两亲性共聚物热致水凝胶

随温度升高发生溶胶-凝胶转变的热致水凝胶是一类重要的可注射的生物医用材料.当其相转变温度处于或高于室温而低于体温时,该类材料可在室温或低温下负载药物或细胞,并在注射入人体后原位形成凝胶,成为药物持续释放的储库或细胞生长的支架.目前,常见的热致凝胶化的聚合物包括聚乙二醇(PEG)/聚多肽嵌段共聚物、聚有机磷腈,以及PEG/聚酯嵌段共聚物等.本综述侧重于复旦大学生物医用材料课题组在PEG/聚酯类可注射性热致水凝胶方面的研究进展,并结合国内外其他课题组的相关研究,介绍了此类材料性能的调控规律、凝胶化机理,以及潜在的医学应用.     

分子识别响应型智能膜的研究进展

分子识别响应型智能膜兼备分子识别特性和膜过程能耗低效率高的优点,可以实现特定分子识别型控制释放、以及化学或生物物质的高精度分离等.本文主要综述了分子识别响应型智能膜的设计方法与应用,重点介绍了3类分子识别响应型智能膜及其应用:基于主客体作用分子识别响应型智能膜、基于耦合作用分子识别响应型智能膜以及基于螯合作用分子识别响应型智能膜,为新型分子识别响应型智能膜材料的研制以及分子识别响应智能膜过程的强化与应用提供了有价值的参考.     

基于谷氨酸树枝状两亲分子的超分子水凝胶的收缩及其功能化应用

超分子凝胶是基于低分子量凝胶剂分子在溶剂中通过分子间非共价相互作用自组装形成的具有网络骨架结构的半固态、半液态的软物质材料,其易于制备、组装结构多样并具有多重刺激响应性,有望在智能材料等领域得到应用.刺激响应性包括一些物理或化学刺激,如温度、pH、离子强度、磁场、电场、光照、氧化还原、化学及生物物质等,凝胶材料可以在这些刺激下发生诸如凝胶的形态(溶胶-凝胶)、体积(收缩-膨胀)和形状(形状记忆)等的可逆变化.其中,可以发生宏观上的体积相转变的刺激响应性水凝胶尤为引人注目,在药物释放、生物感应、可控微流阀门以及组织修复愈合等方面具有广阔的应用前景.本文介绍了一种基于谷氨酸树枝状两亲分子的具有体积收缩功能的超分子水凝胶,阐述了该凝胶体系对金属离子、pH、温度和光等刺激信号的响应及其可逆收缩-膨胀机理,并介绍了利用超分子凝胶的收缩特性在混合染料分离、可视化手性识别与检测、手性光学开关和药物释放等领域的应用.     

耐碱的胍盐阴离子交换膜研究进展

近年来,碱性阴离子交换膜燃料电池的发展得到了国内外研究人员的广泛关注,其中开发具有高碱稳定性的阴离子交换膜材料成为了研究的热点和难点.除了聚合物骨架,改善离子基团的稳定性对于阴离子交换膜材料整体稳定性的提高具有关键作用.胍盐离子作为一种新型的离子基团,分子结构中正电荷共轭分布在中心碳和3个氮原子上,电荷高度离域使得胍盐离子具有非常优异的热稳定性和化学稳定性,有望解决传统季铵盐离子在碱性条件下存在的降解问题.本文综述了近年来胍盐型阴离子交换膜材料的研究进展,其中包括胍盐阴离子交换膜材料的制备、分类以及胍盐离子的降解机理,同时对于耐碱型胍盐阴离子交换膜的结构设计进行了分析和展望.     

亚酞菁薄膜的短波长静态记录特性

利用高数值孔径的短波长光盘静态测试仪研究了三硝基溴硼亚酞菁(BTN-SubPc)薄膜的静态光存储特性. 结果表明, 该薄膜不仅适于红光(632.8 nm)记录, 用较小功率(8 mW)和脉宽(200 ns)的Ar+激光(514.5 nm)辐照膜片时, 也可获得大于30%的反射率对比度, 显示出该类材料用作短波长(蓝绿光)高密度光存储介质的巨大潜力. 同时, 将光存储染料的应用波段拓展到了吸收带的短波边, 为双波长记录/读出的实现和短波长记录材料的选择提供了一种新的思路.     

