变化
纳米材料的分类
按材质 纳米金属材料 纳米非金属材料 纳米高分子材料和纳米复合材 料
1兆米megametre＝1000千米kilometre 1千米kilometre＝10百米hectometre
新型半导体纳米材料成为解决当前全球能源与环境危机的一种理想途径之一
新型半导体纳米材料成为解决当前全球能源与环境危
机的一种理想途径之一
近日，科技日报记者从中国科学技术大学获悉，该校俞书宏教授课题组与合作者合作，设计了一种“脉冲式轴向外延生长”方法，成功制备了尺寸、结构可调的一维胶体量子点-纳米线分段异质结，利用ZnS纳米线对CdS量子点的晶面选择性钝化作用，可同时实现量子点表面的有效钝化和光生载流子的有效转移。
该研究成果近日发表在《自然·通讯》杂志上。
设计新型半导体纳米材料以捕获太阳能并实现高效光化学转化，是解决当前全球能源与环境危机的一种理想途径之一。
胶体量子点具有尺寸可调的光学和电学特性，因而作为一种重要的光催化剂材料在太阳能转化领域备受青睐。
然而，胶体量子点的表面悬挂键会导致大量的陷阱态，从而将载流子强烈局域化并阻碍其进一步参与表面化学反应。
目前，如何同时实现量子点表面钝化和电荷转移仍然面临挑战。
研究团队基于此前他们在液-固-固相催化生长一维纳米异质结构的工作基础，提出了一种“脉冲式轴向外延生长”合成胶体半导体纳米晶的新策略。
理论计算表明，Zn和Cd原子在Ag2S固相催化剂中的嵌入能差异使得在Cd前。
仿生智能纳米通道的设计构筑及其在浓差电池中的应用
第46卷第6期2020年6月北京工业大学学报JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.46No.6Jun.2020仿生智能纳米通道的设计构筑及其在浓差电池中的应用张倩倩,郝振东,刘晶冰,汪 浩(北京工业大学材料科学与工程学院,北京 100124)摘 要:生物体细胞膜上的纳米通道在环境刺激下智能打开和关闭,通过精准调控传输离子种类和离子流通方向,保证细胞内外物质平衡以维持正常生命活动.基于仿生理念,模仿生物纳米通道,构筑具有精确离子输运调控功能的人工智能纳米通道,在生物传感㊁纳米技术㊁医疗和能源等领域皆展现出了广阔的应用前景.综述了近年来本课题组在仿生智能纳米通道领域的研究成果,包括纳米通道结构和功能设计㊁外场响应性离子输运性能构筑及研究,以及其在水系浓差电池中的应用,并展望了仿生智能纳米通道在锂二次电池等重要储能器件中的应用前景,旨在为离子型储能器件的性能优化提供思路.关键词:仿生纳米通道;离子输运;智能响应;浓差电池;生物离子通道;电池隔膜中图分类号:O 69文献标志码:A文章编号:0254-0037(2020)06-0698-12doi :10.11936/bjutxb2020030002收稿日期:2020⁃03⁃04基金项目:国家自然科学基金资助项目(21701003);北京市自然科学基金资助项目(L182008)作者简介:张倩倩(1988 ),女,教授,主要从事电化学储能器件中离子传输调控方面的研究,E⁃mail:zhangqianqian@bjut.Design and Construction of Biomimetic Intelligent Nanochannels andTheir Applications in Concentration CellsZHANG Qianqian,HAO Zhendong,LIU Jingbing,WANG Hao(College of Materials Science and Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)Abstract :The nanochannels on the cell membrane of an organism are intelligently opened and closed in response to environmental stimuli.By precisely controlling the types of ions and the direction of ion flow,the material balance inside and outside the cell is maintained to keep normal life activities.Based on theconcept of bionics,imitating biological nanochannels,artificial intelligence nanochannels with precise ion transport regulation functions was constructed,which shows broad application prospects in the fields of biosensing,nanotechnology,medical and energy.The research results of the our group in the field of biomimetic intelligent nanochannels in recent years were summarized,including the structure and function design of nanochannels,the construction and responsive ion transport behavior in response to external fields,and their applications in water⁃rich concentration cells.Furthermore,the application prospects of biomimetic intelligent nanochannels in important energy storage devices such as lithium secondary batteries,providing insight to develop high⁃performance ionic energy storage devices,were presented in this review.Key words :biomimetic nanochannels;ionic transport;smart response;concentration cells;biological ion channels;separators 第6期张倩倩,等:仿生智能纳米通道的设计构筑及其在浓差电池中的应用 大自然孕育了多种多样的生物,它们展现出了奇特的智能响应功能.其中,生物体中的纳米通道起到了关键的作用.生物纳米通道通过智能地打开或关闭通道使得分子或离子通过其结构,从而保证了膜内外物质的平衡,因此保证了生物体细胞活动有条不紊地进行[1⁃5].生物纳米通道的功能是各异的,例如,心肌细胞膜上的钙离子通道可以维持生物电位[6],视网膜上的质子通道可以实现光电转换[7],肾小管细胞膜上的水通道蛋白可以维持水分子的传输[8],神经纤维膜上的钾离子通道可以传递神经信号等[9].生物纳米通道通常处于关闭状态,在受到某种外界环境刺激(温度㊁pH㊁光照㊁电场和特定离子或分子等)后,生物纳米通道可智能地打开后迅速关闭来实现离子或分子的传输,这种功能称为门控性[10].此外,生物离子通道还具有的一个重要的特性是离子选择性,在受到外界刺激后,通道上的特殊蛋白可智能地对外界刺激做出响应来改变通道的构型,特定的构型仅可允许特定的离子通过而阻碍其他离子的通过[11⁃12].生物纳米通道的另一个特性是离子整流性即离子的定向传输性能,它是指离子优先从通道的一侧通过而另一侧几乎不能通过离子[13⁃14].生物纳米通道优异的性能为生物体复杂生理活动的正常进行奠定了基础.生物纳米通道表现出的优异离子传输调控性能为智能材料的构筑提供了灵感.受其启发,发展仿生纳米通道引起了研究者广泛的关注和研究兴趣[5,15⁃18].仿生纳米通道是指模仿生物纳米通道制备出的孔径在纳米级别且孔道长度远大于孔道直径的纳米通道.仿生纳米通道具有形状和化学组成的可控性,此外,通过合理的结构设计和化学修饰,仿生纳米通道可表现出类似于甚至优于生物纳米通道的物理化学特性.仿生纳米通道在众多领域表现出了良好的应用前景,包括光学传感[19⁃20]㊁药物释放[21⁃22]和能量转换体系[23⁃24]等.