Science China Technological Sciences 2019年62卷第4期中文摘要

<正>高通量实验技术推动材料创新综述刘艺昊,胡子恒,索志光,胡连哲,冯凌燕,龚秀清,刘轶,张金仓随着"材料基因组计划"的提出和普及,高通量技术已被广泛应用于材料科学领域,极大地加速了新材料的发展.其中,基于机器学习和数据挖掘的材料信息学逐渐成为理论指导,而高通量计算方法可用于前期筛选和结果预测,缩小了目标实验范围.研究者可结合预测结果,再利用集高通量材料制备、表征技术于一体的高通量实验方法进一步研发新型     

面向数据驱动材料设计的专用数据库及信息管理系统

随着材料设计逐渐向"数据驱动"的方向发展,数据集的规模和质量实际上成为各类智能算法发挥效益的瓶颈.文献报道或尚未公布的海量实验数据是构建高质量数据集的宝库,但长期以来缺乏用于存储、整理、产生有关数据集的专门数据库或数据管理系统.本文以高温永磁合金代表体系Sm-Co基多元合金为例,介绍了本课题组构建的集成数据采集、数据标注、数据抽取与转换的一体化智能数据库及其管理系统.对材料的元素成分、物相组成、晶体结构、制备工艺、性能及其测试方法等各方面的数据建立了关系模型,实现了相关数据的逻辑关联并高度结构化,从而可根据具体的材料设计需求检索出高质量的数据集.建立的信息管理系统可实现多用户在线标注数据,具有数据录入准确高效、数据统一规范、最大程度消除冗余信息等特点.应用实践表明,建立的专用数据库及信息管理系统在数据驱动材料设计研究领域可发挥重要作用.     

能源互联网重要基础支撑:分布式储能技术的探索与实践

可再生能源分布式发电的能量波动性以及用户驱动的能量需求的时空随机性,导致能源互联网中能量流本身具有先天的不确定性与无秩序性,因此,分布式储能技术由于可以有效消除能量流的不确定性,并使能量的时空转移和能量流的有序流动成为可能,成为能源互联网重要基础支撑.分布式电池储能作为一种重要的储能方式,电池单体本身非线性特性与电池成组或成网后单体间的差异性,使得电池储能系统"管理好"成为真正"使用好"的基础.但是,电池成组或成网后将构成复杂巨系统,这对"管理好"带来巨大的挑战.因此,本文基于作者多年理论与技术的成果积累,总结了一套适用于分布式储能的大规模电池网络优化管理的理论与方法,包括:单体和电池组或电池网络的建模与状态参数精确估算;基于模糊测度的电池网络特征提取及快速计算;基于自适应动态规划的电池网络优化管理.随后,本文将基于能源互联网思想的分布式储能架构及其管理优化方法与技术引入数据中心,并给出了其在数据中心中实际应用原型系统介绍.本文工作可以为能源互联网的重要基础支撑—分布式储能技术—的研究与应用提供方法指导与技术支撑.     

胶体超级电容电池

兼具高功率密度与高能量密度的储电技术是电化学储能领域的终极目标,寻找新型储电体系成为实现这一目标的重要策略.超级电容电池融合二次电池和超级电容器的优势,实现高功率密度和高能量密度在同一时空的统一.作为关键电极材料,超级电容电池型电极材料具有快速的电子和离子传输通道,在热力学、动力学允许条件下实现最大化利用氧化还原活性阳离子.目前开发的胶体离子超级电容电池能量密度可以达到350 Wh/kg,功率密度达到2 kW/kg.超级电容电池储电设备特别适合应用于脉冲电源、电磁弹射、能量回收、启停电源等领域.     

石墨烯基电极材料结构设计及其在二次电池中的应用

电极是实现高效电化学储能的基础,而常规的电极大多采用半导体甚至绝缘体为活性材料,不仅存在导电性差、电化学利用率低、倍率性能差等问题,而且部分电极材料在反应过程中还存在体积膨胀严重、中间产物流失等缺点,导致电极循环稳定性差.解决这些问题的有效途径之一是从电极材料的微纳结构入手,设计兼具高电化学活性及高结构稳定性的材料.石墨烯具有优异的导电性、超高的比表面积、柔性的二维结构及良好的机械性能,可用于构建高性能复合电极.石墨烯基电极材料结构主要包括核壳结构、三维网络结构、多级孔结构、三明治结构等,这些结构均对电化学储能器件的性能有不同程度的提升.本文以结构设计为主线总结了石墨烯在二次电池(如锂离子电池、锂硫电池和锂空气电池)电极材料结构设计中的应用,分析了不同结构类型在改善电化学性能方面的优势,为提高电化学储能体系的性能带来启示.     