银纳米线网络的高有序排列及其图案化设计

银纳米线的有序排列及图案化,是制备柔性触控感知单元结构的关键步骤,也是银纳米线透明导电薄膜实际应用的最具挑战性的难题之一.传统的银纳米线有序化具有涂布速度慢、流体动力小、有序化程度不高等缺点.本研究使用0.4 wt%超细银纳米线(直径20 nm)的乙醇溶液在快涂布速度下(60 mm/s)制备了有序化程度高达0.82的银纳米线透明导电薄膜.银纳米线网络的超高有序化归因于毛细管作用力和流体动力的大幅度增加.在有序化银纳米线网络结构的基础上,利用常规光刻法和湿法刻蚀制备导电通道,通道宽度范围为20～500μm,精度高达99%以上,为其在可拉伸电极中的实际应用提供了参考.     

天然纤维素物质模板制备功能纳米材料研究进展

自然生物物质特殊的天然结构赋予其人工材料所难以比拟的优异功能,是构建人造功能纳米结构材料理想的模板物质.天然纤维素物质作为一种常见的天然高分子化合物,从宏观到分子层次的独特阶层结构及其在纳米层级上的多孔网状形貌可期赋予以其为模板而制备的有关人造材料独特的性质和功能.以纳米层级的精度和客体基质(无机和有机的)精确复制自然纤维素物质,能够最大限度地把其优异性能(如多孔隙结构和高内表面积)引入到相应的人造材料中去.应用表面溶胶-凝胶方法可以在纤维素物质的纳米纤维表面以纳米级别的厚度可控沉积金属氧化物凝胶薄膜,特定功能的客体物质能够进一步地表面组装于其上;继之以合适的方法去除纤维素模板成分即得到相应的具有纤维素物质阶层状结构和形貌的人造功能材料.本文简述了以此为基础设计和构建新型纳米结构材料(如金属氧化物及其复合纳米材料、聚合物纳米材料、硅和金属纳米材料等)的研究进展.以自然纤维素物质为模板或支架开发功能材料是一条获得新型功能纳米材料的简便、低成本和对环境友好的捷径.     

三维声学超材料的高阶拓扑态

位于"边缘的边缘"上的高阶拓扑态的发现为限制和控制光波、声波以及弹性波的传输提供了一种新思路.目前,高阶拓扑态已在二维的机械、电磁、光学、声学和弹性系统中得以实现.然而,三维声学系统中对高阶拓扑态的研究却鲜有报道.本研究针对这一现象提出了一种具有一阶表面态和二阶铰链态的三维声学超材料.该三维声学超材料可以在其布里渊区的K-H方向上形成二重简并的交线.改变超材料单胞内外耦合强度的相对大小,线性简并交线打开形成完全带隙,生成平庸型和拓扑非平庸型声学超材料.能带结构、特征频率及传输效率的分析结果表明,当内耦合强度小于外耦合强度时,带隙范围内声学超材料具有拓扑非平庸的一阶表面态和二阶铰链态;当内耦合强度大于外耦合强度时,带隙范围内声波将无法在声学超材料的任何部位传播,该声学超材料是平庸的.三维声学超材料高阶拓扑态的实现突破了二维系统的局限,在声波能量回收和高精度声传感器方面具有潜在应用前景.     

