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上海交大邓涛、尚文团队Science上发表柔性可拉伸封装技术领域原创性成果
近日，上海交通大学材料科学与工程学院邓涛教授和尚文副研究员课题组联合美国北卡罗来纳州立大学Michael D. Dickey教授课题组和A123系统研发中心的王浚博士历经3年多的合作努力，在柔性封装材料与技术领域取得了重要突破，相关研究成果以“Liquid metal-based soft, hermetic, and wireless-communicable seals for stretchable systems”为题发表在Science上。该工作通过构建微米玻璃球阵列支撑的液态金属柔性密封复合材料，解决了传统封装材料无法同步兼顾可拉伸和高气密性的难题，并设计构筑了可无线通信的柔性封装系统，实现了可拉伸锂离子电池、柔性气液相变传热器件、多功能柔性器件的稳定可靠封装，展示了其在柔性能源、电子信息及生物医学等领域中的广阔应用前景。上海交通大学材料科学与工程学院申清臣、蒋墨迪、王锐桐、宋柯贤和美国北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系Man Hou Vong为论文共同第一作者，上海交通大学材料科学与工程学院邓涛教授、尚文副研究员、美国北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系Michael D. Dickey教授、A123系统研发中心王浚博士为论文共同通讯作者，上海交通大学为论文第一完成单位。
近年来，人类社会的智能化引领了柔性可穿戴器件的飞速发展。高性能密封材料可以防止外部破坏性气体/液体的渗入以及内部活性物质的流失，对于保障柔性器件的长期稳定运行至关重要。然而，目前已有的封装材料无法同时兼顾密封性能与可拉伸性能。例如，金属、陶瓷薄膜封装材料的气密性好，但不具备可拉伸性（图1A左）；柔性弹性体封装材料的可拉伸性能优良，但气密性差（图1A中）；而传统金属、陶瓷与弹性体复合的封装材料的可拉伸性能与密封性能往往相互制约，无法满足先进柔性器件的可靠封装需求。针对这一挑战，研究团队设计制备了基于液态金属的复合封装材料（图1A右），通过将常见液态金属镓铟共晶合金（EGaIn）与弹性体材料复合，并巧妙地利用微米玻璃球阵列作为支撑体防止该封装材料在变形过程中塌陷而引起密封性能的衰减，开发了一种高气密性、可拉伸、能集成无线通讯功能的封装材料，测得其氧透过系数为5.0×10-23 m2/(s Pa)，接近于金属铝（Al），比传统硅胶弹性体材料低8个数量级以上（图1B）。
图1、液态金属与其他材料的性能对比：（A）金属、弹性体、液态金属的可拉伸性能和气密性能对比示意图；（B）各类封装材料杨氏模量与氧透过系数对比图。红色数据点为本研究测得的液态金属密封材料的数据。
研究团队应用该液态金属密封复合材料对基于水系电解质的可拉伸锂离子电池进行封装和性能测试（图2A, B）。测试发现，在自然未拉伸状态下，封装的锂离子电池可逆容量为105.5 mAh/g，经500次充放电循环后，仍可保持72.5%的初始容量，而传统弹性体封装的电池在循环约160次后则完全失效；在20%拉伸应变状态下，液态金属复合材料封装的电池容量仍可维持在105.0 mAh/g，且在拉伸、弯曲、扭曲等变形状态下，其恒流充放电曲线和相应的容量都几乎保持不变（图2B）。因而，此类器件作为可拉伸电子器件中的储能组件潜力巨大（图2C）。
图2、液态金属密封复合材料应用于可拉伸水系锂离子电池的封装：（A）液态金属封装的可拉伸水系锂离子电池结构示意图；（B）封装的锂离子电池在连续循环拉伸（20%）、弯曲（60°）和扭曲（90°）状态下的电压曲线（黑色曲线）和放电容量（红点数据）；（C）基于液态金属封装的可拉伸锂离子电池作为储能组件在实际应用中进行供电：由该电池供电的发光二极管阵列工作图（左），由该电池供电的电子手表在电池无拉伸状态下 （中）和拉伸状态下（右）的工作图。