淀粉的改性及其在可降解塑料和橡胶中的应用研究

淀粉作为一种天然高分子,由于其价格低,可再生,生物降解性好等优点,在材料制备与改性方面得到了人们的青睐.同时由于淀粉所固有的亲水性,难于加工性以及和石化材料间较差的相容性等也大大限制了其在非食品工业中的应用范围.本文介绍了国内外淀粉改性的最新进展及其尝试其在可降解塑料和橡胶方面的应用研究,并就目前该领域存在的一些问题作了初步探讨.     

器官芯片的制备及生物医学工程应用

器官芯片是在体外构建疾病(或正常)模型的一种新兴技术,近几年受到科研工作者和医务人员的广泛关注.相比构建模型的传统方法,具有便携性、高通量、可模拟在体微环境等优势,在研究疾病的发病机理、筛选药物等方面有着广阔的应用前景.本文介绍了器官芯片的发展历程,综述了器官芯片的主要结构及材料,通过分析现有器官芯片的结构,认为高度集...     

功能化石墨烯的应用研究新进展

石墨烯拥有独特的二维纳米结构,并显现出了超强的机械性能和优异的电学性能.尽管它的研究历史很短暂,但已经在很多领域内展现出了极高的应用价值.为了使石墨烯在应用过程中能够很好的分散,通常需要对其进行功能化.石墨烯功能化的方法大体可分为2种,即基于共价键的共价键功能化法和依靠分子间作用力的非共价键功能化法.本文综述了功能化石墨烯(FGs)在光电材料、传感和探测器、储能材料、催化、纳米增强复合物及其他一些领域内的最新应用研究进展,并展望了未来FGs应用研究的发展趋势.     

电场驱动喷射沉积3D打印

多材料多尺度3D打印是当前增材制造的前沿方向、研究难点和亟待突破的关键技术,它在组织工程、新材料、新一代电子产品、OLED、印刷电子、软体机器人等诸多领域有着非常广泛的应用,但是现有的增材制造技术在实现多材料跨尺度3D打印面临许多挑战性难题.材料喷射沉积成形技术在实现多材料多尺度3D打印具有非常突出的优势和巨大的潜能,本文提出一种电场驱动喷射沉积3D打印新方法,它突破了现有材料喷射沉积3D打印在打印材料、接收衬底、喷嘴材料、跨尺度制造等方面的一些不足和限制性,尤其是结合多喷头技术,能够实现跨尺度多材料复杂三维结构一体化制造.首先,阐述了该方法的基本原理,并通过理论分析和数值模拟揭示了其成形机理;随后,通过系统的实验研究,验证了电场驱动喷射沉积3D打印对于衬底(或者已打印结构)材质、打印高度和位置、导电和非导电喷嘴、打印材料普适性,以及所提出的两种工作模式在实现跨尺度制造方面的可行性和有效性;最后,通过4个典型打印案例,展示了提出的电场驱动喷射沉积3D打印在实现异质、跨尺度复杂三维结构化制造的能力和突出优势,证明了它在实现多材料多尺度3D打印方面的可行性和有效性.本研究为探索低成本多材料跨尺度3D打印提供了一种全新的解决方案.     