一种基于双极性驻极体的多气隙结构微振动能量采集器

为实现物联网的自驱动供电,本研究提出一种基于双极性驻极体的多气隙结构微振动能量采集器,驻极体材料为三明治型双极性复合驻极体膜.其基本结构单元为驻极体薄膜被放置在由微型弹簧支撑的两个振动电极中间所形成的双气隙结构.这种双气隙结构等同于两个对称的可变电容.利用驻极体所产生的静电场在电容中产生原始电势差,在振动激励下使电势差发生变化,实现电荷的流动,将振动能转变成电能.对能量采集器性能的测试结果表明,在振动频域30～180Hz范围内存在一个谐振频率和最大输出功率.最大输出功率与振动强度、气隙数、驻极体膜的面积和电场强度呈正相关.当振动强度为0.5N时,在负载电阻为55MΩ时,四气隙结构能量采集器在谐振频率97Hz处的最大输出功率达到了59.12μW.     

气凝胶纳米多孔材料传热计算模型研究进展

对新型气凝胶纳米多孔隔热材料等效热导率计算模型在近年来的发展进行了研究总结,介绍了(1)纳米尺度下气凝胶隔热材料的气相/固相/辐射等不同传热模式的传热特点;(2)气凝胶纳米尺度多孔网络中的气相传热、固相传热以及辐射传热的理论计算、数值预测以及经验关联等不同计算模型的特点及建立方法;(3)气凝胶纳米多孔隔热材料以及气凝胶复合隔热材料的整体等效热导率计算模型的研究进展;(4)以前期开展的研究工作为例,具体说明了气凝胶复合隔热材料从纳米尺度到微米尺度的传热模型的建立过程以及整体等效热导率计算模型的建立方法;(5)对分子动力学方法在气凝胶纳米多孔材料中的应用做了简要介绍.最后指出,对于气凝胶纳米多孔材料,其纳米尺度下的气固接触界面等特殊区域的耦合传热机理研究还不完善,复杂结构的纳米颗粒的固相热导率以及整体热导率计算模型也不够准确.因而采取适用于纳米尺度下的传热计算方法对这些问题进行更细致深入的研究,可以为进一步阐明气凝胶复合隔热材料内部的热量传递机理,建立更准确的气凝胶复合隔热材料传热计算模型,探索不同影响因素对传热性能的影响规律,以及开展气凝胶复合隔热材料的性能预测及优化等方面的研究,提供理论指导帮助.     

西藏申扎地区早二叠世冰海相地层中孢粉化石的发现

拉萨地块下二叠统拉嘎组是一套与冈瓦纳地区晚古生代大规模冰川作用有直接联系的沉积地层,作者在西藏申扎地区的拉嘎组中分析出孢粉化石,说明早二叠世蕨类植物孢子和裸子植物花粉的出现与冈瓦纳大陆冰川消退事件有密切联系.该套孢粉组合中蕨类植物孢子含量远低于裸子植物花粉含量,双囊具肋花粉和单囊花粉含量最高,Hamiapollenites与Striatoabieites两属地位尤为突出;组合中蕨类植物孢子含量虽低但分异度较高,单气囊花粉Cordaitina所占比例较大,双囊具肋花粉Hamiapollenites,Striatoabieites,Protohaploxypinus的种数很多,可建立Hamiapollenites-Striatoabieites组合.值得注意的是,除了少数"冈瓦纳型"分子Parasaccites obscurus,P.cf.radiplicatus,Plicatipollenites indicus的存在外,其余含量极高的分子则可与新疆北部早二叠世孢粉组合相对比,说明早二叠世冈瓦纳和亚安加拉共有某些植物类群的可能性是极大的.这类孢粉组合在早二叠世冰海相沉积物中的出现表明,拉萨、南羌塘等地块由冈瓦纳北缘向华夏区转换的过程中,微植群发生的混生可能比古动物群响应的更早,至少在早二叠世的冰期末或冰期结束后就已经发生了.     