其中,仿生纳米通道优异的离子选择性使其在浓差电池领域体系具有优异的应用前景,实现了高效的能量输出.近年来,本课题组在仿生智能纳米通道的构筑方面进行了深入探索,发展了多种以无机材料为主的纳米通道体系,并实现了光㊁电等多种外场对其离子传输性质的调控.基于仿生智能纳米通道,本课题组尝试将其应用于浓差电池的构筑并获得了较高的能量输出.本综述主要介绍了新型能源捕获和输出.本文针对仿生纳米通道的研究进展进行了综述,包括仿生纳米通道的设计和制备㊁仿生纳米通道基于表面电荷和浸润性调控离子输运的构筑方式.此外,本文对仿生纳米通道在浓差电池中的应用进行了综述.1 仿生智能纳米通道的构筑1.1 纳米通道的制备纳米通道可以根据材料的种类分为生物纳米通道㊁有机纳米通道㊁无机纳米通道和复合纳米通道.生物纳米通道是生物分子在脂质双层膜中自组装形成的纳米通道,其孔径和存在环境与生物离子通道最为相似[25].在有机纳米通道的制备过程中,离子刻蚀技术是最常用方法之一[26],典型的有机纳米通道材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)和聚碳酸酯(polycarbonate,PC)等,有机纳米通道具有孔径和形状可调㊁柔韧性好㊁机械强度高等优点,但其合成过程较为复杂㊁成本高且通道通常不均匀.无机纳米通道如阳极氧化铝(anodic aluminum oxide,AAO)纳米通道通常具有均匀且规则的通道结构,但其机械强度相对较低,无机纳米通道的制备方法包括电化学阳极氧化法㊁电子束技术和各向异性刻蚀法等[27⁃31].近年来,由于将不同材料的优点相结合,构建复合纳米通道受到了相关研究人员越来越多的关注.目前,通过导电聚合物在无机纳米通道上或其内部的电化学聚合,已开发出多种有机/无机复合纳米通道,复合纳米通道近些年来显示出了广阔的应用前景[28,32].1.2 纳米通道的智能响应修饰在完成设计和构筑后,通常需要对上述制备的纳米通道进行功能修饰以获得智能响应功能.功能修饰的方式可以分为增加表面电荷和引入外部刺激响应功能物.在第1种方式中,功能性分子被固定在通道的内表面或纳米通道膜的表面,经修饰后,功能性分子增加了纳米通道上的表面电荷密度,因此提高了纳米通道调控跨膜离子运输的能力;在第2种方式中,当引入外部刺激响应部件时,纳米通道的离子传输特性(离子电流的大小和传输方向等)可以通过相应的外部刺激进行调控,如光㊁温度㊁分子或离子等.2 仿生智能纳米通道离子输运调控设计2.1 表面电荷可控设计在纳米级限域孔道中,离子的传输受孔道表面电荷影响,表现出与体相截然不同的性质.在纳米孔道中,表面过剩电荷吸附电解质反离子形成的双996北 京 工 业 大 学 学 报2020年电层覆盖在孔道中,这时孔道的内表面电荷对其中离子传输起主导作用,纳米通道选择反荷离子通过.基于电荷密度和电荷分布的非对称设计,可以赋予纳米通道独特的离子整流性能.近年来,本课题组尝试了多种无机纳米通道的设计制备,并通过构筑智能外场调控纳米通道表面电荷密度和电荷分布,实现了外场智能调控的离子输运(见图1).图1 智能外场调控纳米通道表面电荷Fig.1 Surface charges of nanochannel regulated byintelligent external stimuli图2 复合纳米通道的离子输运机理及特性[27,32]Fig.2 Illustration of the ionic transport mechanism and properties of the hybrid nanochannels [27,32]二氧化钛(TiO 2)是一种常见的n 型半导体材料,在紫外光的照射下,它可以发生电子和空穴的分离从而使得价带的电子跃迁至导带形成自由电子[33⁃34].通过利用TiO 2优异的光电性能,构建了一种具有光调节离子输运性能的TiO 2纳米通道[35].该非对称纳米通道的内表面在紫外光的照射下可产生负电荷,从而在纳米通道的内部形成静电势陷阱,因此可以调节离子的输运性能.该工作成熟的制备方法㊁优异的光电性能和良好的稳定性为构建光响应纳米通道打下了坚实的基础并促进了其在光开关和光传感器等方面的应用.聚吡咯(polypyrrole,PPy)是一种性能优异的p 型半导体和一种稳定的光敏剂,可以增强TiO 2的光活性[36⁃39].不仅如此,导电PPy 的一维纳米管可以通过原位电压切换实现打开和关闭[40].基于此,本课题组首次将PPy 整合到AAO 纳米通道中制备多响应智能纳米通道体系,其离子输运特性可以通过pH 和光照共同调控[32].如图2(a)所示,在较低的pH 下(Ⅰ),AAO 和PPy 表面均带正电荷,PPy 的高聚合度使得PPy 部分上的电荷密度更高.另一方面,在较高的pH 下(Ⅱ),AAO 带负电荷,而PPy 是电中性的,表现出pH 调控的离子整流性能.此外,由于PPy 优异的光学特性,在光照时纳米通道可快速产生光敏离子电流,表现出灵敏的光调节离子荧光特性.光敏离子电流的产生可以归因于光和质子的协同作用,在光照射后增加了PPy 部分的表面的07 第6期张倩倩,等:仿生智能纳米通道的设计构筑及其在浓差电池中的应用正电荷密度(见图2(b)),从而提高了离子电导率和离子电流.另一方面,由于氧化还原反应的过程涉及到电荷的数量和正负的变化,因此利用氧化还原反应是表面电荷调控离子输运的另一种途径.在前期工作的基础上,本课题组继续将PPy 引入AAO 纳米通道中来制备单极纳米流体二极管(PPy @AAO)[27].在施加氧化电位时,导电PPy 存在多种氧化还原反应从而形成极化子和双极化子,结合结构的不对称性,该复合纳米通道可实现可切换的离子整流和离子门控特性.AAO 纳米通道的离子电流-跨膜电压(I⁃V )曲线如图2(c)所示,不同电压下的I⁃V 曲线几乎重合,说明AAO 纳米通道并未表现出氧化还原电位所控制的离子输运特性.当复合PPy 图3 三明治结构纳米流体的离子输运特性[41]Fig.3 Ionic transport properties of the sandwich⁃structured nanofluidic diodes [41]后(见图2(d)),复合纳米通道在正电位下表现出离子整流特性,且整流比(离子电流在-0.2V 和+0.2V 时的绝对值之比)在+0.8V 时达到最大.此外,复合纳米通道的离子门控特性也随着氧化电位的增大而增大.该研究结果证明了表面电荷的不对称性对纳米流体二极管的离子输运特性有着显著的影响.为了进一步研究外表面对跨膜离子输运的影响,本课题组制备了一种三明治结构的纳米流体二极管(WO 3/AAO /NiO),该结构的两侧分别由外表面带相反电荷且等电点不同的无机氧化物组成[41].其离子输运行为主要由表面电荷主导.如图3(a)所示,该纳米流体二极管表现出明显的离子整流行为.由跨膜离子电导测试可以看出(见图3(b)),体相溶液的离子电导(G ,虚线)与电解质浓度(c )成正比.然而,电解质溶液浓度在0.5mol /L 以下时,跨膜离子电导明显偏离了体相值,这表明该外表面带电的纳米流体二极管的离子输运由表面电荷主导.由于WO 3和NiO 都是无机电致变色材料,当该纳米流体二极管放置在LiCl 水溶液中时,携带相反的电荷的膜可以调节离子整流行为(见图3(c)).此外,该纳米流体二极管的带电外表面可以促进锂离子在WO 3层的插入并从NiO 层中抽出,因此,相对于玻璃结构,电致变色的响应时间大大缩短(见图3(d)).该工作为电致变色器件与纳米流体二极管的设计提供了新思路.最近,受到视感细胞中光致变色调控离子输运的启发,本课题组开发了利用交替的可见光和紫外107北 京 工 业 大 学 学 报2020年光调节的光致变色离子通道[42].在该研究中,螺吡喃改性的蒙脱土二维纳米片被真空过滤沉积在AAO 纳米通道的表面.螺吡喃光致变色将导致蒙脱土纳米片表面电荷极性的改变,从而可逆地调节层状离子通道的离子输运特性.层状离子通道的多种可切换的状态是通过光致变色和pH 的协同作用实现的.如图4(a)所示,可见光的照射使得螺吡喃由开环部花青(merocyanine,MC)态转变为闭环螺吡喃(spiropyrane,SP)态,相应膜的颜色由紫红色变为淡黄色.当用紫外光照射时,薄膜又恢复成紫红色,因此,在交替的可见光和紫外光的作用下薄膜可以可逆地进行光致变色.相对应的是,由于2种状态下表面电荷状态的不同,因此在这个过程中存在不同离子输运行为(见图4(b)).