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增加聚合物电解质膜燃料电池中的质子的导电率

materialsviewschina — Wed, 11 Aug 2010 23:00:46 +0000

由于聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）具有较高的能量效率，且不排放二氧化碳，所以相关的研究显著增加。这些燃料电池中关键组件就是质子交换膜，该膜作为电解质将质子从一个正极转移到负极。最常见的质子传导聚合物是磺化全氟聚合物，如Nafion，但是这种聚合物的使用受限于较高的生产成本和较低的运行温度。为了克服该缺点，研究人员大量研究有磺酸基团的芳香族聚合物，因为这些物质具有较高的稳定性。如全氟烷基磺酸体系，这些聚合物将磺酸部分作为质子传导基团。

为了寻找质子交换膜的新聚合物材料，Yoshimura and Liebeskind专注于将半方形酸作为质子传导基团。半方形酸是碳氧化物族的芳香组分，按照计算方法，预测该物质的分子间的质子交换存在较低的能量障碍。

作者通过锂化芳香族聚合物和二异丙氧基方酸反应，然后用盐酸处理，将方形酸基团引入芳香族聚合物。包含方酸功能基团（PPSf-SQ, IEC = 4.1 meq•g-1）的聚苯砜在80°C和95%的相对湿度条件下，具有的1.0 × 10-1 S•cm-1质子传导率，这表明半方酸有可能会成为聚合物电解质膜的质子传导基团候选材料。

进一步的研究可以在聚合物骨架和半方酸之间引入间隔物，来增加流动性，燃料电池应用中的概念和化学稳定性，将突出半方酸作为质子交换膜中的质子传导基团的优势。

K. Yoshimura, L. S. Liebeskind, Macromol. Rapid Commun. 2010 ; DOI:10.1002/marc.201000223

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绝对钝化

materialsviewschina — Tue, 10 Aug 2010 23:00:59 +0000

人们对于可再生能源有了比以往更更大的需求，寻找改进现有技术的方法的目标与制定解决方案一样有价值。当然，人人都愿意从中找到圣杯，但是如果我们谈论向可再生能源社会迈进的时候，从形式到本质，将可再生能源都作为主要动力来源，那么每次提高，每次调整，每次重新规划都会引领我们逐步接近转折点。

尽管以工业革命重工程规模上来说有些研究是有进步的，但其它的则实际上进步很小。荷兰埃因霍恩的一个科学小组的新工作专注于在单一分子尺度改进太阳能电池。与大多数事情一样，采用改进硅片太阳能电池的性能的策略来提高效率，可通过减少其表面的电荷损失来实现。能够成功终止泄漏（或电荷复合）将意味着在生产中可以使用更薄的硅片，从而减少单位耗材。已证实氧化铝涂层可作为硅片太阳能电池的有效钝化层，但是工业应用还受限于缺乏与产出速度一致的涂层涂覆技术。Paul Poodt和他的团队已经有一个解决方案，采用一种修正的原子层沉积技术（ALD）。

该技术源自在CMOS半导体制造中大量使用的化学气相沉积技术，该技术可以在底物上产生共形的单分子层。这种技术很精确，但是速度有点慢，因为其中涉及用每个反应之间的带清洗步骤的2个半反应来起始涂覆过程。但是，埃因霍恩的团队采用ALD技术，通过在空间上分开2个半反应，而不是在时间上分开这2个半反应，改进了尺寸。采用一种传送带技术，可以将底物转移到反应室中，同时反应还在进行，使得其速度达到工业生产的要求。

钝化太阳能电池到目前为止都不错，但是ALD的优势在于其多用途性，该技术对于照明、显示技术、软性电子或可能需要封装或障碍/缓冲层的任何工艺都有好处。Poodt和他的团队认为这只是朝下一代电子制造工具迈进的一小步。

