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聚焦“低维材料”东方科技论坛上海举行东华大学承办
中国经济网记者 李治国 / 时间:2016-06-06 09:10:50

  据中国经济网上海2016年6月1日讯 从基于纳米纤维膜的水净化技术到用于液晶显示的光学补偿薄膜,从可穿戴的纤维状能源器件到面向智能服装的低维功能材料,这些海内外学术界、产业界专家来沪报告的种种高精尖材料,有同一个关键词——那就是“低维材料”。
  由上海市人民政府、中国科学院、中国工程院主办,东华大学承办的第274期东方科技论坛,就聚焦在“低维材料体系的基本科知识题与应用探讨”。
  在实体空间中,材料总是表现出长、宽、高3个维度,因此大家日常所见的材料一般都是拥有相当大维度的条、面、块。
  然而,当这些材料逐渐地变薄变细变小,在长宽高等某些维度或全部维度上的尺寸足够小时,就会成为“低维材料”,例如零维材料(量子点、原子簇等)、一维材料(高性能纤维、纳米线等)、二维材料(功能膜材料等)。
  事实上,当材料在某一维度的尺寸足够小时,比如达到一个分子乃至一个原子的尺度范围时,就会展现出不同于日常材料的特性,在力学、光学、磁学等领域具备神奇性能,变身为传说中的“智能材料”。
  从可折叠的柔性电池、可弯曲的非平板显示器,到可穿戴的电子智能终端,当轻薄材料更轻或更薄乃至隐于无形时,它们可以实现对物质和能量的调控。比如,以二维材料膜的形式,调控水分子、气体分子乃至光子的通过性,改变光能、净化水和空气等。
  总之,当今低维材料的研究趋势正是追求材料的性能极限——更轻、更薄、更细、更柔、更强,为人类提供性能更优异的基础材料,通过对物质和能量的有效调控,实现对生命健康、智能生活、航空航天、深地深海探测等领域的升级变革。
  例如,为解决传统液晶显示(LCD)视角受限及对比度偏低的问题,国际高分子领域的领军人物、美国工程院院士程正迪教授和美国阿克隆大学F. Harris教授共同发明了基于可溶性聚酰亚胺(PI)的高透明单轴负双折射(NB)光学补偿膜。
  先是美国Rockwell International企业运用这一专利技术制造用于客机仪表显示器件;后来,世界最大LCD功能膜供应商之一日本电工与他们合作,于2000年成功将这种光学膜用于大面积LCD器件,如Sharp生产的液晶电视屏。世界范围内该项发明的商品化在很大程度上促进了全球LCD产业的增长,增强了工业界对进一步应用和发展LCD的兴趣。
  2015年5月,国务院公布了“中国制造2025”规划,“新材料”作为十大重要领域之一;同期,上海市出台《关于加快建设具有全球影响力的科技创新中心的意见》,“材料”作为“国家科学中心”重点发展学科领域之一。
  在国外,欧美国家的相关重要研究机构纷纷将低维材料研究列为前沿突破方向,亚洲近邻如新加坡和韩国,也分别成立有以石墨烯和碳纳米管为切入点的低维材料研究中心。在国内,清华大学建有以研究低维体系基本物理问题的低维量子物理国家重点实验室;中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室则建有低维物理与化学研究部。
  通过Web of Science数据库检索,国内外十余家低维材料研究机构近15年在这一领域发表的论文数量及其被引用率,自2007年开始有较大幅度提升,而从2012、2013年开始论文的被引率迅速提高,而且主要研究方向聚集在:石墨烯材料、低维碳材料、铁电及光电薄膜与器件、低维人工结构功能与仿生材料、有机金属氧化物及金属镀层薄膜材料、环境功能材料、光电显示技术等方面。可以说,在材料科学中,低维材料日益发展为一门“显学”。
