紧盯科技前沿！东大科研新突破
不断进取，学术能力再提高
深入钻研，进取拼搏冲难关
丰富成果，彰显东大高水平
科研路上，东大再创新辉煌
01 东北大学在新型稀土有序占位的层状化合物研究方面取得重要进展
近日，东北大学崔伟斌教授课题组的研究成果以“The crystallographic structure and properties of novel quaternary nanolaminated rare-earth-Cr-based i-MAX phases”为题发表在国际著名期刊Acta Materialia上。我校博士研究生孙淑丽为论文第一作者，崔伟斌教授为通讯作者。
该研究首次合成了一系列新型稀土有序占位的层状化合物-(Cr2/3R1/3)2AlC (R=镧系稀土原子) i-MAX相。(Cr2/3R1/3)2AlC化合物的晶体结构为正交结构，Cmcm空间群，稀土原子R和Cr原子在R-Cr层内有序交替排列并突出于R-Cr层朝向Al层原子。合成的新型(Cr2/3R1/3)2AlC化合物在低温下表现出特定的磁性相转变行为，在室温和高温环境下具有高的硬度和耐压强度（图1）以及优异的耐磨损性能，并且进一步研究了块体(Cr2/3R1/3)2AlC样品经高温压缩后，正交结构向单斜结构转变的机制（图2）。
图1. 硬度和耐压强度对比不同温度下，Cr2AlC和(Cr2/3Lu1/3)2AlC(a) 维氏硬度值对比图；(b)-(e)压痕形貌对比图；(f) 耐压强度-应变对比图；(g) 和 (h) 压缩断裂形貌对比图。
图2. 高温压缩后晶体结构表征。(Cr2/3Lu1/3)2AlC[110]o晶向对应的正交和单斜结构HAADF图像及对应的原子排列示意图
该研究工作将稀土原子引入传统MAX相Cr2AlC化合物晶格，首次合成了一系列新型稀土有序占位的层状化合物，赋予了材料新的磁性能和显著改善的硬度、耐压强度以及耐磨等物理特性，为设计合成新型层状化合物提供了新的思路，为拓宽i-MAX相层状化合物的潜在应用领域提供了重要的理论基础。感谢东北大学分析测试中心对本研究中结构表征方面工作的大力支持。
02 东北大学在先进金属结构材料研究方面取得重要进展
近日，东北大学材料科学与工程学院贾楠、申勇峰课题组提出了一种具有普适性的高强韧面心立方（fcc）结构金属材料的设计策略，即通过简单的热机械处理成功将间隙原子驱动的局部化学有序（LCO）引入成分复杂的fcc合金。这一合金强韧化策略被成功应用于FeMnCoCr系多主元合金和奥氏体不锈钢中，为开发高性能、低成本的金属结构材料提供了新思路。相关研究结果以Interstitial-driven local chemical order enables ultrastrong face-centered cubic multicomponent alloys为题发表在Acta Materialia上。
论文第一作者为何竹风博士后，通讯作者为贾楠教授和申勇峰教授。2021年，何竹风作为博士生研发了获得多重异质结构高熵合金的方法，为室温及深低温用超强、坚韧和低成本合金的制备提供了范例。上述研究得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费等项目的支持，东北大学分析测试中心在球差电镜表征方面提供帮助。
03 东北大学在高熵合金研究方面取得重要进展
近日，东北大学材料学院李逸兴、张雪峰课题组采用直流电弧等离子体制备技术，成功将一系列高熵合金纳米颗粒原位封装在石墨壳中，制得具有核@壳包覆结构的高熵合金@石墨纳米胶囊材料（HEA@C-NPs），并利用其独特的核@壳结构实现了对光热转换性能的优化提升。相关研究成果以“Confined high-entropy-alloy nanoparticles within graphitic shells for synergistically improved photothermal conversion”为题发表在Acta Materialia上。材料学院博士研究生廖怡君为论文第一作者，材料学院青年教师李逸兴博士为论文通讯作者。