图片来源: http://www.flickr.com/photos/clearlyambiguous/ / CC BY 2.0

P. Poodt et al. Adv. Mater. ; DOI: 10.1002/adma.201000766

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什么决定了聚合物太阳能电池的性能？

materialsviewschina — Tue, 10 Aug 2010 23:00:34 +0000

在过去150年内，世界的能源消耗量急剧增加，而且，由于世界人口的增加，能源消耗量还将进一步增加。因此，对可再生能源的需求就变得越来越急切。世界上的研究人员都忙于找到可代替目前矿物燃料的创新方案。太阳辐射式可再生能源，实际上可无限获取。有多种利用太阳能的方式，最具前景的技术就是将阳光通过光伏（PV）技术直接转化成电能。已出现的基于纳米结构聚合物的太阳能电池（PSCs）是颇具前景的，是传统无机光伏的低成本替代方案，现在在学术和工业领域都成为了研究的热点。对于要成为实用高效作者的PSCs来说，还需要解决几个问题，包括进一步了解其操作过程和稳定性，而光敏层的超微结构很大程度上又决定了其稳定性。

在最新的综述中，J. Loos和其合作者讨论了影响形态建成的临界参数，及特定电子受体和供体系统的最终光转化效率。总结了最近的进展，关于体异质结PSC的效率在很大程度取决于光敏层的纳米级结构。

J. Loos et al., Macromol. Rapid Commun., 2010 ; DOI: 10.1002/marc.201000080

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更大间隙和光敏感性的原子开关

materialsmx — Tue, 10 Aug 2010 08:11:15 +0000

一个原子开关包括2个电极，其中一个是固体电极。在电极侧面方向上施加一定的偏压，电化学沉积在固体电极上就会形成突出部分。这种突出部分就可以作为电极之间的桥梁，开关接通。如果在反向上施加一个偏压，突出部分就会变小，断开该装置。很显然，这个过程在2个电极之间只需要很短的间隙。到目前为止，原子开关的间隙大约为1nm。实现这种纳米级的间隙极具挑战，但是这种装置也极具价值，因为该装置代表了最小的开关，对于纳米级装置非常实用。在日本Osaka University与国家材料科学研究所（National Institute for Materials Science）的最近工作中，制成间隙为10-80nm的原子开关成为可能。Tanaka、Hasegawa及其合作者的原子开关包括一个覆盖电极和间隙的光导有机层。这种设计使得原子开关需要的制造技术更简单，而且还增加了功能性。最初，需要光和偏压一起才能完成原子尺度的桥接。没有合适的光线，该有机层就没有形成桥接所需的光电流。然而，初始化后，该装置就具有正常的原子开关功能。因此，该装置有2种水平的开关作用：初始化和标准的开/关过程。因而，这种开关就可通过程序控制，可用于光敏存储装置。该研究还证实装置的初始化次数随间隙的尺寸不同而不同；较大的间隙需要更多的光照次数，才能完全初始化。这些差异可能会形成控制开关的其它方式。尽管最近的报告只包括一种有机层，但是可能同样需要整合其它薄膜。这种具有有机层装置的阵列中，有机层可对不同的波长产生反应，该装置就可以作为精密的光敏器件，用于图像检测。

T. Hino et al., Small ; DOI: 10.1002/smll.201000472

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层状足球体

materialsviewschina — Wed, 14 Jul 2010 00:19:42 +0000

自从20世纪80年代中期发现富勒烯以来，这种物质就引起了轰动。该细小的中空球体由60个碳原子以五角形和六角形形状构成，如一微型英式足球，有着不寻常的物理特性。同时，科学家已经研发了各种包含富勒烯的材料。现在，已经制成了一种新的富勒烯变体：由俄罗斯和日本研究组人员共同制成的第一种由二维富勒烯层制成的物质，该物质的性质与金属的性质类似。就如研究员在新研究中报道的那样，该种化合物可开创新型超导材料之先河。