  在低维材料研究成果的产业化方面,仅以用于水处理的膜产业为例,基于反渗透膜、超滤膜、微滤膜等“膜法”工艺的水处理产业,2014年国内总产值就达700亿元规模。工信部提出“十三五”我国膜工业发展目标,年均增长率将达到或超过20%,保守估计到“十三五”末,全行业产值规模将再翻番,达到2000至2500亿元,膜产品的出口产值每年也将超过百亿。譬如代表净水材料主流和趋势的反渗透膜,目前处于寡头竞争格局,全球主要的七大厂商包括陶氏化学、日东电工、日本东丽、美国GE、美国科氏、韩国世韩和时代沃顿,其中陶氏就占下约四成份额。
  作为此次东方科技论坛的承办方,东华大学纤维材料改性国家重点实验室和东华大学先进低维材料中心也在低维材料领域展开探索并寻求突破。一维材料——纤维也是低维材料的代表,而纤维材料是东华大学优势学科,并建设有纤维材料改性国家重点实验室。2015年10月,东华大学进一步成立先进低维材料中心。中心主任及首席科学家由国际高分子领域的领军人物、美国工程院院士程正迪担任。
  该中心以国家和上海发展战略需求为动力,以国际低维材料发展前沿为导向,以国际前沿不断发展的学术思想为引导,以东华大学优势学科为基础,积极寻求新的突破和学科增长点,致力于解决低维材料体系的基本科知识题,在信息、能源、光电、传感、生物医用、环保等多方面形成原始创新成果,并在相应领域实现产业化。
  给一个低维材料应用的现实案例,那就是让锂电池“穿戴在身”。苹果手表的问世,象征着未来电子设备发展的新趋势——可穿戴。随着表面材料、屏幕等的曲面化,电子设备中最重要的部件——电池的柔性化将会是突破的重点和难点。
  而在神奇的低维材料世界,即使是脆性的陶瓷材料,在厚度薄到毫米级以下后,也是可以弯曲的。如今研发的柔性线性锂离子电池就具有同样的柔性。最新研究表明,这类电池在1000次弯曲循环后,其容量保持率高达97%。此外,这些电池还能被编织为轻便灵活可拉伸的电池纺织品,有大规模应用的可能。近年来,柔性锂离子电池研究取得了实质性发展,已在卷曲式显示器、触摸屏、可穿戴动力传感器和可植入医疗装置等方面得到应用。
  基于低维材料的柔性电池,尤其是全固态电池有很大的应用前景,其优势之一是能量密度高。使用了没有电解液的全固态电解质后,锂离子电池的适用材料体系也发生改变。新型的全固态电池相比一般锂离子电池,能量密度有一个较大幅度的提升:现在许多实验室中,都已可以小规模批量试制出能量密度为300~400Wh/kg的全固态电池,而一般锂离子电池是100~220Wh/kg。从能量密度的数据上看,或许全固态电池真的有希翼让大家的生活从“一天一充”升级到“两天一充”。
  其优势之二在于体积小。电子产品中的可用空间往往很有限,手机、平板电脑等很多产品有近1/3左右的体积和质量被电池占据,而且在广大生产厂商和消费者希翼电池增加续航和压缩体积的要求下,体积能量密度最高的钴酸锂(LCO)电池成为当仁不让的主流产品。在这一点上,传统的锂离子电池技术是很难达到的。
  还有一个优势是更安全。作为一种能量存储器件,实际上所有电池在热力学实质上都不可能是绝对安全的。目前普通锂电池的安全性影响因素涉及电解液,这种有机液体在高温下发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧的倾向都会加剧。而如果采用了全固态电池技术,所得电池的最高工作温度可以从现在的40度提升到更高,工作温度区间更宽,应用范围也会更广。安全性,已成为全固态电池领域发展的最根本驱动力之一。
  不仅如此,功能化的全固态电池潜力远不止这些:经过电池材料结构优化,可以制成透明电池,或者是拉伸幅度高达300%的可拉伸电池,或是可以和光伏器件集成化的“发电-存储一体化”器件等等。该次论坛上的专家纷纷表示,低维材料的特向异性会给老百姓的生活带来越来越多的惊喜。

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