细菌纤维素(Bacterial Cellulose, BC)是由微生物发酵获得的具有纳米尺寸的聚合物生物材料, 具有比表面积大、机械强度高、持水能力强、化学稳定性好及环境友好等特质, 可用于制备三维纳米碳材料的前驱体或支撑其他功能材料的柔性骨架。本文介绍了基于BC制备的各种碳纳米纤维(Carbon Nanofiber, CNF)及其复合材料, 包括掺杂CNF、CNF/金属氧化物、CNF/导电聚合物等材料。描述了这些材料在超级电容器中的应用, 关注BC用于可弯曲电极的设计和制备; 进一步阐述了当前BC应用于能源存储领域所面临的挑战和机遇, 并对其未来发展包括在高性能二次电池方面的应用等进行了展望。

医用钛及其合金被广泛用作骨组织替换材料, 但缺乏抗菌性, 易导致细菌感染。铜具有良好的抗菌性能, 将其引入到钛表面, 可改善医用钛的抗菌性能; 然而铜含量过高对细胞具有毒性。因此, 需要调节铜的含量, 实现铜的抗菌性能和细胞相容性之间的平衡。本研究采用等离子体浸没离子注入技术对医用钛进行表面改性, 获得表面含铜量不同的样品, 并研究改性钛表面对细菌和细胞行为的影响。结果表明, 钛表面含铜量较低的样品能够促进大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)和人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的增殖, 但对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌没有抑制能力; 随着离子注入时间的延长, 钛表面含铜量较高的样品抗菌能力显著提高, 同时也未产生明显细胞毒性。因此, 通过控制钛表面的铜含量, 可以获得兼具良好抗菌性能和生物相容性的钛植入材料。

采用插层法和剥离-重组法制备了阿司匹林-双金属氢氧化物复合物(A-LDHs)和阿司匹林-双金属氢氧化物纳米片复合物(A-LDHs-NS)。采用XRD、SEM、TG-DTG和FT-IR对复合物的形貌、载药性能和载药模型进行表征。测定了阿司匹林在不同pH环境中从A-LDHs和A-LDHs-NS上的释放性能。研究发现, 实验制备的LDHs和LDHs-NS均具有明显层状结构。LDHs-NS因具有较大的比表面积(187 m ²·g ^-1)能负载更多的阿司匹林。同时, LDHs-NS与阿司匹林之间有较强的相互作用, 载药量为1.178 mmol·g ^-1, 释放时间超过1440 min, 与对照组(20 min)相比, 表现出更优异的缓释性能, 且在pH为7.4的磷酸盐缓冲溶液中缓释性能比在pH为4.8中更强。本研究结果可以为二维材料在生物医药中的应用提供参考。

为提高骨接合钛网的骨整合性和生物活性, 本研究采用碱热处理法在钛网表面构建出具有多孔结构的钛酸盐纳米纤维, 利用电化学沉积技术在钛酸盐纳米纤维表面制备磷酸钙涂层, 并采用不同方法将人骨形态发生蛋白(hBMP-2)引入涂层, 制备了三种含hBMP-2分子的复合涂层(TmhB、TmHedhB和TmHhBed)。实验对各复合涂层的表面形貌、化学成分、相组成和hBMP-2的含量与释放性能进行了表征。研究发现: 各涂层都具有多孔纤维结构, TmHedhB和TmHhBed中的磷酸钙相为羟基磷灰石(HA), 呈“串珠”状包裹在钛酸盐纳米纤维表面, “串珠”状HA的引入促进了复合涂层对hBMP-2的吸附。电化学共沉积技术在钛酸盐纳米纤维表面制备的HA/hBMP-2复合涂层中hBMP-2的含量最大, 达886 ng/mg, 在6~48 h内具有明显的hBMP-2缓释性能。

氧化锆陶瓷具有良好的力学性能和生物相容性, 是一种应用前景广阔的硬组织植入体材料。为促进植入体与骨组织形成稳定的骨结合, 本研究利用等离子喷涂制备了氧化锆增韧的锶、硅、氟微量掺杂羟基磷灰石(ZrO₂-DHA)涂层, 对涂层物相、形貌以及力学性能和体外生物学性能进行了研究。结果表明, 锶、硅、氟的共掺杂通过成骨分化的信号转导通路提高了羟基磷灰石涂层对成骨细胞的黏附和分化等生物学性能; 不同复合组分的ZrO₂-DHA涂层均不同程度地促进了小鼠成骨前体细胞的细胞活力和成骨分化相关基因的表达。在细胞培养的第7 d, DHA含量为70%的ZrO₂-DHA涂层(7DHA) Alp和Col-I的相对表达量分别是对照组的约2.8倍和2.3倍; ZrO₂-DHA涂层的力学性能随氧化锆组分的增加而增强, DHA涂层和7DHA涂层的硬度和结合强度分别为250.8、313HV和25.1、31.8 MPa; 7DHA涂层中的交织网络结构, 对残余热应力、压应力和拉伸力的承受能力较DHA涂层明显提升, 满足植入体应用需求。

