实验室动态

上海硅酸盐所等在类液态热电材料服役稳定性研究中取得进展
上海硅酸盐所等在类液态热电材料服役稳定性研究中取得进展
最近,中国科学院上海硅酸盐研究所副研究员仇鹏飞、研究员史迅、陈立东与美国西北大学教授G. Jeffrey Snyder、德国吉森大学教授Jürgen Janek等合作,深入解析了类液态热电材料中可移动离子在外场作用下的迁移和析出机理,结合理论和实验提出“类液态”离子能否从材料中析出的热力学稳定极限判据,并给出了相应的实验表征方法和技术。在此基础上提出,引入“离子阻挡-电子导通”的界面可以显著提高类液态热电材料在强电场或者大温差下的服役稳定性。这一研究对于类液态热电材料的实际应用具有重要意义。相关研究成果发表于《自然-通讯》杂志(Nature Communications,DOI:10.1038/s41467-018-05248-8),研究团队自主搭建的设备及部分测量结果发表于《无机材料学报》杂志(Vol.32, 2017, 1337-1344),并申请中国发明专利。热电能量转换技术利用半导体材料的塞贝克(Seebeck)和帕尔贴(Peltier)效应实现热能与电能直接相互转化,在工业余热和汽车尾气废热发电等领域具有重要而广泛的应用前景。然而,受制于结构的长程有序性,传统的晶态化合物热电材料的晶格热导率存在一个最低极限(最小晶格热导率),限制了热电性能持续优化的空间。针对这一瓶颈问题,自2012年开始,陈立东和史迅带领的热电团队提出在固态材料中引入具有“类液态”特征的离子来降低热导率和优化热电性能,成功突破了晶格热导率在固态玻璃或晶态材料上的限制,进而发现了一大类具有“声子液体-电子晶体”特征的新型高性能(ZT~2.0@1000 K)类液态热电材料体系(Nat. Mater. 2012, Adv. Mater. 2013&2014& 2015&2017、Energ. Environ. Sci. 2014&2017、npj Asia Mater. 2015等),成为近年来热电材料领域的一个热点方向。但是,这些类液态热电材料(如 Cu2-δSe, Ag9GaSe6, Zn4Sb3等)中具有“类液态”特征的金属阳离子易在电场或温度场作用下长程迁移进而析出,导致较差的服役稳定性,限制了其实际应用。因此,通过研究类液态热电材料中离子的迁移过程和物理机制,进而提高其服役稳定性,是新型高性能类液态热电材料走向应用的关键。研究团队发现,在外场作用下,类液态热电材料中的金属阳离子(如Cu, Ag, Zn)将从样品一端向另一端定向长程迁移并产生离子浓度梯度。但是,只有在高浓度处的金属阳离子化学势等于或高于相应金属单质的化学势时,金属阳离子才会从材料中析出转变为金属单质,进而导致材料分解。因此,每种类液态热电材料都存在一个热力学稳定极限,只有当外场作用足够强,使材料超出这一极限时,离子析出和材料分解才会发生。否则,类液态热电材料将与传统晶态热电化合物相似,在外场作用下保持良好的稳定性和热电性能。基于电化学公式推导,该团队发现这一热力学极限的具体数值可以通过材料不发生分解时所能承受的最大外加电压(即临界电压)给出。临界电压是一个与材料尺寸无关的特征参量,仅与材料自身化学组分和所处环境温度有关。为了从实验上证明类液态热电材料热力学稳定极限的存在,该团队自主搭建了定量表征类液态热电材料服役稳定性的仪器。在恒温环境和给定温差环境下,分别利用相对电阻和相对塞贝克系数的变化作为评价参量,成功测量了一系列Cu2-δ(S,Se)类液态热电材料的临界电压,其数值范围为0.02-0.12V。在恒温环境下,随Cu缺失量δ增加或所处环境温度增加,Cu2-δ(S,Se)材料的临界电压逐渐增加,其数值与理论预测相吻合,表明材料中具有“类液态”特征的金属阳离子更难于析出。在给定温差环境下,Cu2-δ(S,Se)材料的临界电压还与材料内部热流方向有关。当热流方向与电流方向相同时,材料具有更小的临界电压,表明材料中的金属阳离子更容易析出。反之,当热流方向与电流方向相反时,材料具有增强的临界电压,材料稳定性显著增加。在对离子迁移和析出机理深入理解的基础上,该团队提出在类液态热电材料中引入“离子阻挡-电子导通”界面可以有效抑制具有“类液态”特征的金属阳离子的析出并提高类液态热电材料服役稳定性。因为金属阳离子无法通过“离子阻挡-电子导通”界面,外场的作用将会被由“离子阻挡-电子导通”界面所阻隔的各段类液态热电材料所共同分担,进而使材料整体上可以在更强的电场或者更大的温差作用下仍保持稳定。同时,“离子阻挡-电子导通”界面并不影响电子/空穴的自由传输,所以多段材料在获得高服役稳定性的同时,仍将保持本征的优良热电性能。这一策略在由导电碳层连接的多段Cu1.97S材料中成功得到了验证。该工作不仅为类液态热电材料的实际应用提供了可能性,也为提高其它电子/离子混合导体的服役稳定性提供了新的思路。研究工作得到了国家重点研发专项、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会等的资助和支持。文章链接(a) 类液态热电材料的工作环境;大电流作用下(b)普通类液态热电材料和(c)具有“离子阻挡-电子导通”界面的类液态热电材料端面金属Cu析出情况类液态热电材料中离子迁移和析出的物理和化学过程(a) 不同长度Cu1.97S样品的临界电流与临界电压;(b) 具有不同化学计量比的Cu2-dS样品的临界电压;(c) 给定温差环境下Cu1.97S样品的临界电流;(d) Cu1.97S在不同温差和热流方向下的临界电压利用“离子阻挡-电子导通”界面提高服役稳定性的原理(a,b);(c) 恒温环境和(d) 给定温差环境下的实验结果来源:硅酸盐所