所有先前的具有金属性质的富勒烯结晶体均为一维或三维结构并且包含了金属元素。来自于琴诺格洛夫加、京都、名古屋的Dmitri V. Konarev、Gunzi Saito以及其同事致力于制造一种由二维富勒烯层构成的含“盐”的金属导电富勒烯。此外，他们也期望制成的富勒烯不含金属离子，只含碳元素、氢元素和氮元素。

要完成该工作，需要三种不同的成分：1）富勒烯阴离子，带负电荷的微型球状物质；2）带正电的有机抗衡离子（阳离子）；以及3）中性有机大分子。成分2的阳离子用于保持电荷在物质中的正确分布。中性成分3确保了单个基本成分在晶体结构中正确的空间排列。

问题：晶体中的富勒烯阴离子有成对的趋势。为确保物质呈金属的性质，需要在富勒烯层中压实富勒烯阴离子。只有当中性成分的几何结构和尺寸确切无误时，才能起作用。研究组选择使用三蝶烯作为中性成分；三蝶烯为芳香环系统，其形状会令人想起三叶螺旋桨。研究组使用的有机阳离子呈笼状结构。

结果是形成一种晶体，该晶体内富勒烯层与由其它两种成分构成的层交替相间。该富勒烯层为蜂窝状结构，其中每个细小的带负电的“球状物”有六个相邻元素。富勒烯层具有像金属一样的很高的导电性，即使在接近绝对零度（1.9k）时导电性也很高，这是极为罕见的。

通过改变单个成分，应当可以生产其它的此类物质。本研究期望生成带异性电子特性的物质，比如新超导体或者自旋液体，该类物质在绝对零度时呈现不同寻常的磁性。

D. V. Konarev et al., Angew. Chem. Int. Ed. ; DOI: 10.1002/anie.201001463

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自组器件

materialsviewschina — Mon, 12 Jul 2010 00:15:20 +0000

有机器件极大地受益于有机合成化学上非比寻常的进步，它允许合成各式各样的具有引人注意的电子功能的π-共轭分子。在新的著作中，Shanghai Institute of Organic Chemistry（中国）、Riken（日本埼玉县）与Japan Science and Technology Agency（东京）的Wei-Shi Li、Takanori Fukushima、Takuzo Aida及其同事描述了利用共价键合的供体-受体（D–A）二分体侧链不相容，合成具分子级精度的有机p/n异质结的合理设计方法。

尽管在没有适当的，允许对π-共轭分子进行长程排序的分子设计的情况下，可以容易地设计出有机器件，但产生的器件很少具有所期望的性能。薄膜有机光伏器件要求有电子-供体（D）与-受体（A）分子垂直组合以形成异质结。此外，若要达到高效光致电荷分离，生成的p型与n型半导体畴必须进行远距离连接。然而，D与A组件倾向于通过电荷转移相互作用组装在一起，这不利于光电变换。

已对寡聚噻吩（OT）与二萘嵌苯二酰亚胺（PDI）进行合成，以形成共价键合的D-A二分体，它们的终端可以承受不相容或相容的侧链。具有不相容侧链的二分体本质上会自组成纳米结构，而具有相容侧链的二分体则会组成不明确的微纤维。闪光光解时间分辨的微波电导率测量，连同短暂吸收光谱，清楚地表明具有不相容侧链的组件的光电导输出比含有相容侧链的组件的光电导输出要大得多。

具有“侧链不相容”的设计方法有望从共价键合的D-A二分体实现p/n异质结。而且，该设计方法可产生远距离的结构完整性，它对良好的器件性能起着重要作用。Aida写道，“详细阐述侧链不相容二分体的吸收范围和载体输送性能，这是一个值得进一步调查的课题，便于研发分子水平的工程光伏器件。”

W.-S. Li et al., Chem. Asian J. ; DOI: 10.1002/asia.201000111

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意大利面和锆钛酸铅（PZT）微管处理

materialsviewschina — Tue, 06 Jul 2010 14:04:10 +0000

American Ceramic Society的Peter Wray 在Ceramic Tech Today blog客串文章中就建造PZT微管方面进行了研究。