为了开发一种新型的非病毒无机基因载体, 采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTMS)和聚乙烯亚胺(PEI)对嵌入型双介孔氧化硅球(EDMSNs)进行改性, 分别得到EDMSNs-NH₂和EDMSNs-PEI, 并比较了两种载体结合和保护pCMV-EGFP-N1质粒(pDNA)的能力及细胞转染性能。利用透射电镜、动态光散射及氮气吸附-脱附实验对材料的颗粒形态, 动力学粒径, Zeta电位及孔结构参数进行表征。结果显示, EDMSNs-NH₂和EDMSNs-PEI均表现出明显的双介孔结构, 形貌为规整的球形且平均动力学粒径分别为343.2和338.9 nm, 表面电位分别为+18和+43 mV。琼脂糖凝胶电泳、CCK-8法及荧光显微镜结果表明, EDMSNs-PEI对pDNA的担载量为8%, 远高于EDMSNs- NH₂(1%)。与PEI和lipofectamine2000相比, EDMSNs-PEI载体展示出更低的细胞毒性。EDMSNs-PEI/pDNA质量比为33 : 1时, EDMSNs-PEI/pDNA对293T细胞的转染效率在72 h达到最大值。因此, 与EDMSNs-NH₂相比, EDMSNs-PEI具有更高的正电位及pDNA担载量, 可作为一类有前景的非病毒无机类基因载体用于重大疾病如恶性胶质瘤的治疗。

环境中存在的重金属铬对人体健康有严重的危害, 本研究采用水热共缩聚法制备了一种对Cr ⁶⁺有较高吸附能力的介孔材料SBA-15-SH。经红外光谱证实, 通过使用改性硅源3-巯丙基三甲氧基硅烷, 对SBA-15成功实现了巯基改性。经扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察, 所制备的材料呈棒状, 具有均匀的孔道结构, 孔径约为7 nm。将制备材料用于重金属Cr ⁶⁺的吸附, 研究了吸附时间、环境温度、Cr ⁶⁺溶液pH和初始浓度以及吸附剂用量对吸附剂吸附性能的影响。研究表明: 该材料吸附Cr ⁶⁺的平衡吸附时间约10 min, 吸附过程符合Langmuir方程与伪二级动力学模型。当Cr ⁶⁺溶液pH为4.0、吸附温度在25~45 ℃时, 介孔材料SBA-15-SH对Cr ⁶⁺吸附量最大, 达到6.85 mg/g。将本方法用于自来水和工业废水中Cr ⁶⁺的吸附, 回收率介于95%~105%之间。

作为一种典型的近藤拓扑绝缘体, 近年来六硼化钐(SmB₆)材料受到了凝聚态物理和材料科学领域研究者的广泛关注。与块体材料相比, SmB₆纳米材料由于具有更大的比表面积而拥有更为丰富的表面电子态, 因此被认为是一个研究表面量子效应和物理机制的理想平台。由于场发射电流主要来源于纳米材料的表面态, 所以研究SmB₆纳米材料的场发射特性可以为研究其表面量子特性提供有益的参考。本研究利用化学气相沉积法, 通过控制实验条件在硅衬底上分别实现了SmB₆纳米带和纳米线薄膜的生长。研究结果表明: 所制备的SmB₆纳米线和纳米带分别为沿着[100]和[110]方向生长的立方单晶结构。场发射特性的测试结果发现: SmB₆纳米带薄膜的开启电场为3.24 V/μm, 最大电流密度达到了466.16 μA/cm ², 其场发射性能要优于纳米线薄膜。同时考虑到SmB₆拥有很低的电子亲和势、高电导率和丰富的表面电子态, 所以若可以进一步提高其场发射特性, 那么很可能在冷阴极电子源领域有潜在应用。