退火与“机械退火”对金属玻璃结构和力学性能的影响

金属玻璃是一种新型亚稳态金属材料,具有一系列优良的物理、化学和力学性能。然而在高温或室温长期使用条件下,金属玻璃易于转变为更稳定、更低能量状态的晶体材料,已成为限制其广泛应用的瓶颈之一。研究金属玻璃的退火对其结构、力学性能的影响具有重要的意义。文章综述了常规退火与"机械退火"对大块金属玻璃的结构和力学性能的影响。研究发现:在玻璃化转变温度以下退火时,密度、剪切波速度、纵波速度和弹性模量随退火时间的增加而增加,这是由于在结构上不同程度的原子重排所致;大块金属玻璃在低于屈服强度的恒定应力下"机械退火"密度增加;卸载载荷室温下时效处理超过30天后,屈服强度和断裂强度均降低,并且在塑性阶段锯齿状塑性流动的幅度增加。这个结果可能对于深入理解大块金属玻璃的结构和塑性变形具有一定的指导作用。     

纸基和类纸基柔性薄膜器件研究进展

近年来,柔性薄膜器件得到了蓬勃的发展,尤其是纸基或类纸基的器件由于具有低成本、柔性、多孔性、自发的液体驱动性等独特的优势,在生物、化学、物理、材料等领域都已得到了广泛的应用.得益于纸基和类纸基(柔性基质材料和光子晶体纸)等膜材料的快速发展,许多多功能、高集成的膜基器件得以问世,使得传统纸张与其他薄膜材料之间的严格界限也逐渐变得模糊.传统纸张可以被认为是一种柔性的薄膜材料,而具有适当柔性或多孔结构的薄膜材料也可以被定义为"纸".纸基和类纸基材料可以驱动液体和调控电子,制作出来的柔性薄膜器件可以用于生化分析器件和复杂的微电子器件.本文较为全面地对传统纸张以及其他柔性薄膜材料所制作的柔性薄膜器件的历史发展和最新进展进行了总结,包括纸基和类纸基柔性膜的制备方法、对微流体和电子的操控和基于这些操控所衍生出来的多元化应用.     

基于三维圆锥设计的空气取水性能强化

吸附剂材料和系统结构是影响吸附式空气取水效果的两大关键因素.目前,已开发的水凝胶、金属有机框架材料以及高吸湿复合物等吸附剂已具有非常优越的取水潜力,而传统的依靠材料堆积的系统结构,导致整体的吸附动力学特性较差,制约了系统的取水性能.为了解决这一问题,本文采用活性炭纤维浸渍氯化锂作为吸附剂,通过三维圆锥形结构设计,在不牺牲材料性能的前提下,优化了系统的传热传质性能,进而在吸附和解吸方面分别实现了1.6和1.3倍的性能提升.     

基于光子晶体的楔形槽波导的慢光效应分析

提出了一种基于光子晶体楔形槽波导来实现光速减慢的方案, 该方案通过改变光子晶体槽波导中空气槽的宽度来改变导波模的色散特性. 当空气槽的宽度减小时, 导波模色散曲线向低频方向移动. 当某个频率的光沿着光子晶体楔形槽波导传播时, 群速度逐渐减慢, 在满足截止频率条件时群速度降为0. 另外, 空气槽内可以填充其他低折射率的电光或高非线性材料, 被束缚在槽内的慢光与槽内填充物质的相互作用加强, 可以用来实现小体积高灵敏度的各种全(电)光器件, 而且这种光子晶体楔形槽波导通过结构参数优化能够实现慢光的色散补偿, 为实现无高阶色散的超宽带慢光提供了可能.     

利用TIRFM技术检测PC12细胞中类突触小囊泡的锚定和融合特性

受到广泛关注的神经递质的释放是通过突触囊泡与突触前膜的融合完成的.通过对单个囊泡动力学的分析发现,在突触囊泡分泌过程中除了"完全融合"(full fusion)模式外,还存在着"部分融合即离开"(kiss and run)和"部分融合且停留"(kiss and stay)两种融合模式.在神经元受到强烈刺激时,这两种分泌模式尤为重要.同时突触囊泡融合前的转运、锚定、激活过程在神经递质的释放和调节过程中起着很关键的作用.在高K 刺激下的PC12细胞中,我们运用全内反射荧光显微镜(total internal reflection fluorescence microscopy,TIRFM)技术,通过VAMP2-pHluorin和VAChT-TDimer2双色荧光成像的方法跟踪类突触小囊泡(synaptic vesicle-like microvesicles,SLMVs)的锚定和融合过程.结果表明,在高K 刺激的PC12细胞中,部分融合即离开这种分泌模式占主导地位,同时发现在高K 刺激下SLMVs在细胞膜上的停留时间增加了,说明被激活囊泡的囊泡数量增加.     