此外，研究团队还发现液态金属封装复合材料对乙醇等常用有机溶剂也具有优异的密封效果。团队设计制备了以乙醇为工质的可拉伸气液相变传热器件（图3A），研究结果表明，在拉伸和加热状态下，该封装后的器件的有效导热率可稳定维持在300 W/(m•K)以上，有望为柔性电子器件热管理提供全新可靠的解决方案。
针对液态金属材料因自身具有电磁屏蔽效应而会限制封装器件与外界的无线通信的功能这一问题，研究团队进一步提出了分隔式结构设计，通过在液态金属封装系统中引入电磁波信号传输窗口，在保持原有优异可拉伸性能和高气密性能的前提下，赋予了封装系统可无线通讯的功能（图3B），由此更进一步拓展了液态金属复合材料在多功能电子器件封装领域的应用。
图3、液态金属密封复合材料应用于可拉伸气液相变传热器件及无线通讯功能的实现：（A）液态金属封装的可拉伸气液相变传热器件整体及内部结构示意图；（B）可无线通讯的液态金属封装系统。在封装系统中引入电磁波信号传输窗口，实现了射频识别（RFID）电子标签与RFID阅读器之间的无线通信。
这项工作得到了国家自然科学基金委（51973109、51873105）、上海市教委创新项目（2019-01-07-00-02-E00069）、上海交通大学致远基金和上海交通大学留学奖学金的资助。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade7341
清华物理系周树云及合作者Nature首次在半导体材料黑磷中实现了脉冲激光诱导的弗洛凯瞬时能带调控
光与物质的相互作用不仅是探究低维量子材料微观物理机制的重要探测手段，而且超短、超强脉冲激光还可作为电子结构及物态的有效调控手段，实现平衡态所不具有的新物态、新效应。最近，清华大学物理系教授周树云和合作者首次在半导体材料黑磷中实现了脉冲激光诱导的弗洛凯瞬时能带调控，并发现其与黑磷的赝自旋具有独特的耦合作用及光学选择定则。
图1 半导体材料弗洛凯能带调控示意图
低维量子材料具有丰富的物理特性，当前的研究主要聚焦在这些材料的平衡态特性，而对其非平衡态物理及超快动力学的研究尚处于发展阶段。在超快时间尺度（皮秒甚至飞秒，10-15或10-12秒）上实现电子结构和物理特性的测量和调控，不仅能够拓展非平衡态物理知识的前沿，还将为未来新型、高速器件的开发和应用奠定重要的科学基础。在非平衡态超快动力学和瞬时物态调控研究中，一个备受关注的重要研究方向是通过周期振荡的势场诱导量子物态的变化，进而实现对其电子结构的调控，该方案被称为弗洛凯工程(Floquet engineering)。在晶体中，原子在实空间的周期性排列构成了晶体结构并进而导致了电子的能带结构在动量空间具有周期性；与之相类比，外加的周期振荡的势场也将导致电子在能量空间出现能带结构的周期性复制，进而形成弗洛凯态（如图1）。进一步地，通过电子与周期势场的相互作用对低维量子材料的能带结构、对称性及拓扑性质的瞬时调控，可实现平衡态所不具有的新物态，例如，将拓扑平庸的材料转变为拓扑材料，实现远离平衡态的拓扑超导态等。上述利用周期场驱动的量子物态调控机制被称为弗洛凯工程(Floquet engineering)。
弗洛凯调控的概念自上个世纪初被提出后就引起了物理学家的广泛关注，并被应用于凝聚态物理、冷原子物理和光晶格等领域。近十年来，弗洛凯瞬时能带和物性调控已经发展成为国际上凝聚态物理和材料科学的一个重要科学前沿。然而，尽管理论方面涌现出丰富的预言，与之形成鲜明对比的是凝聚态体系中的实验进展非常少。很多关键的科学问题，例如，能否在常规材料（例如，半导体）中实现能带结构的瞬时调控，仍然有待实验的证实。
图2 利用超快时间分辨角分辨光电子能谱在黑磷中实现弗洛凯瞬时能带调控
周树云研究组多年来致力于低维量子材料的电子能谱和非平衡态超快动力学的研究，尤其是弗洛凯能带及物态调控的实验研究。由于弗洛凯调控要求激发光源具有低光子能量、强峰值电场等极端实验条件，他们针对领域难点投入了大量的精力，攻克了中红外强场脉冲激发光源以及与角分辨光电子能谱仪结合方面的困难，研制出具有前沿技术指标的超快时间分辨角分辨光电子能谱(TrARPES)系统。在材料体系方面，他们巧妙地选取了黑磷这个具有小带隙、高迁移率的经典半导体材料。通过精细调节中红外激发光源的光子能量，他们发现当光子能量与带隙接近共振时，黑磷的电子结构从平衡态的抛物线形状演化为在带顶打开能隙的“墨西哥帽”形状（如图2中红色箭头所指），并观察到了复制的弗洛凯边带。在此基础上，他们通过系统性地探究该瞬时能隙对时间、光强和电子掺杂等变量的响应等，确认了所观测到的瞬时能隙是由弗洛凯能带工程所导致。