图4 光致变色层状离子通道的离子输运特性[42]Fig.4 Illustration of ionic transport properties of the photochromic layered ion channels [42]2.2 表面浸润性可控设计仿生纳米表面浸润性的改变是赋予其特定离子输运特性的另一种方式.通常来说,通过疏水分子和亲水分子的引入结合外界环境的刺激可引起纳米通道表面浸润性的改变,在疏水状态时,电解质溶液很难进入纳米通道内部,因此纳米通道的离子传输阻力较大,而在亲水状态时电解质溶液很容易进入纳米通道内部,因此具有较小的离子传输阻力,所以,浸润性的改变将赋予纳米通道离子门控性和离子整流性等(见图5).图5 智能外场调控纳米通道表面浸润性Fig.5 Surface wettability of nanochannelregulated by intelligent fields大量研究表明,通过光源诱导纳米通道表面浸润性的变化可实现其门控功能[43⁃47].例如,在本课题组前期工作[48]中,十八烷基三甲氧基硅烷(octadecyltrimethoxysilane,OTS)修饰的TiO 2纳米管被用来构筑人工纳米通道.OTS 的修饰使得TiO 2的表面浸润性从亲水性转变为疏水性.当有紫外光辐照时,TiO 2的光催化作用使OTS 分解,进而将羧基基团引入到TiO 2尖端侧面的内表面.孔结构的不对称性和负电表面基团导致了该纳米通道的离子整流特性.在前期研究的基础上,本课题组构筑了TiO 2/AAO 异质光响应纳米通道并利用OTS 进行修饰[49].如图6所示,当表面沉积OTS 时,OTS 中CH 3基团的疏水端使纳米通道由亲水态转变为疏水态,此时,通过纳米通道的离子电流十分小,在无光时表现为关闭状态;随着紫外光的照射,TiO 2表面发生的光催化使OTS 分解从而使得TiO 2层变为亲水状态,因此降低了TiO 2层的阻力,此时纳米通道表面为打开状态,从而增大了离子电流.在表面浸润性和表面负电荷非均匀分布的共同作用下,该异质光响应纳米通道同时表现出离子门控性和离子整流性.浸润性切换可以调控离子门控特性,但是如何实现浸润性的可逆切换从而获得稳定且可重复的离子门控特性十分关键.研究发现,在氧化还原电位的控制下,全氟磺酸酯掺杂的PPy 具有可逆的超亲水和超疏水状态的切换[50].基于这一思路,本课题组通过在AAO 纳米孔膜表面包覆全氟辛烷磺酸离子(PFOS -)掺杂的PPy 层,开发了具有高性能离子门控性的电驱动纳米通道(见图7(a)).如图7(b)207 第6期张倩倩,等:仿生智能纳米通道的设计构筑及其在浓差电池中的应用图6 OTS 修饰的TiO 2/AAO 异质光响应纳米通道的制备流程图[49]Fig.6 Flow chart for the fabrication of OTS⁃modified TiO 2/AAO hterogeneous nanochannels [49]所示,当PPy 处于氧化态时,跨膜离子电流十分小.当施加还原电位时,离子电流显著增大.此外,在氧化和还原电位交替作用下,离子电流的变化是可逆且稳定的,这表明该纳米通道体系的门控行为具有极佳的重复可循环性.为了进一步揭示其机理,由图7(c)可知,在氧化和还原电位的交替作用下浸润性也在可逆切换,这种高对比度的浸润性开关很大程度上归因于微观和纳米结构的表面以及不同氧化还原态下低表面能掺杂剂的掺杂与反掺杂过程.当氧化电位驱使PFOS -进入PPy 膜时,此时表面表现出超疏水性;当还原电位驱使PFOS -脱离PPy 膜时,表面转变为超亲水性(见图7(d)),因此实现了门控特性.3摇仿生智能纳米通道应用于浓差电池浓差电池是一种将渗透能转化为电能的能量转换体系,它是一种很有前途的从自然界的水中获取能源的方法.近年来,纳米通道膜因具有优异的离子选择性和高离子通量被广泛应用于浓差电池的研究中.当2种具有不同盐浓度的流体被纳米通道膜分离时,选择性的离子扩散将产生跨膜电化学电势梯度,在这个过程中将获得一定的电能[51⁃54].根据纳米通道膜上的盐浓度差异的形成方式,对浓差电池的研究可以分为以下2类:直接构建浓度梯度和响应刺激的形成浓度梯度.其中,直接构建浓度梯度通常具有高的功率密度,响应刺激的形成浓度梯度对功率输出进行智能的控制提供了可能性.近些年来,研究人员在直接构筑浓度梯度的研究方面开展了大量的工作.例如,在Ji 等[55]的研究中,一种基于氧化石墨烯膜(graphene oxide membrane,GOM )的纳米流体反向电渗析装置(GOM⁃nerd)被提出,该装置含有带正电或负电的片状纳米通道.阳离子选择性氧化石墨烯(n⁃GOM)和阴离子选择性氧化石墨烯(p⁃GOM)是由负电荷氧化石墨烯(n⁃GO)和正电荷氧化石墨烯(p⁃GO)的流体诱导自组装和热稳定形成的(见图8(a)).当膜被安装在一个电化学池中时,渗透能可以从浓缩的(highconcentration,HC )和稀释的(lowconcentration,LC)离子溶液中获得.更重要的是,通过串联GOM 对来增加电压时,测试膜面积可以被扩大来提高总离子通量(见图8(b)).测试13对独立器件的输出电压时,输出电压可达2V.此外,该装置还可以通过增加GOM 对的单位数和浓度梯度来为计算器和多个发光二极管等电子器件供电.在相同浓度的2种液体中,原位外部刺激提供了另一种方法来创建跨纳米通道膜的盐浓度梯度,典型的如光响应外场刺激.在前期研究中构筑的TiO 2光响应纳米通道基础上,本课题组制备了一种307北 京 工 业 大 学 学 报2020年图7 纳米通道的电驱动门控特性示意图[50]Fig.7 Schematic demonstration of electrically actuated gating behavior of the nanochannel [50]图8 基于GOM 的纳米流体反渗析系统装置(GOM⁃NRED)[55]Fig.8 GOM⁃based nanofluidic reverse electrodialysis device (GOM⁃NRED)[55]基于铂化TiO 2纳米通道的人工集光系统,并将其应用于浓差电池中[56].在该体系中,在基于不对称的光催化反应的紫外线照射下,铂化TiO 2纳米通道产生了跨膜离子浓度梯度,因此可以形成光电流(见图9(a)).如图9(b)所示,通过调节光源的打开和关闭可以调节电流密度.此外,随着铂纳米颗粒尺寸的407 第6期张倩倩,等:仿生智能纳米通道的设计构筑及其在浓差电池中的应用增大,光电流密度开始增大,最高达到400nA /cm 2,之后由于做功函数的增强其逐渐减小(见图9(c)).在进一步研究工作中,将铂纳米颗粒单侧覆盖在TiO 2纳米通道膜上,进一步构建了一种受光合作用启发的浓差电池(见图9(d))[53].电子供体和受体的引入可以有效提高跨膜电荷分离效率,这有助于获得更高的光电流密度(1μA /cm 2).可以看出,当紫外光照射开启和关闭时,会出现正向和反向的短路电流,在紫外光照射开启和关闭的几个周期内,短路电流具有良好的可逆性和稳定性(见图9(e)(f)).这些工作为开发由光学信号驱动和调节的浓差电池提供了思路.图9 仿生光响应纳米通道的构筑[53]Fig.9 Construction of biomimetic light responsive nanochannels [53,56] 基于生物体的呼吸作用中发生的电子和质子转移(见图10(a)),本课题组通过结合人工PET 纳米通道构建了基于线粒体的生物浓差电池[57].在该电池中,电解质中的燃料被线粒体中的多种酶分解,在具有阳离子选择性PET 纳米通道膜上产生跨膜质子浓度差(见图10(b)).PET 纳米通道可以通过控制质子的输运来保证电流的稳定性和连续性.该电池可以提供的电流密度和功率密度可分别高达0.9mA /cm 2和0.91mW /cm 2(见图10(c)(d)).该工作在有效地利用生物电能方面展现出了良好的应用前景.虽然纳米通道在浓差电池领域展现了广泛的应用前景,但是目前报道的大多数纳米流体二极管膜均对pH 较为敏感,对pH 较为敏感的表面电荷将改变纳米通道的离子选择性,从而导致了其在一定pH 范围内不稳定的离子整流[58⁃61].因此,发展在pH 变化的条件下具有稳定的离子输运特性的纳米通道具有十分重要的意义.本课题组通过利用全氟磺酸离子交联共聚物的表面电荷与pH 无关这一特性构筑了基于全氟磺酸离子层和AAO 纳米通道的纳米流体二极管体系(见图11(a))[62].纳米流体二极管的离子整流行为与AAO 纳米通道的孔径和离子层的厚度有一定的关系(见图11(b)(c)).