污染胁迫下的蛋白质组学研究

近年来,以双向电泳技术、生物质谱和生物信息学为核心的蛋白质组学技术飞速发展,其大规模高通量的特点,使得这项技术逐渐在环境科学领域,尤其是对污染胁迫下差异蛋白表达和污染物特异性的生物标志物的筛选研究中得到了广泛的应用。本文简要介绍了蛋白质组学的基本概念和技术方法,对蛋白质组学在微生物、植物和动物对于无机污染物和有机污染物胁迫的响应机制和分子生物标志物探究等方面的研究进展进行了概述,并对蛋白质组学技术今后在生态环境领域的需求、应用与发展进行了展望。     

利用AJAX技术提升有色冶金热力学数据库系统访问性能的研究

目前与冶金相关的数据库主要集中在化工、合金以及冶金热力学计算领域.有色冶金热力学数据库是其中的重要组成部分.然而现有的热力学数据库系统模式众多,各有千秋.本文重点研究利用AJAX技术提升基于Web的有色冶金热力学数据库系统访问性能.改进后,有色冶金热力学数据库系统克服了C/S结构的一些缺点.提高了系统的实用性.     

分子级光储热材料的研究进展

太阳能的开发和应用是目前解决能源危机的最具前景的方向.分子级光储热作为一种新型的太阳能存储与转化技术,在太阳能存储领域具有大规模应用的发展潜力.这种技术以有机分子的光致异构化为核心,在光照的条件下实现分子由低能量的稳态结构转变为高能量的亚稳态结构,并通过不同结构间固有的能极差达到将光能存储在分子的化学键中,在合适的条件下以热量的形式释放出来的目的.本文介绍了分子级光储热材料的储能机理,关键性能指标,常见光储热分子以及新型纳米结构的光储热材料,为研究和开发新型的高能长效的太阳能储热材料提供一定的理论基础.     

钙钛矿太阳能电池国际战略规划及发展态势分析

本文全面调研了美国、欧盟、日本及我国在钙钛矿太阳能电池领域的战略规划和项目部署情况,并基于权威机构认证数据,总结了钙钛矿太阳能电池研究最新进展,比较了各国技术实力。研究发现,各国都重视钙钛矿太阳能电池这一新兴技术,积极部署基础研究并推动其实用化和产业化;钙钛矿太阳能电池研究单元效率已突破23%,稳定性和大规模制备技术不断提高;我国在基础研究方面已经后来居上,创造了研究单元效率纪录,但在大规模印刷制备技术方面与美、欧、日等国家或地区还有一定差距。基于此,本文对我国发展钙钛矿太阳能电池以及钙钛矿材料提出了三点建议。     

地理要素多尺度表达的基本问题

地理要素的多尺度表达问题是目前GIS亟待解决的问题之一.针对国内外该领域的研究进展,探讨了多尺度表达的内涵,从多尺度空间数据库建库的角度,重点评述了GIS地理要素多尺度表达领域在形式化描述、数据结构、数据存储、智能缩放显示等方面的研究历程和现状,剖析了目前存在的目标内连、一致性维护、动态查询、协同更新等方面的学术问题,指出了未来几年内多尺度表达研究的方向和重点,对多尺度GIS的研究和开发具有一定的借鉴意义.     

形状记忆聚合物微纳米纤维膜在生物医学中的应用进展

形状记忆聚合物作为一种新兴的智能材料能够记忆暂时形状,并在外界激励条件下实现主动回复到初始形状的驱动过程.基于静电纺丝技术获得的形状记忆聚合物微纳米纤维膜与天然细胞外基质具有相似的三维结构,因此在生物医学领域,特别是组织工程中显示出巨大的应用前景.形状记忆微纳米纤维膜作为智能可变形材料为生物医疗的快速发展带来个性化、智能化的机遇.本文综述了形状记忆聚合物微纳米纤维膜的制备技术、结构形貌及驱动方法,总结了形状记忆聚合物微纳米纤维膜在骨组织支架、骨组织修复、神经支架及细胞培养等方面的应用研究,分析了形状记忆聚合物材料的其他结构在生物医疗领域的应用现状,进一步阐述了形状记忆聚合物材料未来面临的挑战及发展方向.     