基于本课题组近期对于高熵合金的研究发现，基于3d过渡族金属元素合成的高熵合金可通过增强d带电子间的带间吸收（d-d IBTs）实现费米能级周围能量区域的完全填充，进而对整个太阳光谱（250—2500 nm）的能量进行转化吸收。但是，当费米能级被完全填充后，意味着材料的吸收能力将面临瓶颈，限制其光热转换性能的进一步增强。针对该问题，基于课题组近期制备高熵合金纳米材料的相关经验，借助电弧放电过程中甲烷的原位分解，将一系列具有不同3d过渡金属组元的高熵合金纳米颗粒原位封装于高缺陷密度石墨壳中。借助石墨包覆壳的光吸收性能及其高缺陷密度带来的热导率降低，进一步提升了高熵合金纳米颗粒的光热转换性能。
图1.微观结构表征。(a)-(b)FeCoNiTiVCu@C和(c)-(d)FeCoNiTiVMnCu@C的高分辨透射电镜（TEM）照片、快速傅立叶变换（FFT）以及对应的EDS元素分布。
课题组对其进行相关光学吸收和光热转换性能测试，结果表明，随着复合组元增多，材料的光热转换性能增强。其中，8-HEA@C-NPs（FeCoNiTiVCrMnCu@C）在250—2500 nm波长范围的平均吸收率超过95%；在1个太阳光（1kWm-2）辐照下，可在90 s内从室温迅速升高至105℃，太阳光水蒸发速率和能量转换效率分别高达2.66 kg m-2h-1和98%，可见其具有优异的光响应和光热转换特性。
图2.太阳光界面水蒸发性能。(a)1个太阳光照射过程中负载和没有负载HEA@C-NPs尼龙膜的红外照片；（b）-（c）8-HEA@C-NPs在1、3和5个太阳光照射下的水质量变化和循环蒸发速率曲线，以纯水和尼龙膜作对照；(d)所有HEA@C-NPs在1个太阳光照射下的蒸发速率和能量转换效率总结。
同时，相比于无石墨壳包覆的纯FeCoNiTiVCrMnCu高熵合金纳米颗粒的太阳光水蒸发性能（蒸发速率为2.29kgm-2h-1），8-HEA@C-NPs的光热转换性能得到优化。结合理论模拟和实验测试发现，石墨碳壳不仅可以增强在Vis-NIR区域的吸收性能，且由于其具有高密度缺陷所导致的热导率降低（下降26%），可以在材料上蓄积更多的热量，以此实现高熵合金纳米颗粒核和石墨壳之间的协同效应光热转换效应。
图3.数值模拟。(a)HEA@C-NPs的协同优化示意图；(b)-(c）单个金属纳米颗粒和金属@C纳米胶囊在250—2500 nm波长范围电场增强；（d）密堆分布的金属@C纳米胶囊在250—2500 nm波长范围电场增强。
据悉，本工作揭示了HEA@C-NPs光热转换性能的优化机理，为高性能光热转换材料的制备和研究提供了新的理论和设计策略，展现出巨大的实际应用潜力。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省重点研发计划、辽宁省自然科学基金等的资助。
04 东北大学体育部科研团队在智能体育运动监测领域取得进展
近日，东北大学体育部毛羽鹏副教授科研团队研究成果“Advances in self-powered sports monitoring sensors based on triboelectric nanogenerators”在线发表于中国科技期刊卓越行动计划重点期刊Journal of Energy Chemistry（中科院一区，影响因子13.599）。我校2021级硕士研究生孙丰鑫为论文第一作者，东北大学为第一单位和通讯单位。
图1. 基于TENG的传感器在体育专项中的应用
随着物联网技术和智能体育的快速发展，目前各种传感技术相继应用于智能体育监测领域，如电阻式、电感式、电容式、化学式、热式和光学传感器，呈现出高灵敏度和多样化功能。然而，这些技术依赖于外部电源的支持。考虑到电池的较短寿命、高更换频率、高成本、对自然环境的污染和对运动的高重量负担等局限性，开发免维护、绿色和可持续的轻量级传感设备用于运动数据的收集和监测至关重要。