该工作为构建在pH 变化体系中的稳定离子输运调控研究提供了平台.507北 京 工 业 大 学 学 报2020年图10 基于呼吸作用的生物电池的示意图[57]Fig.10 Schematic demonstration of respiration⁃based biocell [57]图11 基于离子交联高聚物的纳米流体二极管膜的示意图[62]Fig.11 Flowchart for the ionomer⁃based nanofluidic diode membrane[62] 607 第6期张倩倩,等:仿生智能纳米通道的设计构筑及其在浓差电池中的应用4摇结论与展望自然界的各种生物表现出了丰富多彩的调控功能,这为新材料体系的设计和构筑提供了大量的灵感.其中,通过模仿生物离子通道,人们开发出仿生纳米通道,其表现出类似甚至比生物纳米通道更优异的性能,并在光学传感药物释放和能量转换体系等众多领域表现出良好的应用前景.本文综述了近年来本课题组在仿生智能纳米通道的构筑及其能源领域应用方面的研究工作.包括仿生智能纳米通道的构筑和离子传输性质的可控智能调控,另外尝试将智能纳米通道应用于水系浓差电池获得绿色㊁高效的能量输出.基于上述研究基础,本课题组在仿生智能纳米通道领域的后续研究工作将集中于高密度能量存储与转换方面的应用,有望将其扩展至锂二次电池等离子型储能体系.期望以仿生智能纳米通道作为离子传输调控平台,解决目前锂电池中面临的离子传输相关瓶颈问题,具体而言,可分为以下几个部分.首先是锂硫电池 穿梭效应”.多硫化物阴离子的穿梭效应是限制锂硫电池性能进一步发挥的重要因素之一.大量的研究表明,构筑离子选择性隔膜是解决上述问题的有效措施之一,多数研究采用较厚的功能性涂层与常规隔膜复合的方式来达到这一目的.然而,这种方式通常会对离子的跨膜运输造成一定的困难,从而降低了锂离子电导率.因此,如何构筑兼具高锂离子选择性和高锂离子电导率的隔膜是解决这一问题的根本方法之一.就这一点而言,仿生纳米通道所具备的离子选择性和高离子电导率等特性为构筑兼具高锂离子迁移数和高锂离子的电导率的高性能隔膜提供了可行的研究方向.另外,锂金属负极面临的主要问题是锂枝晶的生长问题.从根本上解决锂枝晶的生长问题须满足以下2个条件:首先,通过均匀的孔道结构来促进锂离子的均匀沉积;其次,锂枝晶的生长与阴离子的迁移密切相关,因此限制阴离子的输运是抑制锂枝晶生长的又一关键所在.综上2个条件,纳米通道均匀可控的孔道结构和其离子选择性为构筑高性能无枝晶的锂金属电池提供了良好的研究前景.然而,目前纳米通道的研究主要集中在以KCl为溶质的水系电解质中,而锂二次电池的电解质主要为以LiPF6为溶质的有机电解质,因此,明确纳米通道在有机电解质中的离子输运机理对于探究纳米通道在锂二次电池中的研究十分关键.此外,纳米通道的智能响应功能有助于在未来构筑智能电子设备.在外场的作用下智能调控离子的输运是纳米通道的一个重要特性,通过合理的设计和制备,对外场刺激(光和电场等)的操控可以控制纳米通道中离子流的方向和大小.将其集成在能量转换设备时,有望为智能电子设备的构筑提供新的灵感.参考文献:[1]WEN L,ZHANG X,TIAN Y,et al.Quantum⁃confined superfluid:from nature to artificial[J].Science China Materials,2018,61(8):1027⁃1032.[2]GOUAUX E,MACKINNON R.Principles of selective ion transport in channels and pumps[J].Science,2005,310 (5753):1461⁃1465.[3]FYLES T M.Synthetic ion channels in bilayer membranes [J].Chemical Society Reviews,2007,36(2):335⁃347.[4]ZHANG Z,HUANG X,QIAN Y,et al.Engineering smart nanofluidic systems for artificial ion channels and ion pumps:from single⁃pore to multichannel membranes[J]. Advanced Materials,2019,32(4):1904351. [5]HOU X,GUO W,JIANG L.Biomimetic smart nanopores and nanochannels[J].Chemical Society Reviews,2011, 40(5):2385⁃2401.[6]SPERELAKIS N,KATSUBE Y,YOKOSHIKI H,et al. Regulation of the slow Ca2+channels of myocardial cells [J].Molecular and Cellular Biochemistry,1996,163 (1):85⁃98.[7]JONZ M G,BARNES S.Proton modulation of ion channels in isolated horizontal cells of the goldfish retina [J].The Journal of Physiology,2007,581(2):529⁃541.[8]AGRE P.Aquaporin water channels in kidney[J]. Journal of the American Society of Nephrology,2000,11 (4):764⁃777.[9]PAPPONE P A,CAHALAN M D.Pandinus imperator scorpion venom blocks voltage⁃gated potassium channels in nerve fibers[J].Journal of Neuroscience,1987,7(10): 3300⁃3305.[10]CHEBIB M,JOHNSTON G A R.GABA⁃activated ligandgated ion channels:medicinal chemistry and molecularbiology[J].Journal of Medicinal Chemistry,2000,43(8):1427⁃1447.[11]ROUX B,BERNÈCHE S,EGWOLF B,et al.Ionselectivity in channels and transporters[J].Journal ofGeneral Physiology,2011,137(5):415⁃426. [12]KIM S,NHAM J,JEONG Y S,et al.Biomimeticselective ion transport through graphene oxide membranesfunctionalized with ion recognizing peptides[J].Chemistry of Materials,2015,27(4):1255⁃1261.707。
北京大学科技成果——碳纳米管海绵功能复合材料的可控制备及储能应用
北京大学科技成果——碳纳米管海绵功能复合材料的可控制备及储能应用项目简介碳纳米管海绵材料具有轻质、柔性、抗腐蚀、耐高温等特点。
微观上具有三维多孔结构，能够承受大应变的反复压缩而不坍塌，同时，碳纳米管互相搭接形成高导电的三维网络。
这种综合的优良力学和电学性能使得碳纳米管海绵在功能复合材料、吸附过滤等领域具有广阔的应用前景。
近年来，随着社会对清洁、可再生能源的日趋重视，各种能量转换和存储器件的研究如火如荼。
应用范围轻质、高强度碳纤维复合材料在航空航天等领域有广泛的应用，其中，在碳纤维表面嫁接碳纳米管获得多级结构是增强与有机物基体的界面作用及复合材料力学性能的有效手段，然而，目前人们只能在碳纤维表面吸附或生长一薄层碳纳米管（通常小于100微米），无法充分发挥这种多级结构的优势。
项目在直径为7微米的单根碳纤维表面直接生长宏观厚度（1-10毫米）的海绵，在海绵的底部有一个过渡层（碳纳米管被非晶碳包覆）能够增强界面作用，使得拉伸测试时碳纤维从环氧基体中的滑脱被完全抑制，有利于改进碳纤维复合材料的界面特性从而提高力学性能。
更重要的是，传统的纤维材料、碳纳米管或石墨烯纺丝都比较密实，而海绵具有三维多孔结构，可以负载不同的活性物质制备功能器件，开发更多的应用。
例如，碳纤维-碳纳米管海绵-PPy和碳纤维-碳纳米管海绵-MnO2复合结构可用作超级电容器和锂离子电池的纤维型电极材料。