聚合物捻卷型人工肌肉及其在软体机器人领域应用的研究现状

人工肌肉是一种新型的仿生柔性驱动器,具有显著柔顺性和柔软度,能够安全地与人体及其他生物环境进行交互.鉴于现有的人工肌肉存在负载程度低、迟滞效应大、寿命短等局限,一种基于尼龙等聚合物纤维进行加捻卷绕制作的人工肌肉(twisted and coiled polymer fiber, TCPF)应运而生.这种人工肌肉可产生超过40%的变形量,承受载荷的能力达到同等重量和长度人体肌肉的100倍之多,并且具有高达5.3 kW/kg的能量密度,迅速成为当前学术研究的热点问题.本文综述TCPF人工肌肉的发展历程和研究现状,着重围绕TCPF人工肌肉的制备工艺和驱动原理、新材料和结构、驱动方式的改进以及在软体机器人领域的应用等方面进行介绍,分析了现有研究中存在的不足和瓶颈问题,并对未来的发展趋势进行了展望.     

基础前沿交叉领域进展与趋势

基础研究是科技强国和现代化强国建设的基石,世界主要发达国家重视基础研究战略部署,全球科技竞争不断向基础研究前移。本文从基础交叉前沿领域国际重要的规划和计划,以及领域最新进展和重大突破着手,分析了目前基础前沿交叉领域发展的新方向和新趋势。分析结果显示,数学各分支更加深入交叉融汇,尤其是与自然科学、工程技术与社会科学更加广泛的交叉融合;大数据和人工智能的发展、新材料和新效应的发现,将会极大推动凝聚态物理、软凝聚态物理和材料物理的发展;引力波、中微子、宇宙射线天文学打开了观测宇宙的新窗口,天文学观测进入多信使时代;天文学观测视角从陆地拓展到极地,从地基拓展到空基;天文学观测进入多平台时代;化学通过与生命、医学、材料、环境、能源等其他学科的交叉融合,不断发现新问题、发展新方法、开辟新方向;纳米科技将成为推动世界各国经济发展的重要驱动力之一,越来越受到世界各国关注,纳米科技由基础研究向应用研究及产业化转变;量子计算时代即将来临,到2030年量子计算的应用市场规模可达500多亿美元,量子计算将在未来25年走向技术成熟。     

化学反应和结晶控制的电化学储能电极材料

电化学储能材料的微结构、尺寸、形貌等特征直接影响着电化学储能设备的性能,例如能量密度、功率密度、寿命等.因此,合成高电化学活性的电极材料是储能设备性能的重要制约因素.在电极材料的合成过程中,化学反应是材料合成的第一个步骤,然后经过结晶过程最终得到电极材料.通过控制化学反应和结晶过程,可以得到具有不同活性的电极材料.电极材料制备过程中的化学反应以及电能储存过程中的电化学反应都是本文要研究的问题.虽然在材料合成方面取得了巨大的进步,能够合成各种不同形貌、结构和性能的电极材料,但是对化学反应如何控制材料的结晶、结晶过程如何影响材料的电化学性能以及电极材料和电化学活性的对应关系,依然缺少深入的理解.本文通过研究反应控制的结晶过程以及结晶影响的电化学性能,揭示化学反应-结晶、结晶-电化学性能和化学反应-电化学性能的关系,以及提高储能材料综合性能的途径.     

树枝状有机电致发光材料近期研究进展

本文简要介绍了近期树枝状分子在有机电致发光材料领域中的拓展情况，总结了目前已经取得的一些令人振奋的研究成果，从中了解树枝状分子在该研究领域所特有的优势，并进一步展望了树枝状分子未来的研究前景。     

专利视角下国际干细胞领域发展态势剖析

以干细胞为主题的相关研究是现今生命科学的前沿和热点之一,本文从专利分析视角出发,以德温特专利分析和评估数据库(TI)中收录的1999—2018年国内外干细胞领域专利数据为研究对象,综合运用文献计量和可视化方法,对检索出来的全球干细胞技术专利数量、地域分布、技术类别、专利权人机构、技术主题等进行统计及可视化分析,并着重对近十年的专利技术主题图景进行定性解读,力图多方位、多层次剖析干细胞领域研究现状,旨在为促进我国干细胞与再生医学研究的未来发展提供参考。分析结果表明,目前干细胞领域研究渐趋平稳,美国在该方面的研究处于领导地位,是干细胞最重要的专利布局地,其相关大学、企业等在干细胞技术领域拥有较多的专利数量;目前研究主题集中在干细胞培养、治疗(心脏疾病)、材料和装置、提取物衍生物、基因序列及表达等方面。