此外，周树云研究组发现黑磷中的弗洛凯能带工程对激发光源的偏振具有强烈的选择性：只有当泵浦光偏振沿着黑磷的扶手椅型(armchair)方向时，才会出现瞬时能隙，揭示出弗洛凯能带工程调控具有特定的光学选择定则。结合理论分析，他们指出这一奇特的偏振选择效应来源于黑磷的赝自旋自由度（黑磷元胞中含有两个子晶格，对应的两能级系统可类比自旋）。这些研究结果不仅为弗洛凯能带调控提供了重要的思路，同时也为进一步探索拓扑物态、关联物态（磁性、超导等）的瞬时调控奠定了重要的基础。
图3 参与项目研究的实验团队成员
该项研究工作以“黑磷的弗洛凯能带调控及赝自旋选择特性（Pseudospin-selectiveFloquetband engineering in black phosphorus）”为题发表在《自然》（Nature）期刊上，同期刊发题为“光调控模型半导体性质”（“Light tailors the properties of a model semiconductor”评述文章对该工作的意义进行正面评价。
该论文的通讯作者是物理系周树云教授，论文共同第一作者为清华大学物理系2017级博士生周绍华和清华大学“水木学者”鲍昌华。合作者包括清华大学物理系段文晖院士、于浦教授，北京航空航天大学汤沛哲教授，中科院物理所孟胜研究员等。该研究工作主要受到科技部国家重点研发计划、自然科学基金委国家杰出青年科学基金项目、重点项目和重大科研仪器研制项目的支持。此外，该研究工作还受到国家自然科学基金委基础科学中心项目和中国科学院项目的支持。
文章全文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05610-3
《Science》亮点文章 | 南京大学丁爱军团队在全球野火天气反馈机制方面取得重大进展
南京大学大气科学学院丁爱军教授团队最新研究发现，作为全球重要自然灾害的野火不仅受气象条件影响，而且其所排放气溶胶的辐射效应也可改变气象要素，由此产生天气尺度的正反馈机制显著增强全球不同沿海地区的极端野火事件。近日，论文”Smoke-weather interaction affects extreme wildfires in diverse coastal regions”以Research Article形式发表于《Science》杂志，并被选为同期亮点成果（Science, 379，6631, 457-461 (2023), 论文链接：https://doi.org/10.1126/science.add9843）。
野火直接危害人的生命和财产安全，燃烧排放的污染物会对下风向地区的空气质量、人体健康和生态系统产生负面影响，其所排放的具有辐射特性的气溶胶和温室气体在地球气候系统中扮演着重要角色。植被生态系统中野火的生消演变受多种因素的影响，除人类活动外，气象条件等自然因素起着更为重要的作用。气象条件不仅决定植被生产力和燃烧季节（燃料量与可燃性），也在火灾的蔓延和演变（即火行为）中扮演至关重要的角色。正因如此，当前学界通常将极端野火事件频率的增加与气候变化直接关联。然而，野火发生频率和强度存在多种时空尺度，在全球变暖的大趋势短期难以改变这一背景下，更为重要的是在当前可预报的时间窗内（如在1-2周的天气尺度上）认识影响野火发生、发展和消亡的复杂理化机制与关键控制过程，从而为人为主动应对与精准干预以实现防灾减灾提供科学支撑。
图1 全球典型区域野火强度的天气尺度变率及关键气象要素演变规律