半透明太阳能电池可充分利用现代建筑的太阳照射面积, 具有广阔的应用前景, 其热力学极限效率是重要的基础问题。本工作将已有研究中用于建筑窗户的无色半透明太阳能电池拓展至可安装于建筑幕墙表面的彩色半透明太阳能电池, 基于细致平衡原理计算其热力学极限效率, 以便更全面地描绘半透明太阳能电池在建筑一体化应用的前景。结果表明, 用于窗户的无色半透明太阳能电池的极限效率为18.1%, 而安装于蓝色建筑幕墙表面的半透明太阳能电池的极限效率高达28.3%, 提升了10个百分点。本研究的彩色半透明太阳能电池扩大了可利用的太阳照射面积, 有望弥补太阳能能量密度低的问题。研究结果可以指导选择合适的半导体材料和设计新材料。

以高纯Y₂O₃, α-Al₂O₃, Yb₂O₃粉体作为原料, 采用固相反应和真空烧结法(1750 ℃, 30 h)制备了高光学质量的Yb:YAG透明陶瓷。5.0at% Yb:YAG陶瓷中Yb ³⁺的实测浓度为6.41×10 ²⁰ cm ^-3, 晶胞密度为4.65 g/cm ³。本工作重点研究了Yb:YAG陶瓷的显微结构、光谱特性和激光性能参数。场发射扫描电镜(FESEM)结果表明, Yb:YAG陶瓷的结构均匀致密、晶界干净平直, 平均晶粒尺寸为(19±3) μm。该陶瓷样品(厚度为4.0 mm)在400 nm处的直线透过率为82.5%, 在1100 nm处的透过率为85.2%。泵浦波长940 nm处的泵浦饱和光强最小, 激光波长1030 nm处的泵浦阈值功率最低, 940 nm泵浦1030 nm激光的品质因子为1.02×10 ^-22 cm·s。通过计算增益截面表明Yb:YAG陶瓷宽带可调谐, 是理想的激光增益材料。

基于变形协调关系及均强度理论, 定量计算了硫化镍相变体积膨胀对玻璃的挤压应力、因硫化镍和玻璃热膨胀系数不匹配导致的内应力及以上两者协同作用下导致的硫化镍颗粒周边的局部集中应力的影响, 分析了硫化镍直径、玻璃局部强度及环境温度对钢化玻璃自爆的影响, 确定了引发钢化玻璃自爆的硫化镍颗粒的临界直径。研究结果表明: 硫化镍颗粒周边的周向集中应力(拉应力)是导致钢化玻璃自爆的根本原因。随着硫化镍直径的增大, 其周向应力也增大, 但不呈线性关系, 当颗粒直径小于0.2 mm时, 其周向应力迅速降低, 而当颗粒直径大于0.5 mm时, 其周向应力增大幅度变缓。随着钢化玻璃表面应力的增大, 引发自爆风险的硫化镍临界直径逐渐减小, 直径小于0.1 mm的硫化镍很难引发钢化玻璃自爆。周向应力与环境温度升高呈线性增长趋势, 且大颗粒尺寸的硫化镍周向应力增长速率更快。

将铈钛氧簇[Ti₈O₇(HOEt)(OEt)₂₁Ce]和PEDOT低聚物的混合溶液通过滴涂-二次聚合成膜制得一种表面具有特殊纳米沟壑结构的无机/有机复合薄膜PEDOT:Ce@TiO₂。PEDOT:Ce@TiO₂具有很强的疏水性和对乙腈溶液较好的润湿性, 能用作阴极电致变色材料和超级电容器电极材料。PEDOT:Ce@TiO₂展现出较PEDOT薄膜更优良的电化学性能, 在电流密度为1 A/g时, PEDOT:Ce@TiO₂的质量比电容为71.2 F/g, 是相同条件下PEDOT薄膜的质量比电容的1.7倍。采用PEDOT:Ce@TiO₂进一步组装了全固态电致变色超级电容器原型器件, 当充电完成时器件的变色区域呈现墨绿色, 当放电完成时器件的变色区域呈现亮黄色。