此外，课题组还通过将海绵内的多壁碳纳米管原位剖开的方法制备了石墨烯纳米带气凝胶，具有良好的超级电容器性能。
碳纳米管海绵及其复合材料的制备与能源应用项目阶段北京大学工学院课题组探索了碳纳米管海绵在能源领域的新应用，取得了一些重要的进展和成果。
具体如下：（1）通过在碳纳米管海绵内部均匀可控负载多种有机、无机活性物质，制备了高性能三维多孔电极材料，应用于超级电容器、锂离子电池等能量存储器件。
以碳纳米管海绵为多孔模板和载体，通过原位生长或后处理方法引入赝电容有机物、氧化物、钙钛矿、介孔硅/碳、二维材料、金属有机框架（MOF）等多种活性物质，获得了一系列均匀负载、结构可控的三维多孔复合材料，并用作超级电容器、锂离子电池等能量存储器件的电极。
电化学储能材料与技术研究进展
电化学储能材料与技术研究进展郝亮;朱佳佳;丁兵;王婕;方姗;董升阳;申来法;张校刚【摘要】电化学储能材料与技术是解决清洁能源利用、转换和储存的关键.本文阐述了近年来电化学储能材料与技术研究进展,包括超级电容器、锂离子电池及锂硫电池等;重点介绍了南京航空航天大学江苏省能量转换材料与技术重点实验室在这方面取得的科研成果;同时分析了目前各种电化学储能材料与技术存在的主要问题;最后展望了电化学储能材料与技术的发展趋势和应用前景.【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2015(047)005【总页数】9页(P650-658)【关键词】电化学储能;超级电容器;锂离子电池;锂硫电池【作者】郝亮;朱佳佳;丁兵;王婕;方姗;董升阳;申来法;张校刚【作者单位】南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京,211106;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京,211106;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京,211106;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京,211106;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京,211106;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京,211106;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京,211106;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京,211106【正文语种】中文【中图分类】O646随着传统化石燃料的消耗殆尽，能源短缺问题在国防事业及民生领域等方面日益突出。
因此，无论在军用领域，还是其他军民融合领域，高安全性、高环境适应性、高比能量、轻量化及小型化的能源及储能设备已成为不可或缺的一部分[1-2]，引起了国内外科研者们的广泛关注。
同时，储能装置与风能、太阳能等联用构成的全绿色的新能源系统也已成为研究热点[3-5]。
南京航空航天大学江苏省能量转换材料与技术重点实验室(以下简称南航能量转换实验室)从2004年开始从事电化学储能材料与技术的研究，主要通过设计、制备高性能电极材料，研究电极材料的电化学反应规律和储能机理，开发新型储能器件，以推进其应用化进程。
仿生结构及其功能材料
仿生结构及其功能材料【摘要】种类繁多的生物界经过45亿年长期的进化其结构与功能已达到近乎完美的程度，实现了结构与功能的统一。
近年来，仿生结构及其功能材料受到越来越多的关注。
本文介绍了光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿蜘蛛丝超韧纤维、仿生特殊浸润性表面、仿生高强超韧复合材料及仿骨材料、仿生高黏附材料及其他仿生材料的研究现状，并概要展望了其发展趋势。
【关键词】仿生合成，结构材料，功能材料1. 引言自然界中的动植物经过45亿年物竞天择的优化，其结构与功能已达到近乎完美的程度[1]。
自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。
在古代，我们的祖先“见飞蓬转而知为车”，即见到随风旋转的飞蓬草而发明轮子，做有装成轮子的车；受草叶的齿形边缘的启发发明了锯；受蜘蛛网的启发发明了渔网，等等。
近代，人们模仿鸟类飞行制造出飞机；模仿昆虫的单、复眼发明了复眼照相机；模仿蝙蝠回声定位发明了雷达；受响尾蛇的启发而发明红外线探测器；受海豚本能的启示而研究声纳；根据青蛙眼睛的特殊构造研制了电子蛙眼，用于监视飞机的起落和跟踪人造卫星；通过对萤火虫和海蝇的发光原理的研究，获得了化学能转化为光能的新方法，从而研制出化学荧光灯等等。
一九六Ο年秋，在美国俄亥俄州召开了第一次仿生学讨论会，成为仿生学的正式诞生之日。
仿生学一词是由美国斯梯尔(Jack Ellwood Steele)根据拉丁文“bion”(生命方式的意思)和字尾“ic”(“具有……的性质”的意思)构成的。
1963年我国将“Bionics”译为“仿生学”。
它是研究生物系统的结构、性质、原理、行为以及相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。
简言之，仿生学就是模仿生物的科学。
仿生学是在生物学、数学和工程技术学相互渗透而结合成的一门新兴科学。
随着化学、材料学、分子生物学、系统生物学以及纳米技术的发展，仿生学向微纳结构和微纳系统方向发展将是仿生学前沿的一个重要分支。
2015年纳入973计划(含重大科学研究计划)结题验收项目清单
人多能干细胞多能性维持和发育潜能差异的 系统研究
康九红
2011CB965300
干细胞分化与重新编程中蛋白质的结构与功 能研究
2011CBA00300 全量子网络
2011CBA01000
诱导多功能干细胞（iPS）猪与小型猪疾病 模型
孙方霖 姚期智 刘忠华
孟安明
2011CB944500
雌性生育力维持调节机制研究及生殖资源库 建立
乔杰
2011CB944600
植物减数分裂过程中染色体相互作用的分子 机理
马红
2011CB946100 胸腺的起源、发生、维持与退化
2011CB952000
大尺度土地利用／覆盖变化对区域气候影响 的研究
张毓 郭维栋
2011CB965100
庞雄奇
2011CB201200 深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论
谢和平
2011CB201300
中低阶煤分级转化联产低碳燃料和化学品的 基础研究
刘振宇
2011CB201500
可燃固体废弃物能源化高效清洁利用机理研 究
严建华
2011CB301700
超高速低功耗光子信息处理集成芯片与技术 基础研究
陈建平
2011CB301900
2011CB932500
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
功能导向的纳米超分子组装体结构调控与可 控制备
刘育
2011CB932900
新型图像传感器及并行图像处理芯片的研究 与集成
2011CB933000 碳基无掺杂纳电子器件和集成电路
2011CB933300
基于纳米结构的新型柔性纤维基可编织光伏 器件重要基础问题研究
郑厚植 彭练矛 邹德春
中枢神经损伤修复与功能重建中胶质细胞的 作用及意义
仿生智能材料
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一、 仿生学
1、仿生学概念 2、生物材料与仿生材料
二、智能材料 1、什么是智能材料 2、智能材料的特征 3、智能材料的构成 4、智能材料的应用
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一、 仿生学
1、仿生学概念 人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历了约35 亿年。人类很早就认识到生物具有许多超出人类自身的 功能和特性。对生物的结构、形态、功能和行为等进行 研究，我们就会从自然中获得解决问题的智慧和灵感。
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美国研发出一款举世无双的 “海豚潜艇”，它不仅在外 形上酷似海豚，而且能像海 豚一样时而潜入水中，时而 跃出水面做出惊险刺激的翻 腾动作。