2018-07-30
激光诱导等离子体的自吸收抑制研究新进展
激光诱导等离子体的自吸收抑制研究新进展
激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种元素分析技术,具有快速、原位、微损、无需样品制备、全元素同步分析以及远程探测等诸多优点。然而,自吸收效应的存在严重干扰了激光诱导等离子体的发射光谱,破坏了光谱强度与元素浓度之间的线性映射关系,特别是自吸收严重时,谱线中心下凹(称为“自蚀”),严重影响定量分析精准度和灵敏度。针对自吸收效应对LIBS光谱分析造成的严重影响,武汉国家光电研究中心激光先进制造技术研究团队LIBS研究组郭连波副教授一直在探索从等离子体的本征物理特性出发来消除自吸收效应。2015年该团队提出了能态选择性激发抑制激光诱导击穿光谱的自吸收效应,该方法能够有效从源头抑制等离子体的自吸收效应,相关成果于2015年发表在美国光学学会旗下期刊Optics Letters 40 (22), 5224-5226(2015)上。由于上述方法必须预先确定待测元素的种类及其各个能态的相关参数,一次只能针对一种元素的一条谱线的自吸收进行抑制,采用的装置对环境要求苛刻等局限。为此,该团队又提出了一种在宽光谱范围(200~900 nm)内利用微波辅助激发LIBS (MAE-LIBS)同时抑制多元素的自吸收效应的新方法。研究了MAE-LIBS对钾长石中钠(Na)、钾(K)、铝(Al)、硅(Si)和钙(Ca)的自吸收抑制作用,并探讨了MAE-LIBS自吸收抑制的机理。结果表明,对于自吸收强的谱线自吸收抑制明显,例如钾长石中的Na I 589.0 nm,Na I 589.6 nm,K I 766.5 nm和K I 769.9的半高全宽(FWHMs)分别降低了43%、43%、53%和47%。结果证明,MAE-LIBS可以同时减少多元素的自吸收效应,并且微波激发装置具有体积小、价格低、操作简便、环境适应性强和维护简单等优点,有利于LIBS的高灵敏和高精准探测的推广及应用。2018年5月1日,研究成果《微波辅助激发抑制激光诱导击穿光谱中多元素的自吸收效应》(Multielemental self-absorption reduction in laser-induced breakdown spectroscopy by using microwave-assisted excitation)在美国光学学会旗下期刊Optics Express上在线发表。图. 微波辅助激发抑制激光诱导击穿光谱的自吸收效应装置图(a)和效果图(b)该项工作得到国家自然科学基金(615750731和5142950)的资助。郭连波副教授为论文通讯作者,陆永枫教授、曾晓雁教授、李祥友研究员、段军教授参与指导,博士生唐云为论文第一作者,博士后郝中骐、博士后唐仕松、博士生李嘉铭及硕士生朱志豪为共同作者。来源:武汉光电国家实验室(筹)
2018-05-05
基于集成光涡旋发射器的光纤本征模复用通信
基于集成光涡旋发射器的光纤本征模复用通信
空间模式在过去几十年中受到了研究者们的广泛关注,并被用于光通信应用来进一步提高通信系统的容量,满足信息时代急剧增长的容量需求。光涡旋作为一种空间模式,有一个相位奇点或者偏振奇点,对应轨道角动量模式(orbital angular momentum,OAM)和矢量光束(vector beam),因其独特的正交性广泛应用在光通信中,既有直接利用不同的光涡旋来进行信息编码的通信,也有将数据信息加载到光涡旋信道上进行复用的通信。在之前光纤空分复用通信中,通常采用的线性偏振模式(linearly polarized mode)和轨道角动量模式进行复用通信。这两种模式是通过光纤矢量本征模式的线性组合来合成,而光纤本征模式就对应一种矢量光束,也是一种空间模式,直接利用光纤本征模式进行复用通信为光纤中的容量增长提供了另外一种选择。此外,利用集成器件产生空间模式解决了光通信中通信系统的小型化的问题。武汉光电国家研究中心王健教授带领的多维光子学实验室(MDPL:Multi-Dimensional Photonics Laboratory)与中山大学蔡鑫伦教授,英国格拉斯哥大学Marc Sorel教授,烽火科技杜诚等合作,指导博士生刘俊,李仕茂等实现了由集成光涡旋发射器直接产生光纤矢量本征模并进行多路复用传输。