热电器件中, 界面可靠性是影响整体稳定和功率输出的关键因素。对于方钴矿(SKD)器件, 热电臂和电极通过扩散阻挡层(DBL)连接。在高温下, DBL与SKD、电极之间会发生反应并生成复杂的界面结构, 导致界面附近的热、电、力学性能发生变化。本研究根据实际界面结构建立了包含微观结构的有限元模型, 并将其用于分析方钴矿基元件的界面应力状态。采用单层模型对DBL材料参数进行了筛选, 发现热膨胀系数(CTE)和弹性模量(E)对第一主应力有显著影响。采用包含界面微结构的多层模型定量模拟了不同老化温度、时间下元件内部的应力分布, 结果表明在SKD/Zr和SKD/Nb中, CoSb₂反应层最为薄弱, 随着老化时间的延长, 反应层的厚度增加, 界面应力变大。同时, 元件的拉伸试验结果与计算结果吻合较好, 验证了模型的准确性与可行性。本研究为提升SKD/DBL元件的结构稳定性提供了指导, 同时也为精确模拟多层结构中的应力状态提供了研究思路。

合适的树脂基陶瓷浆料的制备对陶瓷光固化成型技术而言至关重要。本文研究了氧化锆粉体的性质, 包括比表面积、粒度与粒径分布、颗粒形貌等因素对树脂基浆料流变行为的影响。研究发现: 粉体的比表面积是影响浆料粘度的最主要因素。选择低比表面积、形貌接近球形的粉体更容易制备出低粘度的浆料。利用Krieger-Dougherty模型研究了粉体固含量对浆料流变行为的影响。在1550 ℃烧结得到了相对密度为(97.83±0.33)%的氧化锆陶瓷, 未发现明显的晶粒异常长大, 表明基于流变学表征方法对浆料制备参数进行优化后, 采用光固化技术可以制备出复杂结构、高质量的氧化锆陶瓷。

稀土离子掺杂铁电陶瓷是一类新型光致变色材料, 在光开关、光信息存储等领域具有潜在应用价值。本研究采用水热法制备了(K_0.5 Na_0.5)_1-xEu_xNbO₃(KNN:xEu)前驱体粉体, 随后利用高温烧结得到对应陶瓷样品。在465 nm激发下, 观察到615 nm处有强的红色发光, 对应于Eu ³⁺的 ⁵D₀→ ⁷F₂跃迁。通过紫外光照射, KNN:Eu陶瓷从乳白色变为深灰色。随后经过200 ℃加热10 min, 着色陶瓷又变回到初始颜色, 显示出良好的光致变色行为。紫外照射和反复加热循环可以有效调控该陶瓷的发光强度。且经过多次循环之后, 发光强度没有明显衰减。在紫外光照射下, KNN:0.06Eu陶瓷发光强度的可调比(ΔR_t)高达83.9%, 说明发光具有良好的可调性。进而结合发光中心和色心之间的能量转移, 对KNN:Eu陶瓷的光致变色和发光机理进行了解释。

本工作报道了一种含新型八核铀酰(U8)团簇单元([(UO₂)₈O₄(μ₃-OH)₂(μ₂-OH)₂] ⁴⁺)的草酸铀酰配合物, 该化合物中, U型有机配体链可以增强铀酰之间的交联度, 具有稳定多核铀酰团簇的作用。通过与另外两种含单核和双核的铀酰配位化合物比较, 发现八核铀酰团簇单元的形成是一个pH调控的过程。理化性质分析显示, 荧光、红外、拉曼的信号峰都出现了不同程度的重叠和宽化, 表明八个铀酰离子具有较高的相似度, 这与此多核铀酰团簇的近平面分子构型密切相关。

铝盐佐剂具有极好的安全记录, 是各种人类疫苗中唯一获得FDA许可的无机佐剂。据我们所知, 目前尚没有关于将其用作化疗药物的递送系统、并系统阐明其结构与载药性能之间关系的研究报道。本研究采用三嵌段共聚物、通过调节反应时间合成了具有可调比表面积和孔径的氢氧化铝(AlOOH)纳米片。AlOOH 纳米片的最大比表面积达470 m ²/g。其负载化疗药物阿霉素的能力与材料结构密切相关: 比表面积和孔径越大, 负载化疗药物的量越大。负载有阿霉素的AlOOH 纳米片呈现与pH有关的药物释放行为: 在pH~5的低pH 环境下快速释放, 而在pH~7.4 的近中性pH 下缓慢释放。流式细胞术显示, 相比于游离形式的阿霉素, 负载在AlOOH 纳米片上的阿霉素更易被癌细胞所吞噬。而且负载阿霉素后, 与低比表面积的AlOOH纳米片相比, 高比表面积的AlOOH 纳米片更有利于被癌细胞摄取、诱导癌细胞凋亡和坏死。因此, 本研究所合成的AlOOH 纳米片有望用作化疗药物递送体系。