朋友们，这一图像是将意式细面浸入锆钛酸铅（PZT）浆体时能够形成的锆钛酸铅微管的范例。

这不是一种香蒜酱。正如在新的Applied Ceramic Technology杂志中[免费]发表的论文所提到的那样，意式细面浸渍方法是创造管壁厚、直和均匀的锆钛酸铅（PZT）微管的一种快捷而有效的方法。

对该方法的研究归功于来自印度Naval Materials Research Lab的一群人。论文中写道：

“意式细面在从量筒中取出的浆体内浸泡不同的时间段。将涂有锆钛酸铅（PZT）浆体的意式细面挂在夹子上并稍后接触氯化氢气体1小时，一夜之间就干燥了。”

[...]

涂有锆钛酸铅（PZT）的意式细面被切成4cm长的小块，并放在熔炉中以5°C/h的速度加热至300°C，然后以15°C/h的速度加热至700°C，将意式细面和UF聚合物烧尽。在1290°C下将合成的锆钛酸铅（PZT）意式细面进行2小时的烧结。”

普通的锆钛酸铅（PZT）浆体不起作用，但加入尿素甲醛单体溶液，就能产生原位聚合，使锆钛酸铅（PZT）涂层粘住意大利面。因为意式细面的直径一致且吸收浆胶体的水分（如果浸渍时间太长，也会过度柔化），所以其效果很好。

研究人员制造了管壁为200-960μm的微管。他们利用0.5至4.0分钟的浸渍时间。合成的微管电介质和压电体特性与传统生产的铁电体锆钛酸铅（PZT）陶瓷制品相比，效果更好。

这项工作很严肃且很实际。这些微管可在传感器、检漏器、震动感应器、加速计、微驱动器、流量传感器、定位器、压力传感器、挠度计和医学造影中使用，但该制作法有重大缺陷，如长度短、形状不稳定以及对管壁厚薄的限制。

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体积虽小功能很强大

materialsviewschina — Mon, 21 Jun 2010 02:53:14 +0000

高清晰度核磁共振（NMR）光谱测定是精确测定分子结构和动力学的最权威的分析工具之一。要获得较高的清晰度，需要有较强的磁场，这可以通过超导电磁体产生。今天，Federico Casanova及其在亚琛（德国）的合作伙伴研发了一种重量轻的永磁体，这种永磁体适于NMR，并可以完全掌控在你的手中。随着研究人员在其最新的出版物中的报告，这可能代表着便携式高清晰度NMR仪器的基础。

20世纪60年代和70年代，NMR光谱分析仪使用的永磁体的体积并不像今天所使用的超导磁体那么大。有了现代的经过改良的永磁体，理论上可能制造出便利耐用的设备。这就使获得具有使用标准尺寸的超导磁体所获得的敏感度的三分之一的NMR光谱成为可能。“这可能是小型便携式NMR系统的可接受设备。” Casanova说。“然而，这里存在一个问题：由于磁体变小了，均匀（均一）磁场也减少了，使得样本的容量也更小。减小样本体积会影响信噪比。”

今天，亚琛的研究小组已经研发出了一种小型的永磁体，其重量仅有500g，通常情况下具有均匀的磁场，允许使用标准尺寸的NMR管。他们的成功源于海尔贝克阵列：许多单个磁块会聚合成一个圆柱，这样其磁化方向也会变得一致从而在圆柱体内形成特别均匀的磁场。研究人员将三个海尔贝克环连接在一起，对这些海尔贝克环的直径进行优化以便补偿圆柱形内腔中磁场畸变。通过这种方法在圆柱体内形成了足够大的均匀磁场，足以容纳标准的NMR管。要使磁性材料粒度产生的非均匀性变得均匀，每个海尔贝克环由梯形的磁块组成，相互之间有间隔。磁块之间的间隙是矩形磁块，可以径向移开以便机械地调整（“填隙片”）磁场。