通过利用内壁刻有角向光栅的硅微环谐振器产生的矢量涡旋模式(径向和方位角偏振光束),在2km大芯径光纤传输数据的光纤矢量本征模复用传输。采用这个方案,可以通过直接利用光纤中的多个矢量本征模为提高通信容量,并且提供紧凑的解决方案来替代用于生成各种光学矢量波束的大体积衍射光学元件。该工作以论文“Direct fiber vector eigenmode multiplexing transmission seeded by integrated optical vortex emitters” 发表在Light: Science & Applications (Vol. 7, PP. 17148, 2018) 上。Fig. 1. 基于集成光涡旋发射器的光纤本征模复用通信原理示意以上工作得到了国家973计划课题(2014CB340004, 2014CB340001, 2014CB340003)、国家自然科学基金(11690031, 61761130082, 11574001, 11774116, 11274131, 61222502, 61575224, 61622510)、牛顿高级访问学者基金, 2019人才计划青年拔尖奖励计划 (NCET-11-0182),青年长江奖励计划和新世纪人才计划等项目支持。文章链接:https://www.nature.com/articles/lsa2017148以上研究内容是在以下研究成果基础上的延伸。[1] Ruan Z, Shen L, Zheng S, et al. Subwavelength grating slot (SWGS) waveguide on silicon platform[J]. Optics Express, 2017, 25(15):18250. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-15-18250&origin=search[2] Zheng S, Ruan Z, Gao S, et al. Compact tunable electromagnetically induced transparency and Fano resonance on silicon platform[J]. Optics Express, 2017, 25(21):25655. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-21-25655&origin=search[3] Du J, Wang J. Design and fabrication of hybrid SPP waveguides for ultrahigh-bandwidth low-penalty terabit-scale data transmission[J]. Optics Express, 2017, 25(24):30124 https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-24-30124&origin=search[4] Zheng S, Wang J. On-chip orbital angular momentum modes generator and (de)multiplexer based on trench silicon waveguides.[J]. Optics Express, 2017, 25(15):18492. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-15-18492&origin=search[5] Du J, Wang J. Chip-scale optical vortex lattice generator on a silicon platform [J]. Optics Letters, 2017,42(23):5054. https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-42-23-5054&origin=search来源:武汉光电国家实验室(筹)
2018-04-27
涡旋光通信系列研究进展
涡旋光通信系列研究进展
光波的振幅、相位、偏振、波长和时间维度已经被广泛利用来提高光通信容量。除了这些传统的复用技术,轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)光束可以作为载波进行多路复用,从而提高系统的通信容量和频谱效率。目前,OAM通信研究已在国际上引起广泛关注。武汉光电国家实验室(筹)王健教授领衔的多维光子学实验室(MDPL:Multi-Dimensional Photonics Laboratory)一直致力于OAM光通信研究,在这个领域取得了系列进展。在光纤OAM通信研究方面:在自由空间中,李树辉老师提出了一种基于OAM阵列编码的新型光通信通讯技术。