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机械工程学会摩擦学分会 固体润滑国家重点实验室 摩擦学学报
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学科探索

北京理工大学最新Nature：锂离子电池内部危险信号的无线传输与精准预警 2025-05-16 北京理工大学最新Nature：锂离子电池内部危险信号的无线传输与精准预警 温华 ; 一、 【科学背景】 近年来，锂离子电池（LIBs）作为核心能源载体，在电动汽车、可再生能源储能及便携电子设备中广泛应用，但其安全性问题因能量密度提升与规模化应用而日益严峻；据国际能源署（IEA）统计，2020至2024年仅电动汽车领域便累计报告超9,000起电池起火或爆炸事故，凸显热失控与机械失效的致命风险。当前主流的电池健康监测技术多依赖外部参数（如表面温度、电压波动）间接推断内部状态，但卷绕结构（jelly-roll）内部的非均匀温度场与机械应力分布难以被传统方法捕捉，导致预警滞后。 近年来，学术界尝试通过植入式传感器（如光纤光栅、柔性薄膜传感器）直接监测内部信号，然而这些方案常需破坏电池密封结构，引发电解液泄漏或金属壳体电磁屏蔽问题，且传感器在强腐蚀性电解液中易失效，寿命不足百次循环；此外，X射线断层扫描（XRD-CT）等无损检测技术虽能提供高分辨率图像，却无法实时在线监测，成本高昂且设备庞大，难以商业化应用。作者团队前期在植入式传感领域已取得重要突破，开发了耐腐蚀薄膜传感器（2022年）与低功耗无线传输芯片（2023年），通过优化封装工艺将传感器厚度压缩至50微米，初步验证了其在18650圆柱电池中的可行性，但早期版本仍存在信号传输稳定性不足、制造成本偏高（占电池总成本15%）等问题。 针对上述挑战，本研究在前期成果基础上，创新性地采用电源线通信技术，将信号调制为极耳上的微幅载波，结合频移键控（FSK）与纠错算法，突破金属壳体的电磁屏蔽限制，同时通过“类极耳”设计使传感器与电极结构兼容，无需额外修改制造流程，最终实现了全生命周期内（>1,000次循环）对卷绕结构内部温度与应变的精准无线监测，为高安全智能电池的设计树立了新标杆。 ; 二、 【科学贡献】 今日，北京理工大学宋维力教授、孙磊、陈浩森课题组，在最新Nature上发表了题为“Wireless transmission of internal hazard signals in Li-ion batteries”的论文。本工作提出一种微型化植入式传感系统，通过厚度仅50微米的薄膜传感器与15×13.5×3立方毫米的无线通信芯片集成，在不影响电池性能（容量损失<8%）的前提下，实现了卷绕结构内部温度与应变信号的实时监测与无线传输；该系统利用电源线通信技术，将信号调制为微小波动通过电池极耳传输，结合频移键控调制与纠错算法，成功克服电磁干扰与电解液腐蚀问题；通过建立几何依赖的内部短路（ISC）模型与膨胀模型，可定量分析热熔断（thermal fusing）与热失控行为，定位电极断裂位置，并在热失控发生前15分钟发出预警，为商业化电池提供了经济（成本占比约5%）、兼容制造工艺的解决方案。 图1 展示植入式传感系统的结构、电池循环性能对比及经济性分析，凸显其非侵入式设计和高兼容性 © 2025 Springer Nature Limited 图2 通过棱柱形与圆柱形电池的实时内部信号监测数据，揭示不同结构电池的温度与应变演化差异及解耦方法© 2025 Springer Nature Limited 图3 结合实验与仿真，定位圆柱电池电极断裂位置，验证应变传感器在机械失效检测中的有效性© 2024 Springer Nature Limited 图4 基于内部温度信号，区分局部短路与全局热失控，确立短路面积与电极面积比（α）作为热失控强度的定量指标© 2025 Springer Nature Limited ; 图一展示了植入式传感系统的整体架构与性能验证，通过对比集成传感系统的棱柱电池与原始电池的循环容量保持率（93.74% vs. 94.57%）及成本占比（约5%），凸显其非侵入式设计对电池寿命和经济性的双重优势；图二通过棱柱形与圆柱形电池在充放电过程中的实时监测数据，揭示了二者内部温度与应变演化的显著差异——棱柱电池应变主要由热膨胀主导，而圆柱电池则受石墨相变影响更显著，并基于应变解耦模型量化了电化学与热力学应变的贡献比例；图三聚焦圆柱电池机械失效检测，结合实验测量与仿真模拟，定位了电极断裂的高风险区域（如外层近钢壳处应变达846微应变），并利用反向传播神经网络（BPNN）成功预测预置断裂位置，验证了应变传感器在失效定位中的可靠性；图四则通过棱柱电池内部短路（ISC）实验，建立短路面积与电极面积比（α）的临界阈值（0.00037-0.0005），区分局部热熔断（α<阈值时快速自愈）与全局热失控（α>阈值时持续升温至350℃），内部温度信号较表面参数提前15分钟触发预警，为热失效分级响应提供了定量依据。 ; 三、【科学启迪】 总之，本文通过开发微型化、低功耗的植入式传感系统，成功实现了锂离子电池内部温度与应变信号的实时无线监测，为电池安全预警与失效定位提供了突破性解决方案。实验表明，该系统以非侵入式设计兼容现有电池制造工艺，在1000次循环中容量损失仅8%，且成本占比控制在5%以内，显著优于传统光纤传感器或X射线断层扫描技术；通过解耦电化学-热力学应变模型，揭示了棱柱电池与圆柱电池内部机械响应的本质差异——前者受热膨胀主导，后者则因石墨相变与卷绕结构约束呈现显著应变分层现象，为优化电池结构设计提供了关键数据支撑。在热失效预警方面，系统以内部温度信号为核心，建立了短路面积与电极面积比（α）的临界阈值（0.00037-0.0005），可提前15分钟识别局部短路与全局热失控的分界点，较传统表面温度监测的35秒预警窗口实现了量级提升。同时，结合反向传播神经网络（BPNN）对预置电极断裂的精准定位（误差<5%），验证了应变信号在机械失效诊断中的高灵敏度，填补了现有电池管理系统（BMS）依赖电压/电流参数的监测盲区。 展望未来，该技术有望推动锂离子电池从“被动防护”向“主动预警”的范式转变，但仍需在多维度深化研究：其一，需进一步优化传感器布局策略，针对不同电池构型（如叠片式、刀片电池）开发定制化植入方案，以覆盖更复杂的内部失效模式；其二，探索多物理场耦合监测，融合气体析出、局部阻抗等参数，构建多维故障特征数据库，结合深度学习算法提升预警准确率；其三，需验证系统在极端工况（如低温快充、高倍率循环）下的长期稳定性，尤其在电解液持续浸润环境中传感器的抗老化性能仍需万次循环级验证；其四，推动标准化进程，制定无线信号频段、数据传输协议等行业规范，解决大规模储能系统中数千电芯并行监测的信号干扰问题。此外，该技术可延伸至固态电池、钠离子电池等新兴体系，通过实时监测界面应力演化助力电极-电解质结构优化。随着物联网与数字孪生技术的发展，此类植入式传感系统或将成为构建电池“全生命周期数字指纹”的核心组件，为智能电网、电动汽车提供更安全、更高效的能源管理基座。 ; 原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08785-7 ;