该研究团队通过分析过去20年全球不同野火燃烧区的卫星观测数据，发现美国西岸和东南亚的中南半岛地区的野火燃烧面积存在着显著的天气尺度变化，并分别在1周和2周时间尺度频谱最强，前者受风速和湿度控制，而后者则主要受降雨调制（图1）。团队进一步对2020年9月美国西海岸破纪录超级野火事件和2004年3月中南半岛森林大火开展气象-化学全耦合数值模拟，揭示了两个地区不同的野火天气尺度变率和主控因子背后的机理。研究发现，在美国西部的地中海气候区，野火排放的烟羽可增加气溶胶光学厚度，通过气溶胶-辐射-边界层相互作用增强局地热力环流（更多的干热山风），由此引起野火区风速的增大、湿度的减小和大火潜势的上升，从而显著增强野火气溶胶的排放并导致峡谷城市空气质量的急剧恶化。然而，位于亚洲季风区的中南半岛则有所不同，抬升烟羽的辐射效应在我国南部沿海和南海北部导致气溶胶-边界层-低云-季风的相互作用，显著降低南海向半岛横断山脉东侧的水汽输送，从而减少当地的降水并进一步延长燃烧季节。两大地区的野火天气反馈机制均由吸收性气溶胶（如黑碳等）的辐射效应引发的边界层热力层结和水汽输送的改变所导致，但两地野火天气反馈作用的时空尺度不同。中南半岛地区野火燃烧烟羽可被抬升至高空后沿着我国南部沿海传输上千公里，并伴有复杂的云与降水过程以及大尺度环流的参与，故而该地区野火天气反馈的时间尺度较北美西岸则相对更长。
图2 典型地中海气候和季风区的野火-天气正反馈机制
最近十年，丁爱军教授团队一直深耕气溶胶-边界层-辐射相互作用研究方向。最早始于2012年南京”6.10黄泥天”污染事件，团队基于长三角大气过程与环境变化国家野外科学观测研究站SORPES的第一手观测数据，结合数值模拟揭示了农业秸秆焚烧排放的辐射性污染物所导致的气溶胶-边界层理化过程相互作用的独特机制，发现相关过程可影响二次气溶胶生成、改变大气边界层热力结构并改变局地气温和降雨等（Atmos. Chem. Phys. 2013, 2016）; 进一步研究发现黑碳与边界层的相互作用（命名为”穹顶效应”）显著加剧我国超大城市重霾污染（Geophys. Res. Lett. 2016, 2018 ; Atmos. Chem. Phys. 2018），并可增强京津冀和长三角两大城市群霾污染的跨区域传输（Nature Geoscience, 2020），相关发现为区域尺度大气复合污染的精准防控提供重要科学支撑。团队进一步致力于相关过程在区域和全球尺度对天气气候的影响研究，发现气溶胶在全球若干典型地区均能影响逐日天气预报（Sci. Bull. 2021）；其中在中南半岛，可通过比全球其它地区（如非洲西岸等）更强的气溶胶半直接效应加剧我国南部沿海的低云的生成（Nature Communications, 2021），并在厄尔尼诺年导致更强的跨洲际臭氧传输（Nat. Sci. Rev., 2021）。相关成果共有10余篇论文入选ESI高被引论文，多项成果被Science、ScienceNews等予以采访/报道、入选中国百篇最具影响国际学术论文；团队成员先后获国家杰青和优青资助、入选全球高被引科学家，并获国际理论物理中心ICTP奖和科学探索奖等荣誉。
此次在《Science》杂志发表的成果，是上述系列工作基础上的重要突破，其创新之处在于发现野火不仅是传统认识上的受气象条件的调制，燃烧排放的气溶胶也可经由复杂的反馈过程显著改变影响火行为的风速、湿度和降水等关键气象参数，进而增强野火的蔓延和扩张并产生更强的环境健康效应。该发现对全球人口密集的沿海地区极端野火事件的预测与提前干预有重要科学支撑，也有望为我国西部和大兴安岭等复杂地形地区的山火防治提供参考；同时，该成果对全球典型地区的大气污染防治、天气预报、人工影响天气以及气候变化应对均有重要的科学意义和应用价值。
该论文由南京大学作为第一和通讯作者单位，黄昕教授和助理研究员丁可博士为论文共同第一作者，丁爱军教授和黄昕教授为共同通讯作者。该工作得到符淙斌院士和谈哲敏院士的悉心指导，论文合作者还包括德国马普化学所、加州大学和清华大学等机构的学者。该研究受到国家自然科学基金杰出青年基金、优秀青年基金、青年基金、关键地球物质循环前沿科学中心、江苏省气候变化协同创新中心以及腾讯基金会的资助。
来源：上海交通大学、清华大学、南京大学
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