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仿生学(Bionics)：模仿生物系统的结构、形状、 原理、行为以及相互作用，建造技术系统，或者 使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的 科学，简而言之，仿生学就是“模仿生物的科学 ”。
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水母的顺风耳，仿照水母
耳朵的结构和功能，设计了 水母耳风暴预测仪，能提前
15小时对风暴作出预报，对
航海和渔业的安全都有重要 意义。
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宝马H2R氢燃料汽车外型 和设计的灵感来自海豚、 企鹅的低阻身材。圆鼓的 前脸、收起的尾部，极 小的正锋面，成就了其 0.21的阻力系数。同样， 尺寸庞大的宝马7系得益 于其流线造型，阻力系 数也仅为0.29。
功能材料
对来自外界或内部的各种信息具有感知能力的 敏感材料
在外界环境或内部状态发生变化时能对之作出 适当的反应并产生相应动作的驱动材料
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《柔性纳米通道内电渗流动及电动能量转化效率研究》范文
《柔性纳米通道内电渗流动及电动能量转化效率研究》篇一一、引言在微纳米尺度下，流体流动与宏观尺度存在显著差异，特别是在柔性纳米通道中，电渗流动现象更是引起了广泛关注。
电渗流动是利用电场力驱动流体在纳米通道中运动，其在生物传感、微流体控制、能量转化等多个领域有着重要的应用价值。
本篇论文将深入探讨柔性纳米通道内的电渗流动特性及电动能量转化效率的研究进展。
二、柔性纳米通道电渗流动的基本原理电渗流动是利用双电层效应，通过在通道壁施加电势差，使流体在电场力的作用下产生流动。
柔性纳米通道因其具有良好的形变能力和较高的表面积体积比，更利于实现高效电渗流动。
电渗流动的速度、流量及方向均受到电解质溶液浓度、施加电势、通道几何形状和通道壁材料等因素的影响。
三、柔性纳米通道内电渗流动的模型构建与实验方法对于柔性纳米通道的电渗流动研究，建立合适的模型与实验方法是关键。
模型方面，基于Poiseuille定律和非平衡态热力学理论，结合双电层模型，构建了描述柔性纳米通道内电渗流动的数学模型。
实验方法上，采用原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）等手段对通道结构进行表征，同时利用微流控技术进行流速、流量的测量和实验数据的收集。
四、电渗流动的特性和影响因素分析研究表明，柔性纳米通道内的电渗流动表现出显著的特点：流动速度快、能量转化效率高。
电解质溶液的浓度对电渗流动的速度和方向具有重要影响，高浓度电解质有利于提高流速和稳定性。
此外，施加电势的大小和分布也直接影响着流体的运动状态。
同时，通道壁材料的表面电荷密度和亲疏水性也对电渗流动产生重要影响。
五、电动能量转化效率的研究电动能量转化效率是评价电渗流动性能的重要指标。
通过理论计算和实验测量，我们发现，在特定的条件下，柔性纳米通道内的电动能量转化效率可以达到较高水平。
这一效率受到电解质种类、浓度、流道设计及工作温度等多个因素的影响。
为提高能量转化效率，研究者需在材料选择、流道设计以及控制策略等方面进行深入研究和优化。
aao通道的声子散射
aao通道的声子散射1.引言1.1 概述AAO（铝阳极氧化）通道是一种重要的纳米通道结构，在纳米器件制备和研究中得到广泛应用。
本文旨在研究AAO通道的声子散射机制。
声子是晶体中的一种量子激发，对于材料的导热性能具有重要影响。
本文将探讨AAO通道中声子的传播与散射特性，以及与导热性能的关系。
通过深入研究AAO通道中声子的散射机制，可以为纳米器件的设计与优化提供理论依据。
本文将从概述AAO通道的基本概念开始，进而介绍AAO通道中声子的散射机制，最后总结研究结果并对未来的研究方向进行展望。
通过本文的研究，我们可以更好地理解AAO通道中声子的散射行为，为纳米器件的性能提升和应用拓展提供理论指导。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下信息：文章结构部分主要介绍了整篇文章的组织方式和各个章节的内容安排。
在本文中，共设有三个主要章节，即引言、正文和结论。
引言部分首先概述了整篇文章的研究背景和意义，介绍了AAO通道的声子散射问题，并指出了文章的目的和意义。
正文部分分为两个小节，分别是AAO通道的基本概念和AAO通道的声子散射机制。
在AAO通道的基本概念小节中，将介绍AAO通道的基本特性、结构和性质，为后续声子散射机制的探讨奠定基础。
而在AAO通道的声子散射机制小节中，将详细讨论AAO通道中声子的散射行为，探究其散射机制和影响因素。
结论部分将对整篇文章的研究结果进行总结，并对未来可能的研究方向和应用前景进行展望。
文中将提及本文对AAO通道声子散射的研究结果和对于该领域未来的贡献，同时指出AAO通道在材料科学、能源领域等方面的应用潜力。
通过以上的文章结构，在确保逻辑清晰和内容完整的基础上，读者能够更好地理解和掌握文章的主旨和重点。
1.3 目的本文的目的旨在研究和探讨AAO（Anodic Aluminum Oxide）通道的声子散射现象。
声子散射是材料中声波与晶格振动相互作用的过程，对于理解和解释材料的热传导和能量耗散具有重要意义。
微纳光电材料及器件
(a)普通光纤, (b)-(c)光子晶体光纤
利用包层对一定波长 的光形成光子能隙， 光波只能在芯层形成 的缺陷中存在和传播。 能量传输基本无损失， 也不会出现延迟等影 响数据传输率的现象。 光子晶体制成的光纤 具有极宽的传输频带， 可全波段传输。
两年之后，Yablonovitch等人 卷土重来， 这回他们调整制作方式， 在块材上沿三个夹120度角的轴钻洞， 如此得到的fcc晶格含有非球形的 “原子”(如右图)， 终于打破了对 称的束缚，在微波波段获得真正的 绝对能隙，证实该系统为一个光子 绝缘体(photonic insulator)。
第一个具有绝对能 隙的光子晶体，及 其经过特别设计的 制作方式
科学家们在假设 光子也可以具有类 似于电子在普通晶 体中传播的规律的 基础上发展出来的
晶体内部的原子是周期性有序排列的，这 种周期势场的存在，使运动的电子受到周期 势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带 与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果 落在带隙中，就无法继续传播。
相似的，在光子晶体中是由光 的折射率指数的周期性变化产生 了光带隙结构，从而由光带隙结 构控制着光在光子晶体中的运动。
出现在能隙中的缺陷态
1 9 9 9年， 美国加州理工学院谢勒( A．S c h e r e r ) 领导的研究组首次报道了可在室温下工作且运转 在 1 5 5 0纳米的光子晶体激光器。
光子晶体激光器顶部和剖面示意图
8.3 超材料及相关器件 什么是超材料？
超材料的三个重要特征
超材料通常是具有新奇人工结构的复合材料； 超材料具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不
可以看出E, H均与k两两垂直，
一维GaN纳米材料制备及其光电器件研究进展