Science：当费米面嵌套“邂逅”斯格明子 2025-05-15 一、【科学背景】; 磁斯格明子是一种具有纳米级螺旋自旋织构的准粒子，因其独特的拓扑性质和在高密度自旋电子器件（如数据存储单元）中的应用潜力，成为凝聚态物理和材料科学的前沿热点。过去十年间，大多数斯格明子研究集中于非中心对称材料，其形成机制可由Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用合理解释。然而，中心对称材料中斯格明子的起源一直是未解之谜。尽管这类材料能形成尺寸更小（<4 nm，如约1.9 nm的GdRu2Si2）、电动力学响应更稳健的斯格明子，但其自旋织构的驱动机制（如几何阻挫、轨道相互作用或Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida（RKKY）相互作用）仍存争议。 理论上，中心对称斯格明子的形成可能依赖于费米面（FS）嵌套诱导的自旋调制：当费米面的不同部分通过特定波矢（q矢量）匹配时，电子间的相互作用可引发螺旋自旋序。实验上，角分辨光电子能谱（ARPES）是直接观测电子结构的关键技术，但受限于样品表面终端效应和磁畴干扰，此前对中心对称斯格明子材料的电子结构解析进展缓慢。GdRu2Si2作为当前最小斯格明子的宿主材料，其基态电子结构是否存在与磁调制q矢量对应的费米面嵌套、以及嵌套如何诱发赝能隙和费米弧等反常电子态，成为揭示中心对称斯格明子形成机制的核心科学问题。 二、【创新成果】 近日，东京大学研究人员通过角分辨光电子能谱（ARPES）选择性测量磁畴，揭示了中心对称材料 GdRu2Si2的本征电子结构。作者发现了稳健的费米面（FS）嵌套，这与先前共振 X 射线散射测量检测到的磁调制矢量一致。赝能隙在嵌套的费米面部分打开，且不同磁畴中的赝能隙存在差异。反常赝能隙使费米面断开，生成具有二重对称性的费米弧。这些结果表明，RKKY相互作用在驱动GdRu2Si2中形成斯格明子所需的螺旋自旋调制中起决定性作用。此外，作者通过磁场和温度循环操纵磁畴，展示了GdRu2Si2中磁性的灵活性，为未来数据存储和处理设备提供了潜在应用。 图1 GdRu2Si2的表面终端及其电子结构。（A）GdRu2Si2的晶体结构。（B）通过每 20 μm 扫描光束斑获得的解理面费米能（EF）附近的光发射强度空间映射。（C）在（B）中绿色和紫色圆圈标记的两个斑点处进行的芯能级测量。（D 和 E）Gd（D）和 Si（E）在 10 K 下用 148 eV 光子（对应 Γ 点处 k_z=20π/c）测量的费米面映射。（F 和 G）分别为 Gd和 Si沿穿过 Γ 点的动量切割（D 和 E 中的绿色和紫色箭头）测量的能带色散图。（H）计算的体态费米面。（I）D 和 E 中黑色虚线处的动量分布曲线（MDC）。© 2025 Science 作者通过角分辨光电子能谱（ARPES）分析了GdRu2Si2解理面的两种终端（Gd 和 Si），发现不同终端的费米面（FS）和能带结构存在显著差异：Gd 终端在 Γ 点附近显示高强度信号，而 Si 终端呈现 “风车状” 费米面及圆形子带。通过对比两种终端的共性特征，提取出布里渊区角落的平行费米面作为体相本征结构。实验结合芯能级光谱（如 Si 2p 和 Gd 4f 峰强度对比）和密度泛函理论（DFT）计算，验证了体相费米面的存在，排除了表面终端的干扰。 图2三维动量空间中的费米面嵌套。（A）Gd 终端在 10 K 下用 94 eV 光子（对应 kz=0）测量的面内费米面映射。（B）kz =0处的计算费米面。A 和 B 中的白色和黑色虚线分别表示布里渊区。绿色和蓝色箭头表示平行于kx和ky方向的嵌套波矢。（C）连接布里渊区角落的动量切割的能带色散图（A 中的黑色箭头）。顶部：费米能级处的相应 MDC。叠加了 DFT 体带计算（红线）。（D）A 中红色矩形区域的费米面放大图。（E）ARPES 估算的沿kx方向的嵌套波矢长度（绿圈）和计算值（红线）随ky位置的变化。ARPES 结果的ky位置由色散图中的绿点标记。RXS 研究报告的磁调制 q 矢量长度也叠加（黑线）。（F 和 G）分别为计算和 ARPES 显示的嵌套面内费米面随kz（0 到 - 2π/c）的演化。通过改变光子能量从 94 eV 到 67 eV，kz值从 0 变为 - 2π/c。注意，由于 GdRu2Si2具有体心四方结构，沿kz方向的布里渊区周期为 4π/c。（H）在覆盖 kz从 0 到 - 2π/c 的不同光子能量下，沿 G 中白色虚线的嵌套费米面的 MDC。绿色箭头通过将光子能量从 94 eV 扫至 67 eV，连接 16π/c（=0）到 14π/c（=-2π/c）。（I）沿布里渊区角落的kx方向嵌套费米面的kz依赖性。绿箭头与 F 中的相同。（J）同 E，但为沿kz位置的费米面嵌套。（K）从三维 DFT 体带结构估算的 Gd 轨道分量的林哈德函数 χ₀(Gd)。© 2025 Science 作者揭示了 GdRu2Si2中稳健的费米面嵌套现象：面内（kx、ky 方向）和沿kz方向的嵌套矢量均与共振 X 射线散射（RXS）测得的磁调制 q 矢量（~0.33 Å-1高度吻合。ARPES 实测的嵌套波矢与 DFT 计算、RXS 数据完美匹配，且林哈德函数显示 Gd 轨道分量在嵌套矢量处出现峰值，支持RKKY 相互作用驱动磁耦合的机制。三维动量空间中，嵌套费米面随kz变化呈现对称性旋转，证实其体相起源及对磁调制的关键作用。 图3嵌套费米面上的赝能隙及其温度演化。（A）Si 终端沿连接布里渊区角落的动量切割的能带色散图，捕捉了费米面的嵌套部分。光子能量为 148 eV，对应 kz=0。绿色箭头表示费米面嵌套波矢。（B 和 C）分别为低于（T=10 K）和高于（T=50 K）奈尔温度（46 K）时 A 中绿色矩形区域的能带色散放大图。红色和蓝色箭头分别指向嵌套和非嵌套能带。（D）嵌套能带在TN以下和以上（分别有和无赝能隙）的示意图。（E）嵌套（红点）和非嵌套（蓝点）能带在 EF 附近的谱重随温度的演化；每个都是 G 和 I 中红色和蓝色阴影区域（±30 meV）内的谱强度积分。（F 和 H）分别为嵌套和非嵌套能带在kF处（B 和 C 中的红色和蓝色箭头）不同温度下测量的能量分布曲线（EDC）。上下图分别为有和无偏移的 EDC 图。（G 和 I）分别为 F 和 H 中 EDC 关于 EF 的对称化图。© 2025 Science ; 图4磁畴依赖的赝能隙。（A）GdRu2Si2表面光发射强度的空间映射。黑色和灰色区域（高强度和低强度）分别表示 Si 和 Gd 终端。（B 和 C）两种不同磁畴的费米面示意图，分别对应 A 中的红点和蓝点。在红点磁畴中，赝能隙仅沿水平切割（cut H）出现；在蓝点磁畴中，赝能隙仅沿垂直切割（cut V）出现。