摩擦电纳米发电机（TENGs）的提出为收集自然界中不规则的、低频率的机械能并将其转化为电能提供了巨大的机会。TENGs作为可持续的可再生能源技术，可以将自然界微量级的风能、水流和机械能转换为电能。此外，TENGs还可以作为自供电传感器，对机械运动表现出高灵敏度和高效率，特别是监测人类的微观运动或全身运动，如脉搏、心率、关节活动和肌肉活动。TENGs作为具有超强灵活性和可拉伸性的运动传感器为加速体育智能化提供了新的路径。
图2. TENGs驱动的智能体育示意图
本工作系统全面地总结和评述了TENGs技术在智能体育领域的最新研究进展，从体育运动的视角出发，结合TENGs技术在体育领域中的实际应用，从体育器材设施、可穿戴体育设备和体育专项训练三个方面进行了深入的探讨。针对现阶段TENGs技术在体育领域中应用存在的不足，作者提出了相应对策。这项工作对当前TENG在运动监测中的应用具有现实意义，基于TENG的传感技术在未来智能运动领域具有广阔的前景。
05 秦皇岛分校在高性能摩擦诱导电致发光材料的设计及应用领域取得重要突破
近日，秦皇岛分校赵勇教授团队教师在高性能摩擦诱导电致发光材料的设计及应用领域取得重要进展，其中一项研究成果“A Liquid-Solid Contact Electrification based All-Optical Liquid Flow Sensor for Microfluidic Analysis in Biomedical Applications（用于生物医学微流控分析中的液-固接触式全光流量传感器）”发表于材料领域国际顶级刊物Advanced Functional Materials。另一项成果 “Porous-Structure-Promoted Tribo-Induced High-Performance Self-Powered Tactile Sensor toward Remote Human-Machine Interaction（多孔结构促进的高性能摩擦自供电触觉传感器及其远程人机交互）”发表于材料领域国际顶级刊物 Advanced Science 。秦皇岛分校教师苏丽为两篇论文的第一作者，东北大学秦皇岛分校为第一完成单位。该成果促进了秦皇岛分校光学工程学科的发展，提升了海洋光电信息感知研究团队成果水平。
近年来，许多智能光学材料由于具有高分辨率、直观性及远距离无线光传输的独特优势，成为了自驱动传感器中具有希望的候选者。其中，摩擦诱导电致发光(TIEL)材料，因其低应力阈值和高应力响应率，引起了研究者们的广泛关注，在防伪、实时可视化传感、人机交互、清洁光源等领域均展现了广阔的应用前景。然而，随着对智能光学传感系统低功耗及高传感精度需求的不断增高，现有摩擦诱导电致发光材料发光性能的提升手段和效果仍十分有限，严重阻碍了其应用进程。基于此，赵勇教授团队与香港科技大学（广州）合作，围绕材料制备-作用机制-性能优化-应用开发的研究链，从构建内部空间带电区及电极几何设计的角度入手，探索出了大幅度提升摩擦诱导电致发光材料性能的新途径。
通过带背电极的多孔TIEL组件开发了一种新型自驱动触觉传感器(SPTS)以利用多孔结构在SPTS体内产生大量的摩擦电荷。研究结果表明，内部空腔的形变可以显著促进SPTS内部电致发光粉的电场变化幅值，与致密SPTS相比，发光强度提高了近三倍，同时，背电极中增强的静电感应电荷也可作为额外的电学通道，进一步提升了系统的功能性。经过优化设计，SPTS显示出优异的传感性能，包括超低检测阈值（1 kPa）、超高灵敏度（0.2 kPa-1和22 V∙kPa-1）、超快响应时间（<8 ms）以及优异的耐久性和稳定性（>20000次）。此外，利用背电极输出的电信号远程控制智能小车，同时利用TIEL光信号进行视频游戏操作，演示了其在实际应用中优异的双模远程人机交互能力。