一维GaN纳米材料制备及其光电器件研究进展∗贾若飞;杨丽丽;杨丰;王飞;杨慧;李岚【摘要】Compared with GaN film,one-dimensional GaN nanomaterial has many advantages in manufacturing optoelectronic devices.This paper synthetically narrated the main preparation methods of one-dimensional GaN nanomaterial and its application of optoelectronics devices.Firstly,the preparation methods including MOCVD, MBE,CVD and template method were introduced.The key analysis is about the growthparameters,morpholo-gy and structure control of one-dimensional GaN nanomaterial.Secondly,the optoelectronic devices such as LED,laser,solar cell as well as photodetector were interpreted,and mainly discussed the influence of the mate-rial properties,device structures and manufacturing technology on the device performance.In the end,the de-velopment and future application of one-dimensional GaN nanomaterials are prospected.%一维GaN纳米材料相对于薄膜材料在光电器件应用方面具有诸多优势，本文主要论述一维 GaN 纳米材料的主要制备方法及其光电器件应用的研究进展。
纳米结构材料在先进能源器件应用中的表界面问题研究
项目名称：纳米结构材料在先进能源器件应用中的表界面问题研究首席科学家：起止年限：依托部门：一、关键科学问题与研究容拟解决的关键科学问题（1）表界面纳米结构与能量转化和存储的构效关系与调控原理。
（2）能量转换存储器件中纳米结构材料的可控制备。
（3）光电转换储能器件制备和使用过程中的原位、实时表征原理与方法。
（4）影响储能纳米结构动力学稳定性的关键因素。
（5）光伏器件中表界面能级的匹配与界面电荷分离性能的优化。
围绕以上关键科学问题，“纳米结构材料在先进能源器件应用中的表界面问题研究”以纳米结构材料在能源器件应用过程中的表界面为切入点，研究高性能能源器件的共性问题。
研究容包括三个密切相关的部分，首先，结合理论计算，通过设计并可控制备纳米功能材料，采用化学修饰、纳微复合结构等手段得到高效稳定的纳米结构材料。
其次，采用先进的纳米材料表征和测试技术，原位表征先进能源器件中纳米材料表界面的结构与性能，研究载流子在表界面上的输运、存储和反应特性，阐明影响纳米材料稳定性的关键因素，由此解决纳米结构材料在先进能源器件应用中热力学稳定性与动力学活性兼顾这一关键科学问题。
第三，通过对纳米材料在先进能源器件应用中表界面问题的研究，实现高光电转化效率量子点光伏器件和高能量密度锂电池。
项目的研究重点为：（1）表界面纳米结构与能量转化和存储的构效关系与调控原理先进能源器件的高性能主要源于其对纳米结构材料的使用，随着材料维度的降低和特征尺度的减小，纳米结构的量子效应、尺寸效应、表界面效应等一系列物理效应变得显著，它们是提高能源器件性能的关键所在。
我们将结合纳米结构材料本身的结构与特性，通过实验和理论研究相结合，研究纳米结构材料中的物理、化学变化规律，特别是表界面结构在能源器件工作过程中的动态变化，探索器件光电转换与能量存储的微观过程与机制。
在深入分析和模拟实验现象的基础上，提出表界面纳米结构与能量转化和存储的构效关系，并在此基础上根据能源器件工作原理提出调控和优化器件性能的原理。
仿生纳米通道能量转换材料体系及器件
项目名称：仿生纳米通道能量转换材料体系及器件首席科学家：危岩清华大学起止年限：2010.9至2015.9依托部门：教育部二、预期目标总体目标本项目的总体目标是通过仿生纳米通道能量转换体系的研究，探索生命体系高效利用能源的奥秘，建立仿生产能器件的整体设计思路，构建仿生能源结构的微观表征平台和技术手段。
研制出几个基于仿生新原理、新概念的先进能源转换原型器件，使我国在仿生能源领域的研究进入国际先进行列。
籍此发表至少200篇SCI论文，其中影响因子大于3的文章不少于100篇。
培养一批高层次的研究人才，包括2-3名具有国际影响力的科学家，若干名国家杰出青年基金获得者,培养和造就一批高层次的研究人才，形成几个在相关领域中有国际影响的研究群体。
形成几个在国内外有重要影响的能源材料和仿生材料与器件的研究基地。
为可再生能源材料和技术领域的可持续发展及其成果转化提供新知识、新方法、新技术和新材料，形成具有自主知识产权的关键材料与新型器件，促进我国新能源产业未来的发展。
五年预期目标1. 研究具有能量转换、传递与储存功能的生物体的结构及原理。
设计和制备仿生功能分子与纳米结构单元，重点研究具有能量转换功能的新型分子与纳米结构的组成、尺寸、形貌和性能。
2. 开展仿生功能分子与功能纳米结构单元的组装研究；设计、构筑结构及在能量转换、传递和储存等功能上具有协同效应的多尺度、多维度结构的界面、通道（包括仿生选择性透过薄膜）及电极材料体系。
3. 模拟自然界设计、构筑出新原理、新概念的仿生能量转换体系及器件；重点研究基于生物体离子通道的光-化学能和光-电能量转换材料与器件（包括新型的质子光电转换器，能差纳流电池，酶通道反应器，纳米多级多尺度结构催化材料体系）和基于非对称膜的新型高效电池系统（如锂-铜电池）。
4. 全面开展仿生纳米通道能量转换材料体系中的能量转化与输运规律的实验、理论和器件研究；发展仿生纳米结构能量转换体系及器件的测试与表征新方法、新技术和搭建相关测试平台；选择典型的能量转换界面材料、通道（包括仿生选择性透过薄膜）及电极材料体系进行多尺度效应、界面效应和多重弱相互作用协同效应研究，总结对仿生纳米通道能量转换材料应用有实际指导意义的规律，推动仿生纳米通道能量转换材料及器件的性能提高。
能量转换技术及器件
能量转换技术及器件
佚名
【期刊名称】《中国光学》
【年(卷),期】1998(0)3
【摘要】TM615 98031921高效率聚合物薄膜太阳能电池=Recent advance ina new high efficiency solar electric invention ofpolymers film[刊,中]/史素姣,钟江帆,姜志宏(吉林工业大学.吉林,长春(130022)),刘明大(吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室.吉林。
【总页数】2页(P75-76)
【关键词】薄膜太阳能电池;集成光电子学;异质结太阳能电池;能量转换技术;高效率;吉林大学;长春;聚合物;吉林工业大学;重点
【正文语种】中文
【中图分类】TM914.4
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项目名称：仿生纳米通道能量转换材料体系及器件首席科学家：危岩清华大学起止年限：2010.9至2015.9依托部门：教育部二、预期目标总体目标本项目的总体目标是通过仿生纳米通道能量转换体系的研究，探索生命体系高效利用能源的奥秘，建立仿生产能器件的整体设计思路，构建仿生能源结构的微观表征平台和技术手段。
研制出几个基于仿生新原理、新概念的先进能源转换原型器件，使我国在仿生能源领域的研究进入国际先进行列。
籍此发表至少200篇SCI论文，其中影响因子大于3的文章不少于100篇。
培养一批高层次的研究人才，包括2-3名具有国际影响力的科学家，若干名国家杰出青年基金获得者,培养和造就一批高层次的研究人才，形成几个在相关领域中有国际影响的研究群体。
形成几个在国内外有重要影响的能源材料和仿生材料与器件的研究基地。
为可再生能源材料和技术领域的可持续发展及其成果转化提供新知识、新方法、新技术和新材料，形成具有自主知识产权的关键材料与新型器件，促进我国新能源产业未来的发展。
五年预期目标1. 研究具有能量转换、传递与储存功能的生物体的结构及原理。
设计和制备仿生功能分子与纳米结构单元，重点研究具有能量转换功能的新型分子与纳米结构的组成、尺寸、形貌和性能。
2. 开展仿生功能分子与功能纳米结构单元的组装研究；设计、构筑结构及在能量转换、传递和储存等功能上具有协同效应的多尺度、多维度结构的界面、通道（包括仿生选择性透过薄膜）及电极材料体系。
3. 模拟自然界设计、构筑出新原理、新概念的仿生能量转换体系及器件；重点研究基于生物体离子通道的光-化学能和光-电能量转换材料与器件（包括新型的质子光电转换器，能差纳流电池，酶通道反应器，纳米多级多尺度结构催化材料体系）和基于非对称膜的新型高效电池系统（如锂-铜电池）。