（D 到 K）A 中标记为 I、II、III 和 IV 的四个斑点的能带色散图。上排（D 到 J）为沿 cut H 的结果，下排（E 到 K）为沿 cut V 的结果。每个面板标注了是否观察到赝能隙。（L）Gd 终端在 10 K 下用 148 eV 光子测量的费米面映射及对应 B 的磁畴。（M）L 中红色矩形区域的费米面放大图。追踪了四个费米面部分 1 到 4 的赝能隙动量演化。有赝能隙和无赝能隙的kF点分别用绿点和品红点标记。（N 和 P）分别为费米面部分 1 和 2 在kF处的 EDC。从上到下，EDC 按ky值从大到小排列，如 M 中的黑色箭头所示。（O 和 Q）分别为 N 和 P 中 EDC 关于 EF 的对称化图。© 2025 Science 图5磁场和温度循环对磁畴的操纵。（A 和 C）分别为样品 1 和 2 通过 ARPES 确定的磁畴。每个光发射强度空间映射上标记了 ARPES 测量的斑点。红色和蓝色表示不同磁畴。（B 和 D）通过偏振显微镜观察的磁畴。图像绘制了奈尔温度以下（10 K）和以上（50 K）的强度差，显示两种磁畴（红色和蓝色区域）。（E）GdRu2Si2的磁相图。（F 到 I）分别为相 III、II、I 和顺磁相（PM）的自旋织构示意图。仅相 I 具有二重磁结构。（J 到 M）偏振显微镜在不同温度和磁场循环步骤后观察到的磁畴：从 50 K 冷却到 10 K（J）；激发到相 II 后返回相 I（K）；激发到相 III 后返回相 I（L）；从 10 K 升温到 50 K 再降温回 10 K（M）。磁场循环使用脉冲磁场。© 2025 Science 作者通过磁畴选择性测量发现，赝能隙仅在特定磁畴的水平（kx）或垂直（ky）方向打开，导致费米面断开并形成二重对称的费米弧。不同磁畴（Gd 或 Si 终端均可出现）中，赝能隙的方向性打破了晶体的四重对称性，显示磁调制的各向异性。费米弧的动量位置由磁畴决定，证实电子结构与磁畴的内在关联，是中心对称斯格明子磁体的独特特征。此外，作者展示了GdRu2Si2中磁畴的灵活调控：无场冷却时形成两种磁畴（红/蓝区域）；脉冲磁场激发至斯格明子相（相 II）或更高磁相（相 III）后返回基态，可擦除原有畴结构并诱导随机小畴；而温度循环（10 K→50 K→10 K）则能完美恢复初始畴模式。磁畴的可擦除性与恢复性，结合其与自旋织构的对称性匹配（如相 I 的二重磁结构），为未来自旋电子器件的磁畴调控提供了实验依据。 ; 该研究聚焦于中心对称斯格明子磁体GdRu2Si2，借助角分辨光电子能谱，深入探究其电子结构，成功揭示了费米面嵌套引发的赝能隙和费米弧现象，为斯格明子在中心对称材料中的形成机制提供了关键见解，以“Pseudogap and Fermi arc induced by Fermi surface nesting in a centrosymmetric skyrmion magnet”为题发表在国际顶级期刊Science上，引起了相关领域研究人员热议。 三、【科学启迪】 综上所述，本文证实在中心对称斯格明子磁体中，费米面嵌套通过 RKKY 相互作用驱动螺旋自旋调制，进而形成斯格明子。赝能隙和费米弧的发现不仅揭示了中心对称斯格明子的独特电子结构，还为理解其形成机制和开发相关自旋电子器件提供了重要依据。 原文详情：Dong Y, Kinoshita Y, Ochi M, et al. Pseudogap and Fermi arc induced by Fermi surface nesting in a centrosymmetric skyrmion magnet[J]. Science, 2025, 388(6747): 624-630. https://doi.org/10.1126/science.adj7710 本文由景行撰稿
美国加州理工学院新发Nature：自旋轨道耦合双层石墨烯中可编程超导性的扭转角调控研究 2025-05-15 美国加州理工学院新发Nature：自旋轨道耦合双层石墨烯中可编程超导性的扭转角调控研究 一、【科学背景】 在强电位移场中，伯纳尔双层石墨烯（BLG）的电子带在布里渊区的拐角处变平，产生各种相关相，自发破坏BLG的对称性。这些相关相位对显式对称破缺扰动高度敏感。科学家发现，诱导这种扰动的一种方法是将BLG放置在过渡金属二硫化物（如二硒化钨（WSe2））附近。WSe2引起的自旋-轨道耦合（SOC）扰动改变了相图，显著地使BLG中的超导电性在零磁场下出现，并显著提高临界温度。然而， SOC对BLG和相关石墨烯系统相关相的影响仍然难以捉摸。理论上来讲，诱导SOC可能取决于WSe2和石墨烯之间的相对扭转角，而在近晶格匹配的范德华材料中，层间相对扭转角是调控莫尔超晶格平带关联现象的关键参数。但是，这种依赖性尚未经过实验研究从而证实。 二、【创新成果】 近期，美国加州理工学院Yiran Zhang研究员、Stevan Nadj-Perg教授团队为解决扭转角调控对二维材料超导性的影响问题，他们以二硒化钨近邻化的伯纳尔双层石墨烯为研究对象，通过实验探究了其中超导电性的 “无波纹” 扭曲调谐以及其他相关阶数。两种材料之间的精确对准可系统地控制诱导伊辛自旋轨道耦合（SOC）的强度，进而深刻改变相图。随着伊辛SOC增加，超导电性在更高的位移场下开始，且临界温度升高，最高达到 0.5 K。研究人员通过调谐来探索伊辛SOC如何改变BLG中的相关相位和新兴超导性。这种方法提供了几个独特的机会：（1）可以精确量化BLG中诱导的伊辛SOC的强度；（2）诱导的SOC对扭曲角度变化的敏感度要低得多，允许精细控制；（3）接近WSe2不会引起额外的紊乱，从而促进了再现性。如图1所示，研究人员研究了一系列由相同的BLG和WSe2晶体制成的BLG–WSe2器件，并将大的BLG薄片分成多块，第一块BLG与WSe2的θ ≈ 0°，其余几条相对于WSe2依次扭曲，增量约为6°。 图1 通过BLG和WSe2之间的界面扭曲实现可编程伊辛SOC；© Springer Nature Limited 2025 图2 扭曲可编程超导相图；© Springer Nature Limited 2025 研究人员利用伊辛SOC强度的精细扭曲角控制，探索了大电位移场下SOC依赖的相关相图。结果表明，具有不同伊辛SOC强度的器件都显示出与强相关性和在零磁场下稳定的超导性相关特性。 图3 向列相重分布和谷间相干性的超导性；© Springer Nature Limited 2025 图4 交织在一起的超高泡利极限违反和向列性；© Springer Nature Limited 2025 在主超导圆顶和强伊辛SOC极限内，研究人员还发现了一种不寻常的相变，其特征是在三角扭曲的费米曲面之间空穴向列的重新分布，并增强了对平面内磁场的弹性。此外，研究人员还发现了两个额外的超导区域，其中一个从谷间相干正常态下降，并显示出超过40的泡利极限违反率，是所有已知超导体中最高的。 