基于电磁Hopkinson杆的无机玻璃动态力学性能测试技术

无机玻璃作为典型的脆性材料,其失效应变极小,因而对其进行动态力学性能测试一直是冲击动力学和实验力学领域的难点问题.本文提出一种全新的实验技术——电磁分离式Hopkinson压杆(electromagnetic split Hopkinson pressure bar, ESHPB)来解决这一难题,并利用钠钙硅酸盐玻璃进行了验证.实验结果表明,与单向冲击加载相比,采用双向对称ESHPB能够使玻璃试样更快地实现应力平衡和恒应变率变形,从而获得更为精确有效的动态力学性能数据.通过与准静态实验结果的对比发现,该种玻璃材料在冲击载荷下压缩强度显著增大,呈现出很强的应变率效应.此外,本文还利用超高速相机原位实时观测了玻璃试样的变形和破坏过程.变形图像表明,当裂纹不断成核、扩展并汇聚至充满整个试样时,试样完全失去载荷承受能力.     

利用红外热像研究不同浓度腐蚀液中GaAs 的反应启动时长

提出了一种测定材料湿法刻蚀启动时长的红外热成像新方法. 该方法的实质是利用反应启动时必然有化学热吸收或释放, 从而引起材料表面液膜温度变化这一特点, 通过红外热成像实时监测系统, 采集液膜温度变化过程的红外热像, 从而判断反应启动时长. 实验发现, 2 mm宽线形液膜是较为理想的监测对象, 因其同时具备温度变化信息和空间分布信息, 可以将线形液膜中心作为理想的观测特征点; 由滑动液滴形成残留线形液膜可以得到超浅液膜, 温度变化灵敏度高, GaAs竖直放置, 可以避免液膜重力对启动时长的影响, 获得更为准确的监测数据. 在本实验条件下, 由线形液膜的横向剖面灰度变化得到GaAs材料与H2SO4:H2O2:H2O(= 5:1:50和15:3:50)腐蚀液的反应启动时长分别约为0.2 s和0.3~0.4 s之间. 该方法的提出, 对于快速刻蚀技术以及固-液吸附等性能研究均具有重要价值.     

无机膜——新的工业革命

无机膜(陶瓷、玻璃、金属及其复合材料膜)与已经广泛商品化的高聚物膜相比,由于耐高温、化学稳定、耐腐蚀、力学强度高、结构稳定和易于再生,因而更适于高温或其他恶劣环境下的技术应用,特别是生物技术、石油化工膜反应器、高温气体分离等方面,有人预料无机膜技术的发展将引起—场新的工业革命.以最为吸引人的高温气体分离和膜反应器为例,其工业应用前景到底如何呢?在走向成功的道路上,材料科学与工程学家们面前的任务是什么呢?     

新型三油酸甘油酯-活性炭复合吸附剂的性能表征及吸附行为

研制了一种新型三油酸甘油酯-活性炭复合吸附剂, 并对其制备方法、形态结构及其对水中狄氏剂的吸附行为进行了研究. 实验结果表明, 这种新型复合吸附剂以活性炭作为支撑载体, 活性炭外侧包覆镶嵌三油酸甘油酯的醋酸纤维素膜; 新型复合吸附剂性能稳定, 在水中浸泡5周后三油酸甘油酯无泄漏, 对水中痕量亲脂性、持久性有机污染物狄氏剂有较强的吸附能力; 反应48 h后, 体系中狄氏剂的浓度为0.204 μg·L?1, 相同实验条件下去除效果优于传统的吸附材料活性炭.