通过充分利用空间维度(正交的空间模式和空间位置),单个码元的信息量可以获得极大提升。采用此技术方案,系统的空间利用率和集成度也有望被提高。利用4个空间位置,每个位置包含5或6个OAM态,在实验中展示了625码元和1296码元的高维编码通信并评估了数据信息和图像信息在湍流下传输的性能。该工作以论文“Experimental demonstration of optical interconnects exploiting orbital angular momentum array”发表在Optics Express (vol. 25, no. 18, pp. 21537-21547, 2017)上。在光纤OAM通信中,博士生王璐璐提出了基于无载波幅相调制的模分复用无源光网络结构,在1.1km带有沟槽结构的椭圆光纤中实现了两个模式(LP01和LP11a)的复用。2.5-Gbaud CAP-16信号作为下行传输信号,成功实现了服务于4个终端用户并且单用户净速率达到5 Gb/s。该工作以论文“MDM transmission of CAP-16 signals over 1.1- km anti-bending trench-assisted elliptical-core few-mode fiber in passive optical networks” 发表在Optics Express (Vol.25, No.19, pp. 22991-23002, 2017)上。博士生朱龙实现了2.6公里OM3多模光纤中OAM模群复用传输。在实验中分别使用了4个模式(OAM0,1, OAM-1,1/OAM+1,1, OAM+2,1, and OAM+3,1)的传输,并且获得良好的通信性能。该工作以论文“Orbital angular momentum mode groups multiplexing transmission over 2.6-km conventional multi-mode fiber” 发表在Optics Express (Vol.25, No.21, pp. 25637-25645, 2017)上。根据课题组研究的进一步深入,博士生王安冬等人提出一种更低计算复杂度的基于传统多模光纤的OAM模式复用通信方案。通过利用多模光纤模群内部模式有效折射率差较小,但模群之间具有大有效折射率差的特性,采用模群间无干扰复用和模群内小规模MIMO辅助复用相结合的复用方式来大大降低系统复杂性与算法复杂度,仅通过2X2 和4X4 MIMO-DSP实验实现了6个OAM模式的10-Gbaud QPSK信号在8.8 km MMF中的复用传输,总传输容量为120 Gbit/s,六路OAM模式7% 前向纠错码(FEC)门限下的OSNR代价都小于2.5 dB。2018年4月9日,光学期刊Optics Express (Vol.26, No.8, pp. 10038-10047, 2018)发表了题为“6个轨道角动量模式在8.8 km传统多模光纤中的复用通信”(Directly using 8.8-km conventional multi-mode fiber for 6-mode orbital angular momentum multiplexing transmission)的研究成果。水下通信是海洋监测与海洋开发中一项关键技术。为了实现水下通信系统容量可持续地增长,光的空间维度可以引入到现有的水下无线光通信。在空分复用技术中,利用轨道角动量(OAM)进行复用被广泛的研究。博士生赵一凡首次在水下实现了4路轨道角动量模式广播通信,每路通道携带1.5-Gbaud 8-QAM-OFDM信号。同时,在实验中我们验证了更高调制格式的可能性。该方案具有可拓展性,轨道角动量模式数可以进一步提高。相关研究成果以论文“Demonstration of data-carrying orbital angular momentum-based underwater wireless optical multicasting link”发表在Optics Express (Vol.25, PP. 28743-28751, 2017).同时,为了解决水位的变化会导致的跨空水界面光通信中光束发生偏移从而造成光信号接收对准问题,武汉光电国家实验室光电子器件与集成功能实验室王健教授和博士生王安冬等人设计了一种可以根据接收到的OAM光束的强度分布自适应反馈的反射装置来实现光束的重新对准,并在长度为2 m的长方形水箱搭建实验平台验证。为了验证跨空水界面的数据信息传输性能,传输了灵活性较高的离散多音调制信号,并通过比较无反馈装置与有反馈装置下的系统误码率性能曲线,验证了所设计的反馈装置的有效性。2018年3月26日,光学期刊Optics Express (Vol.26, No.7, pp. 8669-8678, 2018)发表了题为“基于反馈装置的涡旋光水-空-水信息交换系统”(Adaptive water-air-water data information transfer using orbital angular momentum)的研究成果。