该项研究结果提供了对超洁净石墨烯超导体的见解，并强调了在广泛的范德华异质结构中利用无波纹扭曲工程研究充满了潜力，研究以“Twist-programmable superconductivity in spin–orbit-coupled bilayer graphene”为题发表在国际顶级期刊Nature上，引起了相关领域研究人员热议。 三、【科学启迪】 总而言之，研究人员对BLG中伊辛SOC强度前所未有的控制使其能够系统地探索内在丰富的超导区域。超导性发生在各种费米口袋配置中，值得注意的是，所有超导体对平面内磁场都表现出独特的弹性。研究人员新发现的谷间相干结构显示了迄今为止任何超导体的最高泡利极限违反率值。更一般地说，通过无波纹扭曲诱导可调对称破缺场的方法可以应用于广泛的范德华材料家族，并扩展到SOC之外，包括磁性、电荷序等，这为按需定制独特的物质相开辟了有前景的途径。 文献链接：Twist-programmable superconductivity in spin–orbit-coupled bilayer graphene，2025，https://doi.org/10.1038/s41586-025-08959-3） ; 本文由LWB供稿。
振动电子显微镜实现聚合物氢氘同位素成像，最新Nature Nanotechnology！ 2025-05-15 一、【科学背景】 氢（H）与氘（D）作为稳定同位素，在有机材料研究中常被用作同位素标记，以解析复杂体系的微观结构与动态行为。传统分析手段如中子散射、质谱和核磁共振虽能通过同位素差异提供统计性结构信息，但其空间分辨率局限在毫米至微米尺度，仅能获取区域平均数据，难以揭示局部纳米级特征。尤其在聚合物科学中，氘标记被广泛用于中子散射研究链构象、相容性及熔体动力学，但受限于中子束斑尺寸，无法实现真实空间的局域成像。透射电子显微镜（TEM）虽可对轻元素成像，但传统电子散射技术无法区分同位素。近年发展的单色化电子能量损失谱（EELS）技术通过探测化学键振动能量差异（如C–H与C–D伸缩振动），为同位素分辨提供了新途径。然而，传统亮场EELS受信号离域效应限制，难以实现纳米级局域化成像。开发兼具高空间分辨率与同位素敏感性的振动谱学方法，成为突破有机材料分子尺度表征的关键。 ; 二、【创新成果】 近日，日本科学家Ryosuke Senga、Katsumi Hagita、和Hiroshi Jinnai团队在Nature Nanotechnology上发表了题为“Nanoscale C–H/C–D mapping of organic materials using electron spectroscopy”的论文，本研究利用单色化透射电镜的暗场电子能量损失谱（DF-EELS）技术，首次在单纳米分辨率下实现了氢/氘同位素的局域化成像，成功解析了嵌段共聚物中氘化组分的表面偏析与分子链分布特征。 图1 利用电子光谱绘制有机材料的纳米级 C-H/C-D 图谱 © 2024 Springer Nature 图2 同位素标记嵌段共聚物的振动光谱学 © 2024 Springer Nature 图3 用 CGMD 模拟的 dPS-b-P2VP BCP 微相分离结构 © 2024 Springer Nature 图4 dPS-b-hPS BCP淬火熔体中的氢和氘分布图 © 2024 Springer Nature ; 三、【科学启迪】 本研究通过新型电子显微技术（DF-EELS），首次在纳米尺度下直接“看见”了聚合物中氢与氘原子的分布，并精确捕捉到两者的化学键振动信号。研究发现，嵌段共聚物中氘标记的部分会优先聚集在材料表面，而熔融态聚合物中氢/氘标记的分子链分布特征与计算机模拟结果高度吻合。这种“原子级显微镜”突破了传统中子散射技术只能提供平均数据的局限，让科学家能像拼图一样在真实空间中直接解析分子排列细节。这项技术为设计更智能的高分子材料、追踪药物代谢路径甚至解析蛋白质结构提供了新工具。 ; 原文详情：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01893-5 ;
南航孙明旭Angew：材料设计新思路：用结构共振“放大”反应中的关键信号 2025-05-15 第一作者（或者共同第一作者）：孙明旭 通讯作者（或者共同通讯作者）：Miho Yamauchi 通讯单位：南京航空航天大学、九州大学 论文DOI：;doi.org/10.1002/anie.202502740 ;;;;; ; 作者介绍 孙明旭，男，32岁，国家海外高层次青年人才，碳转化与电催化领域青年学者。2024年加入南京航空航天大学郭万林院士团队。提出多碳产物的C–C偶联路径源于CH₂与CO的非对称偶联机制；并开发全金属自支撑电极用于“一体化”气体扩散CO₂电催化体系，形成代表性技术路径。以第一作者在Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Science、ACS Catalysis等期刊发表多篇论文，成果被《日刊工业新闻》《日经科技展望》等海外媒体报道。现围绕“碳中和”战略，聚焦绿色合成技术开发，主持国家重大人才工程A类基金、江苏省自然科学基金、日本科学技术振兴机构（JST）“脱碳”专项基金等多项科研项目。担任Research、Green Carbon、Carbon Neutralization、FlexMat期刊青年编委。 ; 南京航空航天大学国际前沿科学研究院(IFS)个人主页：;ifs.nuaa.edu.cn/2021/1117/c16370a359704/page.htm ; 四、正文请包括以下内容： 1、全文速览： 如何准确捕捉CO₂还原反应（CO₂RR）过程中的关键中间体，始终是理解C–C偶联路径、提升C₂⁺产物选择性的核心科学问题。本工作中，南京航空航天大学孙明旭等人构建了一种二维Cu纳米线阵列，通过引入疏水界面和结构共振条件，显著增强了原位拉曼的信号强度，使得诸如CH₂、CH₂CO等此前极难直接观测到的post-CO中间体得以清晰呈现。结合DFT计算，我们揭示了CH₂与CO之间的不对称偶联通道是通往C₂⁺产物（如乙烯、乙酸）的关键路径，并进一步指出CH₂CO可能是决定反应速率的重要中间体。这项研究不仅补充了CO₂RR中间体识别的实验证据链，也为C₂⁺路径的机制讨论提供了新的视角。 ; 2、背景介绍： 电催化CO₂还原被认为是构建碳中性循环的重要技术路径，Cu催化剂因其独特的C–C偶联能力而长期受到关注。多年来，关于C₂⁺产物的生成机制一直是研究焦点，其中CO–CO偶联因具备较为清晰的实验信号而被广泛接受。然而，已有越来越多的研究提示：在CO之后，体系中可能还存在一类短寿命、低丰度的“post-CO”中间体，它们可能是更为高效的C–C偶联单元，特别是不对称偶联路径（如CHₓ–CO）所起的作用，值得进一步挖掘。 但正因这类中间体的“短命”特性，实验上很难直接观察。尽管近年来已有不少团队尝试借助增强拉曼等技术进行探测，但仍面临信号本底弱、增强位置不稳定、体系通用性差等挑战。 本研究从结构设计出发，构建了二维Cu纳米线阵列，通过引入界面疏水性与共振匹配结构，有效实现了对中间体拉曼信号的强增强，使得多个此前“猜测中存在、实验证据稀缺”的中间体得以被直接捕捉。