4. 全面开展仿生纳米通道能量转换材料体系中的能量转化与输运规律的实验、理论和器件研究；发展仿生纳米结构能量转换体系及器件的测试与表征新方法、新技术和搭建相关测试平台；选择典型的能量转换界面材料、通道（包括仿生选择性透过薄膜）及电极材料体系进行多尺度效应、界面效应和多重弱相互作用协同效应研究，总结对仿生纳米通道能量转换材料应用有实际指导意义的规律，推动仿生纳米通道能量转换材料及器件的性能提高。
5.仿生纳米通道能量转换器件的集成，构筑光能-化学能-电能集成器件；在新能源器件及关键能量转换纳米材料规模化制备上有所突破；形成具有自主知识产权的关键材料与器件，为我国新能源产业未来发展提供新原理，新思路与新技术，做出具有显示度的重大成果。
三、研究方案本项目针对我国未来能源产业发展具有重大影响的关键智能界面材料和智能膜材料的设计、制备与应用中的关键科学问题进行研究，从战略性、前瞻性、基础性的重大共性问题出发，发挥纳米、能源、材料、化学、物理和生物等多学科交叉的优势，对能量转换材料及器件领域的重要问题重点突破。
利用微纳结构、多尺度效应、界面效应和协同效应，仿生原理、设计与构筑基于新原理、新概念、新结构的仿生能量转换材料，探索新能源器件的集成。
本项目的总体思路是：从认识自然界和生命体系中一些生物电现象出发，研究生命体结构与高效产能特性的内在关联；受其启发，通过设计仿生功能分子和功能分子在智能界面的组装，实现功能仿生纳米通道单元的制备；将智能孔道集成发展为智能薄膜；探索多尺度，多维度的孔道结构单元智能化组装，并最终实现能源转换原型器件，如图一所示。
图一、“仿生智能纳米通道能量转换材料体系及器件集成”总体思路示意图。
本项目从仿生角度出发，结合已有研究基础，系统深入研究自然界中能量转换与储存的机制与规律及其结构与性能之间的内在本质，构筑从分子到纳米、微米多尺度仿生能量转换材料体系，通过模仿自然构筑新原理或新结构的仿生能量转换材料和器件。
从认识自然到模仿自然进而超越自然，实现能量利用最大化和环境成本最小化，推动对传统能源器件的升级改造。
研究特色与创新点（1）从仿生的角度，将功能分子在具有特殊响应特性的界面上进行组装，并使之功能化。
（2）从新原理和新材料、新技术的角度，解决可再生能源的高效和集成问题，通过对仿生纳米通道能量转换材料体系与器件的深入系统研究，实现基础研究与国家发展目标的紧密衔接。
（3）源于自然，至少在某个或某些方面超过自然！实现能量利用最大化和环境成本最小化。
（4）将可控的分子自组装技术应用于功能化的人工纳米孔道的制造，它既是瞄准学科发展前沿，同时又是面向国家发展的重大战略需求提出的。
课题的可行性本项目是纳米、能源、仿生、材料、化学和物理器件交叉性很强的前沿科学，是解决纳米能源问题的新途径，正引起国际学术界和产业界的广泛关注。
本项目在我国几个重要的科学研究基地（如清华大学、中国科学院化学研究所、北京航空航天大学、北京师范大学、中科院长春应用化学研究所、中科院青岛能源所等六家国内一流高校和科研院所单位，参加基地涵盖了两个国家实验室：北京分子科学国家实验室（筹）、航空科学与技术国家实验室（筹）；一个国家重点实验室：电分析化学国家实验室；两个国家中心：北京电子能谱中心、国家电化学和光谱研究中心，两个教育部重点实验室和两个科学院重点实验室）长期交流、合作基础上，围绕仿生纳米通道能量转换材料体系与器件这一新的学术增长点，自发形成的优秀团队，拥有千人计划 1名，长江学者2名，国家杰出青年科学基金获得者4 名，中国科学院百人计划入选者 6 名等优秀人才。
研究团队成员分布在不同的学科（包括化学、纳米材料、能源、仿生、材料物理、生物等学科），在各自的学科领域取得了突出的成绩，前期基础工作雄厚。
这一国内优势单位组成的跨学科的研究团对的研究条件互补性强，具有仿生纳米通道功能分子、结构单元及纳米能量转换材料体系制备、表征的条件，拥有仿生能源器件制造加工技术平台、和器件性能表征等的必备手段与条件。
参加本项目的研究队伍具有锐意进取、勇于拼搏、严谨扎实的科研精神，具有分析和解决重要科学和技术问题的能力，完全具备完成本项研究的条件。
本项目的研究目标明确，交叉性强和创新性突出，研究计划合理可行，研究队伍优秀，基地的研究条件优异，项目是切实可行的。
如能获得经费支持，必将能在仿生纳米通道能量转换材料体系与器件这一新的学术增长点方面做出具有国际影响和中国特色的工作，将推动我国能源科学和纳米科学的发展。
课题1 ：生物体系高效能量转化的基本原理研究目标：完成向生物体系能源转换的高效机制学习，并将其应用于仿生智能纳米通道材料体系的设计、构建和组装；利用材料设计的手段优化和组合智能通道，为制备新型智能通道材料和器件（课题2和3）打下理论基础。
研究内容：本课题主要从事生物体系结合纳米孔道材料后的活性研究以及生物体系中能量转化的模拟与分析，了解生物体系中能量转化的化学反应原理，能量传导过程以及能量的表达方式和途径。
为建立新型仿生智能纳米通道材料的理论提供实验基础。
结合智能响应功能界面材料的研究基础，我们将原有外场如电、光、热、应力、应变、化学、环境等响应的界面/表面特性和原理拓展到纳米尺度通道，设计智能响应性仿生通道，并将其应用于能源转换领域。
承担单位：清华大学、北京航空航天大学负责人：危岩教授（千人计划，长江讲座教授）（清华大学）主要学术骨干：刘冬生（教授，杰出青年，百人计划）；相艳（教授）；范文宏（副教授）；梁大为（副教授）经费比例：31％课题2 ：仿生纳米通道功能分子及结构单元的制备研究目标：完成系列仿生功能分子体系和纳米通道单元的设计、构建和组装；对仿生材料在纳米通道体系中的能量转换机制提出新的认识。
为课题3和课题4提供材料体系的新制备方法和新材料。
研究内容：本课题围绕着仿生纳米通道功能分子及结构单元的制备开展相关工作。
通过模拟在自然界中高效能量转换过程中起关键作用的分子结构和功能，我们运用新的合成技术，制备新型仿生高效的光质子化分子材料。
研究这些仿生材料体系中的能量/电子转移过程，探索它们在高效光能到电能转化以及能源存储方面的应用。
承担单位: 北京师范大学、中科院长春应用化学研究所负责人:薄志山（教授，杰出青年，百人计划）（北京师范大学）；主要学术骨干:王宏宇（研究员，百人计划）；邢巍（研究员）；刘正平（教授）；朱嘉（副教授）经费比例：22.4％课题3：仿生纳米通道能量转换材料体系的构筑及仿生器件集成研究目标：开发出仿生离子选择透过新型电池膜材料及结构仿生的多尺度多维度的微纳电极材料；构筑出基于仿生纳米通道的新型能量转换器件（包括新型质子电池、能差电池、锂-金属电池及生物酶能量转换器件）；实现仿生能源器件集成，构筑光能-化学能-电能集成器件。
研究内容：通过对高选择性细胞质膜的仿生研究，利用合成材料制备功能仿生的离子选择性通道材料和结构仿生的多尺度多维度的微纳电极材料，用于离子（H+、Li+等）选择透过新型电池研究。
构建基于仿生纳米通道的新原理、新结构、新概念的能量转换与存储器件（包括新型的“化学营养分子”驱动的生物能量转换器件、直接利用化学物质能发电的电机、基于生物离子通道的新型能差电池、新型质子电池、及生物酶转换器件和锂-金属电池）。
研究仿生能源器件集成途径，构筑光能-化学能-电能集成器件，探索高效能量转换、存储与利用新形式。
承担单位：中国科学院化学研究所、中科院青岛能源所负责人：郭玉国（研究员，百人计划）（中科院化学所）主要学术骨干：崔光磊（研究员，百人计划）；聂富强（副研）；衡利平（助研）；郭维（助研）经费比例：24.2％课题4 ：仿生纳米通道体系的能量转化与输运规律研究研究目标：探索仿生能量转换体系中能量转化与输运规律，为仿生纳米通道能量转换材料体系及器件提供新原理。
通过对仿生体系的能量转化与输运规律的认知，指导利用纳米结构构建新型的能量转换材料体系，发展全新的能量转换器件。
研究内容：以植物的光合作用和生命体系中能量转换系统，如对光敏感的视网膜，对浓差敏感的电鳗为研究对象，探索其实现高效能量转换的基本原理，并获得自然界和生命体系中生物材料的结构与能量转换，能量储存等性质方面的构效关系。
研究在外场作用下仿生纳米通道中的物质传输和能量转化规律，为仿生纳米结构的制备提供最基本的理论依据。
构建生物光电转换器件，建立生物信息流的测试新方法和新技术。
承担单位：北京航空航天大学、清华大学负责人：高秋明（教授，百人计划）（北京航空航天大学）主要学术骨干：李景虹（长江特聘教授，杰出青年，百人计划）；翟锦（教授）；冯琳（副教授）；刘兆阅（副教授）经费比例：22.4％各课题间相互关系本项目从仿生角度出发，结合已有研究基础，系统深入研究自然界中能量转换与储存的机制与规律及其结构与性能之间的内在本质，构筑从分子到纳米、微米多尺度仿生能量转换材料体系，通过模仿自然构筑新原理或新结构的仿生能量转换材料和器件。