另外,在OAM机理上,光为何会携带角动量,而且表现出不同的形式。针对这个问题,博士生方良从光的电场矢量演变角度出发,推导了光的各个维度角动量表达形式,分析了它们之间的内在联系,包括纵向自旋与轨道角动量,自旋轨道耦合,横向自旋角动量,以及圆偏振状态下的螺旋自旋流等。结果表明,光的纵向自旋和轨道角动量与光的电场矢量叠加有关,依赖于叠加电场分量的相位差与振幅大小。研究发现,自旋轨道耦合效应以及横向自旋是光的一种本征属性,普遍存在,只是在非旁轴情况下,由于纵向电场的增强而表现得很强烈。自旋轨道耦合以及横向自旋在微纳光学领域具有重要的研究价值,例如横向自旋可以应用于光子自旋控制的单方向耦合,导致了近年来手性量子光学的发展。该成果以题目“Optical angular momentum derivation and evolution from vector field superposition” 发表在Optics Express上 (Vol. 25, pp. 23364-23375, 2017)。以上工作得到了国家973计划课题(2014CB340004,)、国家自然科学基金(61761130082, 11574001, 11774116, 11274131, 61222502)、英国皇家协会牛顿高级研究基金、2019人才计划青年拔尖奖励计划 (NCET-11-0182),青年长江奖励计划和新世纪人才计划等项目支持。文章链接:[1] Li S, Wang J. Experimental demonstration of optical interconnects exploiting orbital angular momentum array.[J]. Optics Express, 2017, 25(18):21537-21547. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-18-21537&origin=search[2] Wang L, Ai J, Zhu L, et al. MDM transmission of CAP-16 signals over 1.1- km anti-bending trench-assisted elliptical-core few-mode fiber in passive optical networks[J]. Optics Express, 2017, 25(19):22991-23002. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-19-22991&origin=search[3] Zhu L, Wang A, Chen S, et al. Orbital angular momentum mode groups multiplexing transmission over 2.6-km conventional multi-mode fiber.[J]. Optics Express, 2017, 25(21):25637-25645. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-21-25637&origin=search[4] Wang A, Zhu L, Wang L, et al. Directly using 8.8-km conventional multi-mode fiber for 6-mode orbital angular momentum multiplexing transmission[J], Optics Express.2018,26(8):10038-10047 https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-26-8-10038&origin=search[5] Zhao Y, Xu J, Wang A, et al. Demonstration of data-carrying orbital angular momentum-based underwater wireless optical multicasting link[J]. Optics Express, 2017, 25(23):28743. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-23-28743&origin=search[6] Wang A, Zhu L, Zhao Y , et al. Adaptive water-air-water data information transfer using orbital angular momentum[J]. Optics Express.2018,26(7):8669-8678 https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-26-7-8669&origin=search[7] Fang L, Wang J. Optical angular momentum derivation and evolution from vector field superposition.[J]. Optics Express, 2017, 25(19):23364. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-19-23364&origin=search来源:武汉光电国家实验室(筹)