我们希望该体系的建立，能为后续更深入的CO₂RR机制研究提供实验基础，也为相关平台的进一步优化提供一些可借鉴的方向。 ; 3、本文亮点： 亮点一：突破性捕捉post-CO中间体，填补实验识别空白 创新点1：首次通过构建二维Cu纳米线阵列与疏水界面耦合结构共振，有效增强原位拉曼信号，使得包括CH₂、CH₂CO等难以探测的后CO中间体得以被清晰观察。 意义1：这些中间体此前多为推测存在，本工作提供了直接实验证据链，填补了CO₂RR中间体识别中的关键空白，为深入理解C–C偶联路径提供了实证基础。 ; 亮点二：识别CH₂CO为决定性C₂⁺中间体，揭示偶联路径多样性 创新点2：通过实验结合DFT理论计算，系统提出CH₂–CO不对称偶联路径主导乙烯和乙酸的形成，并首次明确CH₂CO为通往C₂⁺产物的关键中间体。 意义2：挑战了以往以CO–CO偶联为主导的“单一机制”观点，揭示中间体结构与产物走向间的深层关联，为选择性调控提供了新的理论支点。 ; 亮点三：提出“中间体–界面协同调控”策略，开拓催化选择性新视角 创新点3：发现CH₂CO的后续反应方向受其与Cu表面的空间耦合程度影响——贴近表面倾向脱电子形成乙烯，远离则倾向被羟基化生成乙酸。 意义3：首次从“中间体–表面界面耦合行为”角度解释产物差异，提出新的调控选择性策略，具有高度普适性和可推广性。 ; 4、图文解析： 图1为破解CO₂还原反应中原位拉曼信号微弱、动态中间体难以捕捉的瓶颈，设计了一种兼具结构共振与电荷转移共振能力的铜纳米线阵列（Cu-NWA）电极。通过构建高密度、垂直排列的纳米线结构，并引入链长可控的烷基硫醇单分子层，打造出具备超疏水特性和稳定气体输运能力的界面环境。其中Cu 18电极表现尤为突出，不仅实现液体快速排斥，显著减缓拉曼信号衰减，还在高电流密度下维持反应稳定性。三类反应环境测试显示，产物分布与C₂⁺路径对反应条件高度敏感，提示机理研究必须回到“实验条件一致”的起点。这一策略通过优化界面结构与反应环境，首次为CO₂RR中原位追踪关键中间体提供了可控、可比、可信的表征窗口。 图1. Cu纳米线阵列电极的设计与性能;(a) 原位拉曼反应器中Cu-GDL-电解质界面示意图。(b) Cu 18的SEM图像显示其纳米线阵列结构。(c) Cu 18表面接触角为160°，呈超疏水性。(d) Cu-NWAH、Cu 18H 和 Cu 18flow的产物法拉第效率对比。(e) 三种电极上C₂H₄的Tafel斜率比较。 ; 图2通过系统对比不同链长的烷基硫醇气体扩散层（GDL）对CO₂还原性能的影响，发现仅2.5 nm厚的十八烷基硫醇（Cu 18）不仅显著提升了C₂⁺产物选择性（Faradaic效率达87%），同时实现了超高电流密度（–1.05 A cm⁻²），大幅优于短链修饰的Cu 6和Cu 12。Cu 18上的反应更偏向生成乙烯（C₂H₄），Tafel斜率也最低，表明其具有更快速的反应动力学。这一性能归因于其构建的超疏水、高通气性的GDL，有效促进CO₂气体传输和中间体富集。相比已有文献报道，Cu 18在活性与选择性方面均达到领先水平，成为后续原位拉曼研究的理想平台。 图2. Cu 6、Cu 12 和 Cu 18的CO₂还原性能;(a) C₂⁺产物的法拉第效率。(b) C₂⁺产物的电流密度。(c) 与先进CO₂还原体系的性能对比。(d) C₂H₄/CO选择比。(e, f) CO和C₂H₄产物的Tafel斜率。 ; 图3通过原位拉曼光谱结合DFT计算，系统解析了Cu-NWA电极表面CO中间体的吸附行为及其动态演化。实验发现，在CO₂存在下，Cu 18表现出多个CO拉曼吸收峰，分别对应物理吸附（physisorbed）、顶位吸附（top）及桥位吸附（bridge）等构型，且各峰强度在不同电流密度下呈非线性变化，反映出CO逐步向后续C–C偶联中间体转化的过程。随着CO₂RR电流密度升高，稳定吸附态CO（如top和bridge）先增强后减弱，最终在高电流密度下迅速消耗，暗示其是C₂产物形成的关键前驱中间体。同时，CH₂等后CO中间体可能与吸附CO发生相互作用，导致拉曼峰位出现红移和蓝移，进一步揭示界面中间体间复杂的动态耦合关系。 图3. Cu 18上CO吸附的原位拉曼分析;(a) 1800–2200 cm⁻¹区间的拉曼光谱。(b-d) CO-物理吸附、CO-top和CO-bridge位点的积分强度随电流密度变化。 ; 图4聚焦于低波数区域CO₂RR中间体的振动行为，揭示了Cu-NWA界面上CH₂与CO的协同吸附特征。拉曼光谱在−10 mA cm⁻²时出现379 cm⁻¹峰，缺乏常见的CO吸附信号（280和360 cm⁻¹），结合DFT模拟说明CO与CH₂的共吸附可抑制CO拉曼活性，暗示379 cm⁻¹归因于Cu−CH₂振动。随电流密度增大，379 cm⁻¹峰蓝移至391 cm⁻¹，1102 cm⁻¹处新峰出现，对应C−C=O结构，表明CH₂可能通过亲核攻击CO形成含羰基的CH₂CO中间体。CH₂CO的计算振动频率（1088–1140 cm⁻¹）与实测峰位接近，支持其为关键C₂⁺中间体。此外，1216 cm⁻¹宽峰被推测与CHₓ和CO共存有关，可能为偶联前体，而408 cm⁻¹的弱峰及CH₂峰位随电位红移的现象进一步指示电场对CH₂吸附行为的调控。整体结果揭示了CO与CHₓ物种的协同吸附及其对C−C偶联路径的促进作用，构建了关键中间体CH₂CO的形成图景。 ; 图4. Cu 18的原位拉曼及DFT吸附构型分析;(a) 200–1400 cm⁻¹区间的拉曼光谱。;(b-e) Cu(100)表面吸附CH₂、共吸附CO与CH₂，以及CH₂CO构型。;(f) 电压对Cu-CH₂拉曼位移的影响。(g, h) Cu−Oad与Cu−OH形成过程示意图。 ; 图5揭示了Cu基催化剂上C₂⁺产物生成的路径机制，重点明确CH₂CO为关键中间体，其命运决定最终产物走向。低电流密度下，C₂H₄的Tafel斜率为65 mV/dec，说明反应经历一电子预平衡过程，随后CH₂通过与CO偶联形成CH₂CO。路径上，CH₂OH的生成依赖CO→COH→CHOH→CH₂OH的顺序，其中COH中间体显著更稳定。CH₂倾向以4F位点稳定存在，且与CO的偶联在top位点和bridge位点之间能垒差异极小，说明两种吸附结构均可能参与反应，反驳了CO-bridge为旁观物种的传统观点。更具启发性的是，CH₂CO后续走向受其与Cu表面的空间关系主导——靠近表面易电子转移生成乙烯，远离表面更易被OH⁻羟基化生成乙酸。Cu 18与Cu 6之间乙酸选择性的显著差异进一步验证了界面环境对产物分布的关键影响。该结果明确指出：C₂⁺产物的生成路径不仅受前驱体结构影响，更由中间体与界面的微环境协同决定，提供了调控CO₂RR选择性的新策略。 图5. CO₂还原反应路径分析;(a) CH₂CO形成路径示意图。(b) CO经COH生成CH₂的DFT路径。(c) CH₂与CO偶联形成CH₂CO的能量图。(d) Cu 6与Cu 18上乙酸的法拉第效率。