“我们获得的光谱显示，我们的微型磁体适于使用标准尺寸采样管的高清晰度NMR光谱测定，” Casanova称，“这可以很方便地与光谱测定仪一同携带。这可允许将高清晰度NMR光谱测定发展成为一种便携的分析技术以便用于该领域的样本中。”

E. Danieli et al., Angew. Chem. Int. Ed. ; DOI: 10.1002/anie.201000221

可伸缩电子设备：新发现，新前沿

materialsviewschina — Mon, 19 Apr 2010 23:00:53 +0000

正如我热爱新出的移动电子设备一样，你会发现我出门时无时无刻都带着我的iPod，我的口袋每次都塞得满满的，里面装满了我不可或缺的所有小设备。谢天谢地，我不是唯一面临这一问题的人，现在，移动设备生产商们开始想，这些设备是否能够更便携。想象一下，如果你的移动电话可以被缝到你最喜欢的夹克，或者一条新的牛仔裤上带有一个mp3播放器，这些正是新的可伸缩电子设备领域的研究人员的梦想。

当然，如果你正在设计一个电子设备，这种电子设备可以被集成到一些可伸缩物质中，比如说布料，那么整个设备都需要是可伸缩的，包括电池。直到现在，电池仍然是致力于这类系统开发的研究团体的主要障碍，因为电池在弯曲、伸展或者以其他形式变形时容易短路。现在，来自奥地利林茨约翰尼斯·开普勒大学（Johannes Kepler Universitat）的一组人员已经完成一种新型原型电池的研究，他们相信这种电池可以克服这个问题。

来自约翰尼斯·开普勒大学实验物理学院软材料物理学系的小组负责人Siegfried Bauer教授表示：“可伸缩电子设备要求可伸缩的电池。我们的目标是生产第一款可伸缩电池。”多年来，该学院一直努力致力于这种研究，奥地利研究基金机构给予了资金上的支持，第一组研究结果是：通过使用稳定、灵活和延展性塑料——所谓的与天然橡胶有着类似属性的弹性体，以及通过生成啫喱电极，他们生产的电池可延伸到原始尺寸的二倍大小，且功能完全不受影响。这种原型电池包括遥控器和钟表等许多家用设备常用的锌碳电池。Bauer 表示：“生产这样的电池使可伸缩电子设备能够集成到不同材料中，这意味着便携设备可以直接嵌入服装或者手镯等饰品。”

科学家们目前正在研究可伸缩电池的充电方法，使这些电池可以嵌入到布料、手镯和其他系统中。在这种新的突破具备商业可行性之前，生产一种可与电池集成的相应蓄电池是基本要求。据说，该学院称，移动设备制造商对研究非常感兴趣，并希望在10年内将产品推向市场。我和我的口袋已经迫不及待了！

M. Kaltenbrunner et al., Adv. Mater. ; DOI: 10.1002/adma.200904068

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磁性电浆子上层结构与癌症的诊断和治疗

materialsviewschina — Wed, 03 Mar 2010 23:00:57 +0000

一组美国和中国科学家运用自上而下的组装方法研制出了纳米颗粒上层结构，它具有诊断和治疗（换而言之热疗）癌症的潜力。这种上层结构含有一个磁性中心，四周由具有附加功能的外电子层包围。中央的核心则是由一个硅微球体和众多含铁的纳米粒子组成。氨基作用于磁性核心的外表面，从而形成了硅球体围绕金纳米粒子，即类似于日冕外形的构造。最后，增加的外聚合物层增加了粒子在活体内的生命周期。最终产物具有磁性电浆子的特性，可以运用于各种技法中，例如：磁共振成象和光动力疗法。另外据报道称：这种粒子可能会派生出一种新的抗癌药物，其疗效比细胞内的纯药物更显著。

W. Chen et al., Macromol. Rapid Commun. ; DOI: 10.1002/marc.200900793

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