利用液-固界面上产生的TIEL开发了一种新型的自驱动全光流量传感器(ALFS)。其中，TIEL信号的产生基于液体和带电层之间的摩擦起电效应以及发光层的电致发光效应。通过优化底部栅格电极层，发光强度显著增加，获得了0.089 s mm-1的高灵敏度和1 mm s-1的低流速阈值。基于上述优异的传感性能，开发了基于ALFS的监控系统，通过实时分析摄像机捕获的光信号，实现了长距离传输的自供电无线光传感，并快速而准确地计算了液体中杂质的流速和粒径。此外，ALFS还适用于生物医学的应用。当患者接受输液治疗时，可以通过液体表面的发光精确地调整滴斗中的液位，以确保黑暗中输液的安全。一些生物图像，如洋葱细胞、松针细胞和蝇腿，能够在显微镜下的微流控芯片中清晰地观察到而无需任何额外光源。
综上，这两项研究为实现高性能摩擦诱导电致发光材料和制造全光智能传感系统提供全新的科学方法和技术参考，设计理念也有望为智能光学材料及系统的设计构建奠定良好的理论研究基础。
图一为SPTS的结构及在人机交互系统中的应用。其能够通过TIEL和TENG将触摸刺激同时转换为可见光和电信号，以实现对智能小车及视频游戏的远程控制。
图二为ALFS在微流控分析中的实际应用
06 秦皇岛分校资源与材料学院在聚合物全固态锂-硫电池取得重要突破
近日，秦皇岛分校资源与材料学院伊廷锋教授团队与南京大学科研团队合作在聚合物全固态锂-硫电池领域取得重要进展，研究成果“Light-Driven Polymer-Based All-Solid-State Lithium-Sulfur Battery Operating at Room Temperature（光驱动聚合物全固态锂-硫电池室温环境工作）”发表于材料领域国际顶级刊物Advanced Functional Materials（中科院一区，影响因子19.924）。秦皇岛分校青年教师王鹏飞为本文的第一作者，秦皇岛分校伊廷锋教授、南京大学宋虎成研究员和何平教授为论文通讯作者。东北大学为第一完成单位。
锂-硫电池具有极高的理论比容量（1675 mAh g-1）和比能量（2600 Wh kg-1）；同时硫元素在地壳中含量丰富、环境友好，是一种非常理想的下一代电池选择。然而，传统的锂-硫电池通常使用液态醚类电解液，存在易燃、泄露的风险，从而引发一系列安全问题。采用固态电解质代替液态电解液，开发全固态锂-硫电池是解决上述问题的有效途径，也引发了学术界和产业界的广泛关注。相较于无机固态电解质的界面接触差和价格昂贵，以聚环氧乙烷（PEO）基聚合物为主体的固态电解质具有良好的加工特性、与电极接触紧密和成本低廉等优势，有望率先实现市场化规模应用。
然而，由于PEO基聚合物全固态锂-硫电池体系的离子传导主要通过Li+在PEO基体非晶区链段配位点之间的跃迁，而PEO的室温结晶度高达75～80%，导致电解质室温离子电导率低下（～10-6 S cm-1量级），远低于电池正常工作所需值，严重限制了其实际应用。
摘要图：(a)基于光热转化的PEO基全固态锂-硫电池工作机制示意图；（b）太阳光下电池表面的实际温度；（c）实际太阳光下电池在纯泡沫Cu集流体和三维Cu/Si-Cu集流体的充放电曲线。
基于此，该研究团队提出了一种新型的光热电池技术，以实现PEO基全固态锂-硫电池在室温环境下正常工作。本设计将三维Cu/Si-Cu纳米结构放置在锂负极和外层封装玻璃之间，利用纳米线结构的陷光效应使光能高效地进入吸收，实现在200-1000 nm宽波段高达94.9%的光吸收率；并利用Si纳米壳的载流子非辐射复合效应迅速产生热量，随后通过Cu核将热量迅速传递到整个电池系统。该电池在模拟太阳光照射下，电池反应动力学优异。在0.2 C下的容量为1089.9 mAh g-1，寿命超过20次。即使在实际太阳光照射下，也能达到1065.2/1036.5 mAh g-1的高放/充电容量，显示了良好的可逆性和潜在的应用前景。此外，该三维纳米结构还可以容纳锂在电镀/剥离过程中的体积变化，降低有效电流密度，从而抑制锂枝晶的产生。综上，本研究为利用光热技术开发室温聚合物全固态锂-硫电池开辟了道路。
磨钻研之剑，突破领域之界
看百年东大，再创科研之光