(e) C₂H₄和乙酸的生成路径示意图。 ; 5、总结与展望： 本研究通过构建具备结构共振与界面疏水协同效应的Cu纳米线阵列，显著增强了CO₂还原反应中间体的原位拉曼探测能力，首次实现了对CH₂、CH₂CO等关键“post-CO”中间体的清晰识别，揭示了CH₂–CO不对称偶联路径在C₂⁺产物形成中的核心作用。结合DFT计算，进一步厘清了中间体的演化轨迹及其与界面环境之间的耦合机制，为CO₂RR机制研究提供了新的实验依据与理论框架。展望未来，该平台的开发不仅为深入解析多碳产物生成路径提供了强有力的表征工具，也为界面调控与产物选择性优化提供了可行策略，有望推动CO₂电转化技术向高效、可控的方向发展。 ; 6、参考文献： 1.Sun, Mingxu, et al. Understanding the Roles of Hydroxide in CO2;Electroreduction on a Cu Electrode for Achieving Variable Selectivity. ACS Catalysis;2022, 12;(24), 14856-14863. DOI: 10.1021/acscatal.2c03650. 2.Sun, Mingxu, et al. Modulating Electronic States of Cu in Metal‐Organic Frameworks for Emerging Controllable CH4/C2H4;Selectivity in CO2;Electroreduction. Advanced Science;2024, 11;(34), 2404931. DOI: 10.1002/advs.202404931. 3.Sun, Mingxu, et al. Gas diffusion enhanced electrode with ultrathin superhydrophobic macropore structure for acidic CO2;electroreduction. Nature;Communications;2024, 15;(1), 491. DOI: 10.1038/s41467-024-44722-4. 4.Sun, Mingxu, et al. In‐Situ Observation of Post‐CO Intermediates to Decode C–C Coupling Pathways in CO2;Electroreduction.;Angewandte Chemie International Edition;2025, e202502740.;DOI: 10.1002/anie.202502740.
Nano letters：用3D打印“搭桥”，让材料与光更聪明地对话 2025-05-15 背景介绍： 三维（3D）打印技术在光学材料和组件原型的快速制作方面展现出巨大潜力。然而，由于在纳米尺度上难以定制内部结构，控制打印材料中的基本光学参数一直是一大挑战。近日，亚利桑那州立大学（ASU）Sui Yang 课题组在《Nano Letters》上发表论文，展示了一种通过数字光处理（DLP）实现3D打印穿纫排列金纳米片的方法，为解决这一难题提供了新思路。 本文亮点： 研究团队成功展示了通过数字光处理 (DLP) 在打印介质中 3D 打印穿纫排列金纳米片来控制打印材料中的基本光学参数。打印的纳米片-树脂 (PNR) 复合材料在纳米片穿纫排列状态之前和之后表现出明显的固有光介电常数和光波矢 (k) 的调整。通过利用纳米等离子体链耦合理论，团队观察到穿纫排列后，;PNR 中的 光波矢k 的等频轮廓从球性变为椭圆形，并且其值显著增强。这进一步导致罗丹明R6G分子在涂覆后自发辐射增强。 主要内容： 研究团队首先设计了一种电场辅助的3D打印设备。该设备利用数字光处理（DLP）技术，包括光投影仪、电极以及打印控制平台。在电场作用下，金纳米片（AuNPs）可以在树脂基体中进行穿纫排列与未排列。在排列状态下，光学吸收从局域表面等离激元（LSPR）转变为链式等离激元共振（CPRs），导致波矢k的色散关系从各向同性变为椭圆形，从而获取更大的波矢，并在包覆R6G染料分子的情况下实现增强的自发发射。而且这一过程能够动态调控打印材料的光学性能。 为了证实实验设计，团队对电场排列结构和未排列结果的PNR样品进行了分析与光学表征。未排列的内部结构展现随机的纳米颗粒排布状态，而排列后的内部结果呈现整体沿着电场方向排列的纳米颗粒。光学吸收光谱显示，未排列PNR只显示出局域表面等离子共振，而排列结构的PNR的吸收光谱则同时显示了局域和链式表面等离子共振。对应的介电函数谱测量显示，未排列PNR在水平（H）与垂直方向（V）上具有重叠的实部与虚部介电常数；相比之下，排列的PNR在水平（H）与垂直方向（V）上则显示出两组分离的介电谱特性。进一步研究PNR的波矢色散关系证明未排列PNR的三维等频面色散图显示其波矢k呈各向同性；而排列PNR在相同波长下的三维等频面色散图则表现出各向异性及增强的k值。计算显示，排列PNR的k-空间总体积比未排列PNR大12%。进而使R6G在穿纫排列PNR上的空间荧光增强图像对比R6G在未排列纳米片-树脂复合材料（PNR）上的空间荧光强度有显著增强，且具备更高的发射速率。对应的空间荧光强度增强曲线和图像也展示了在3D打印穿纫排列打印状态下R6G具有高度均匀性的发射增强效果。 该工作由亚利桑那州立大学（ASU）Sui Yang 课题组完成，博士生Shuai Feng为论文第一作者，亚利桑那州立大学Xiang Li课题组合作参与了该项工作。博士生Tengteng Tang， JaeWoo Park， Abhishek Saji Kumar;为论文共同作者。 总结展望： 该研究展示了一种通过三维打印-穿纫排列策略调控材料光学参数的方法，实现了光学波矢（k）增强和自发发射提升。通过在电场作用下将金纳米片（AuNPs）穿插于可光固化聚合物基体中（PNR），相比于未排列状态，获得了具有显著差异的介电函数光谱，使排列PNR的等频面从各向同性转变为椭圆形，从而显著增强了可访问的波矢范围。这种独特的介电函数与波矢可调控性显著加快了罗丹明（R6G）分子在排列PNR表面上的自发发射速率。进一步的荧光强度分布图和光谱测量也验证了样品区域内发射强度的均匀增强。对波矢和发射特性的精细调控能力，对于光子学与光电器件（如发光二极管、激光器及传感器）等应用至关重要。该打印-排列策略拓展了三维打印在调控打印材料基本光学参数方面的潜力，为实现具有可定制光学功能的器件系统开辟了新路径。 文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5c01192
最新Nature：自旋轨道耦合驱动下三层石墨烯的超导行为与自旋倾斜现象 2025-05-15 一、【科学背景】 在凝聚态物理的研究领域中，石墨烯和过渡金属二硫族化合物的平带系统一直备受关注，它们呈现出极为相似的相图，其中涵盖了磁性与超导等多种独特的物质状态。但长期以来，科学界始终对磁有序与超导性之间的关系困惑不解：二者究竟是针锋相对的“竞争者”，还是协同合作的“伙伴”？以伯纳尔双层石墨烯的研究为例，科学家发现，当增强其自旋-轨道耦合后，超导态的观测畴显著扩大，临界温度也大幅提升，然而背后的作用机制却迷雾重重。 二、【创新成果】 美国加州大学圣巴巴拉分校Andrea F. Young团队对自旋轨道耦合三层石墨烯的超导性与自旋倾斜展开研究。该研究发现，通过衬底邻近效应在菱面体三层石墨烯（RTG）中引入自旋轨道耦合，能为电子和空穴掺杂产生新超导区域，最大临界温度Tc约为300 mK，是六方氮化硼封装RTG的三倍。借助局域磁测，团队观察到超导性跨越自旋倾斜态和完全自旋谷锁定态的转变，这一转变在Hartree-Fock计算中也得到验证，其由自旋轨道耦合与载流子密度调谐的洪德相互作用竞争驱动。实验表明，自旋轨道耦合增强超导性源于倾斜角定量变化，而非基态对称性变化，这与近期提出的自旋倾斜顺序波动助益配对相互作用的超导增强机制相符。相关研究成果已在权威科学期刊《Nature》上发表，题为“Superconductivity and spin canting in spin–orbit-coupled trilayer graphene”。 图1 Wse2支撑的RTG中的超导性 © 2025 Springer Nature Limited 图2 Wse2支撑的RTG中的磁性 © 2025 Springer Nature Limited 图3 自洽的Hartree-Fock计算结果 © 2025 Springer Nature Limited 图4 自旋倾斜与超导性的相互作用 © 2025 Springer Nature Limited 三、【科学启迪】 这项研究工作聚焦于菱面体三层石墨烯，通过巧妙利用衬底邻近效应引入自旋-轨道耦合，成功为电子和空穴掺杂创造了全新的超导区域。研究团队揭示了超导性与特殊量子态转变之间的紧密联系。最终实验证实，自旋-轨道耦合增强超导性的关键在于自旋倾斜角的定量变化，而非基态对称性的改变，这一发现与近期提出的超导增强机制不谋而合，有力地推动了超导领域的理论发展，为后续相关研究指明了新的方向。 原文信息：Patterson, C.L., Sheekey, O.I., Arp, T.B. et al. Superconductivity and spin canting in spin–orbit-coupled trilayer graphene. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08863-w
耐高温铜合金最新Science! 2025-05-12 一、【科学背景】 在材料科学领域，开发能够在高温环境下保持优异性能的合金一直是研究的重点之一。镍基高温合金由于其在高温下优异的强度和抗蠕变性能，在航空航天、能源等领域得到了广泛应用。这些高温合金的优异性能主要归功于其γ'相的存在，这种相具有有序的L1₂晶体结构，能够有效地阻碍位错运动，从而提高材料的强度和热稳定性。传统的铜合金在高温下容易发生晶粒粗化和蠕变变形，导致其性能下降。因此，科研工作者希望借鉴镍基高温合金的设计理念，开发出一种新型的高温铜合金。这种合金能够在接近熔点的温度下工作，同时保持最小的晶粒粗化和蠕变变形。 二、【创新成果】 基于以上难题，美国马里兰州阿伯丁试验场陆军研究实验室K. A. Darling教授、里海大学M. P. Harmer教授和亚利桑那州立大学K. Solanki教授等人联合在Science上发表了题为“A high-temperature nanostructured Cu-Ta-Li alloy with complexion-stabilized precipitates”的论文，报道开发了一种块体纳米晶铜合金Cu-Ta-Li，其可以在接近融化的温度下表现出优异的抗粗化和抗蠕变性能。具体的，这种合金通过在不混溶的Cu-Ta系统中添加0.5%的锂（Li），将纳米尺度沉淀相的形态从球形变为立方体，并同时调整了相界。这种合金的设计基于纳米晶Cu-Ta模型合金系统，通过添加锂来调节Ta基纳米簇的形成、结构、形态、相干关系和空间分布。通过HAADF-STEM和APT等技术对合金的微观结构进行了详细的表征发现，Cu₃Li沉淀相具有有序的立方晶体结构，与基体相具有良好的相干性。所制备铜合金的室温屈服强度达1120 MPa，且在800 ℃退火10000小时后，屈服强度仅从983 MPa降低到947 MPa。此外，通过DFT计算，研究人员进一步探讨了Cu₃Li沉淀相的形成和稳定性的原子起源，发现钽（Ta）原子双层在维持Cu₃Li沉淀相的相干性和热稳定性方面起到了关键作用。这种基础合金设计原则可以为下一代铜合金在热交换器等高温应用中的开发提供指导。 三、【图文解析】 图1; Cu-3Ta合金中析出物和Cu-3Ta-0.5Li合金中析出物之间的结构差异 © 2025 AAAS 图2; Cu-3Ta-0.5Li的APT分析 © 2025 AAAS 图3; 电子和结构特性的DFT模拟 © 2025 AAAS 图4; Cu-Ta-Li、Cu-Ta和商用铜合金的性能对比 © 2025 AAAS ; 四、【科学启迪】 综上，本研究通过在Cu-Ta合金中添加微量锂，成功开发出一种具有高温稳定性的Cu-Ta-Li合金。这种合金的Cu₃Li沉淀相具有有序的L1₂晶体结构，并且被富钽的原子双层相界所包围，这种结构在高温下表现出优异的抗粗化和抗蠕变性能，其室温屈服强度达1120 MPa，且在800 ℃退火10000小时后，屈服强度仅从983 MPa降低到947 MPa。随后利用DFT计算，揭示了Cu₃Li沉淀相的形成机制和Ta原子双层的电子作用。计算结果表明，Ta原子双层通过吸收Cu₃Li沉淀相中的电子，增强了沉淀相与基体之间的界面稳定性，从而提高了合金的热稳定性。本研究不仅为开发新型高温铜合金提供了新的思路和方法，还为理解合金中相界复合体的作用机制提供了重要的理论依据。这种合金的设计理念和微观结构调控方法有望被推广到其他合金体系中，为开发更多高性能合金材料提供了参考。 原文详情：A high-temperature nanostructured Cu-Ta-Li alloy with complexion-stabilized precipitates (Science 2025, 387, 1413-1417) 本文由大兵哥供稿。
清华林元华团队Nat.Cmmun.：化学键合工程制备巨介电常数高熵钛酸钙陶瓷 2025-05-12 介电陶瓷材料作为电子元器件的重要组成部分受到广泛关注。随着器件的小型化、集成化快速发展，研发具有更高介电常数、更低介电损耗以及良好温度稳定性的高性能介电陶瓷材料日益紧迫。在目前广泛报道的高介电常数材料中，钛酸铜钙基陶瓷常伴随较高损耗，难以得到有效抑制；二氧化钛基和钛酸锶基陶瓷介电性能依赖掺杂改性，若要兼顾损耗则难以进一步提高介电常数。 近日，清华大学材料学院林元华团队通过高熵设计与化学键工程的协同作用，首次在CaTiO₃基陶瓷中实现了巨介电常数、低损耗和优异温度稳定性的综合性能突破，在高熵钛酸钙陶瓷中同时实现了2.37×10^5的介电常数、0.005的低损耗以及-50至250°C范围内良好的温度稳定性（<± 15%），为高性能介电材料的开发提供了创新性解决方案。研究成果以Colossal permittivity in high-entropy CaTiO3 ceramics by chemical bonding engineering为题发表于Nature Communications。 主要创新点梳理： 1.高熵设计策略的创新应用 首次将高熵材料设计理念引入钙钛矿型CaTiO₃陶瓷中，通过A位多元素共掺杂（Na、Sm、Sr等）提高构型熵（最高达1.54 R），诱导晶格畸变和原子无序，显著促进氧空位（V<sub>O</sub>）和Ti³⁺缺陷的生成。 高熵设计通过降低缺陷形成能（ΔE<sub>defect</sub>）和削弱化学键（A-O和B-O键强度），使材料在较低能量下稳定存在高浓度缺陷。 2.化学键工程调控缺陷与极化机制 通过DFT计算和实验验证，揭示了高熵体系中化学键强度与缺陷形成的关联：A-O和B-O键的弱化降低了氧原子逃逸势垒，促进氧空位生成。 缺陷偶极子（如V<sub>O</sub>-Ti³⁺）的协同作用增强偶极极化，同时高熵结构抑制载流子迁移，实现低介电损耗（tanδ=0.005）。 3.性能突破：巨介电常数与综合性能优化 在高熵陶瓷（NSCST）中实现介电常数2.37×10⁵，为同类材料中最高值之一，同时保持超低损耗（tanδ=0.005）和宽温稳定性（-50–250°C内ΔC/C<25°C<±15%）。 性能显著优于传统材料（如BaTiO₃、SrTiO₃、CaCu₃Ti₄O₁₂），解决了高介电常数与低损耗、温度稳定性之间的矛盾。 4.缺陷机制的新见解 结合TSDC、XPS、XANES等表征，明确氧空位和Ti³⁺缺陷的主导作用，提出“缺陷偶极子极化主导”的介电增强机制。 晶界激活能（E<sub>gb</sub>）的降低（1.671 eV）抑制了载流子长程迁移，减少损耗。 图1：相和结构作为构型函数的演化熵 图2：随位形熵变化而对电气响应和缺陷的影响 图3：随着熵增对局部结构和缺陷形成演化的模拟 图4：基于熵调制的CTO陶瓷的介电响应 论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59226-y
耐高温重质水凝胶载控缓蚀体系靶向抑制油气田酸性环境管线腐蚀 2025-05-12 ; 近日，化学工程领域国际杂志Chemical ;Engineering ;Journal（JCR分区Q1，中国科学院工程技术1区，IF=13.4）刊发中国科学院海洋研究所田惠文研究员的最新研究成果Temperature-controlled ;sinking delivery of thermostable alkyl substituted benzimidazole by ;sodium alginate polymer gel network for efficient inhibition of carbon ;steel corrosion in acid oilfield solution。 在石油和天然气井下的饱和CO2腐蚀会造成严重的经济和安全问题，特别是当Q235碳钢结构暴露在高于50℃的温度的环境时，其腐蚀速率比室温高5到10倍。同时，在数千米的深井中，短期添加的缓蚀剂会发生大量的冗余浪费现象，常见的缓蚀剂体系会因密度不足无法沉入井下腐蚀区域，这长期以来一直被普遍认为是深层油井用缓蚀剂的三大难点问题。最近，具有多孔网络结构的水凝胶材料引起了广泛关注。海藻酸盐凝胶是典型的水凝胶材料，由于其疏松多孔的结构和良好的掺杂改性能力，有望成为使用于严苛环境下的载体材料，大大延长缓蚀剂载物的作用时间。在海藻酸盐凝胶体系中掺杂聚丙烯酰胺（PAM）、硫酸钡（BaSO4） 作为温控、沉降响应因子，并负载新型合成的耐高温咪唑缓蚀剂（OBIP），通过凝胶与聚合物孔隙率差异，实现缓蚀体系的温控释放和长效防护，有望解决油井用缓蚀剂的三大问题，形成了针对高温油气井下CO2腐蚀的缓蚀防护新方案。 本研究工作如图1所示，制备了耐高温缓蚀剂OBIP并将其负载得到海藻酸钠聚合物缓蚀体系（SA@PAM@OBIP）。如图2所示，针对超过3000m的油气井，在添加缓蚀剂体系SA@PAM@OBIP下，在井底重点防护区域的释放率达30%以上。本体系的缓蚀-释放机理如图3所示。根据分子动力学模拟分析，缓蚀体系中的耐高温缓蚀剂OBIP具有多个极性吸附中心，在高温环境中，耐高温缓蚀剂OBIP的缓蚀效率达到85%以上，超越同类产品25%，可碳钢表面形成更加稳定的吸附膜层。同时结合载体网络的温控释放效应，实现快速沉降使其在井下工作区域释放率超过30%，温度响应使缓蚀剂释放率差异达50%以上，并使缓蚀剂在油井环境中缓蚀作用时间延长3倍，达48h以上，解决了缓蚀体系的实践应用问题，成功实现了在高温油气田CO2腐蚀环境对碳钢的长效防护。 ; ; 图1 耐高温咪唑衍生物缓蚀剂OBIP和海藻酸盐凝胶重质缓蚀体系SA@PAM@OBIP的制备方案 ; ; 图2 SA@PAM@OBIP在高温油井中各深度范围防护区域的缓蚀剂释放率分布 ; ; 图3 海藻酸盐聚合物凝胶缓蚀体系的缓蚀-释放机理图 本研究通过合成耐高温咪唑缓蚀剂并负载于海藻酸盐凝胶网络，构建了一种温控响应、长效控释的针对高温油井环境的缓蚀体系，形成了针对高温油气田CO2腐蚀的新的缓蚀防护方案。同时这项研究在深海管道，海水制氢，海上风电管道等类似腐蚀环境的防护提供重要参考价值。 本论文共同第一作者为海洋所硕士研究生贺子麒和博士后孙欣，通讯作者为田惠文研究员，香港理工大学的邹芳鑫助理教授为本研究提供部分技术和资金支持。本研究得到了国家高层次人才特殊支持计划、江苏省海洋资源开发技术创新中心海洋科技项目[LWKJ-01]、国家重点研发计划[No.2022RDC2012501]、山东省重点研发计划[No.2023CXPT008]和烟台开发区科技创新领军人才计划[No.2021RC015]的支持。 论文信息： Sun ;X, He Z, Zou F, Tian H*. Temperature-controlled sinking delivery of ;thermostable alkyl substituted benzimidazole by sodium alginate polymer ;gel network for efficient inhibition of carbon steel corrosion in acid ;oilfield solution[J]. Chemical Engineering Journal,2025: 162912.
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