2018-04-20
用以提升相干收发机性能的新型调制技术
用以提升相干收发机性能的新型调制技术
可调谐半导体激光器是实现下一代全光交换的关键器件之一。采用先进调制技术与相干探测技术,可以进一步增加光纤通信系统的光谱效率和网络节点的吞吐量。然而,可调谐半导体激光器在波长切换过程中会产生较大的频率抖动,需要一段时间才能达到稳定的频率输出,这就显著增加了相干接收机在波长切换后的等待时间。为了解决这个问题,研究人员正在尝试不同的解决方案。光电子集成与器件功能实验室余永林教授课题组与爱尔兰都柏林城市大学L. Barry教授课题组合作,对波长可调谐半导体激光器动态切换特性进行了深入的研究。 近期,L. Barry教授和余永林教授合作指导博士生刘帆等,提出了将双差分技术与星型16-QAM调制格式相结合(DD-star-16-QAM)的解决方案。进行了细致的理论模拟和实验研究,研究结果表明DD-star-16-QAM可以克服频率抖动对信号造成的劣化,并且降低相干接收机在波长切换之后的等待时间。2018年4月2日,该项研究成果“适用于相干光包收发机的双差分星型16-QAM”(Doubly differential star-16-QAM for fast wavelength switching coherent optical packet transceiver) 发表在美国光学学会OSA 旗下的权威期刊Optics Express (vol.26, no.7, April 2018)上。该研究得到了中国国家自然科学基金项目(61675073)、中央高校基本科研基金(2016YXZD004)、111计划 (B07038.) 、中国留学基金委以及爱尔兰科学基金委IPIC和CONNECT项目的资助和支持。图1 激光器波长切换之后,相干系统BER随时间的变化曲线来源:武汉光电国家实验室(筹)
2018-04-18
上海硅酸盐所研制出新型层状结构催化耐火纸
上海硅酸盐所研制出新型层状结构催化耐火纸
催化剂广泛应用于化学化工和工业生产中,在现代化学工业中占有极其重要的地位。纳米催化剂尺寸小、比表面积大、表面活性高,具有优异的催化性能,近年来引起人们的广泛兴趣和关注。但其中一个难题是,在液相催化反应体系中,当催化反应完成后,纳米催化剂粉体很难从液相反应体系中分离出来,使得催化剂的回收利用很困难,并且回收成本高。另外,催化剂纳米颗粒在液相反应体系中,容易发生严重的团聚现象,导致催化剂的催化性能显著降低。最近,中国科学院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员和熊志超助理研究员等在新型无机耐火纸的研究工作基础上,在常温下的水溶液中,通过在羟基磷灰石超长纳米线上原位生长金纳米颗粒,成功地研制出具有良好柔韧性的新型层状结构催化耐火纸。该催化耐火纸中纳米金催化剂的负载量可控并且分散均匀,可有效防止金纳米颗粒团聚,提高催化活性。此外,在新型催化耐火纸中,羟基磷灰石超长纳米线通过自组装形成纳米多孔网络结构和层状结构,在催化反应中可大大提高反应物流动通过时与纳米催化剂的接触机会,可显著提高催化效率。新型催化耐火纸容易实现从液相反应体系中的高效分离和循环利用,在催化反应完成后,只要将催化耐火纸从溶液中取出,就可以方便快捷地实现纳米催化剂的回收再利用,可以大大降低成本。更重要的是,新型催化耐火纸具有优异的耐高温和耐火性能,即使在火中长时间灼烧仍然可以保持完好。新型催化耐火纸具有良好的高温催化稳定性,高温处理后仍然能够保持高催化活性。此外,新型催化耐火纸可以多次循环使用和长时间使用,并且仍然能够保持高催化活性。相关研究结果发表在国际权威期刊英国化学会《材料化学期刊A》 (Journal of Materials Chemistry A, 6, 5762–5773 (2018); I.F. = 8.867)杂志上。新型层状结构催化耐火纸在连续流动催化反应中表现出优异的催化性能。实验表明,在室温下,含有4-硝基苯酚和硼氢化钠的水溶液只要倾倒在新型催化耐火纸上,就像水溶液过滤一样很快流过催化耐火纸,催化反应就完成了,4-硝基苯酚就转变为4-胺基苯酚,催化反应快速并且催化效率很高(~100%)。同样,采用连续流动催化反应,新型催化耐火纸也可对多种有机染料例如罗丹明B、甲基橙等实现高效快速降解,被有机染料污染的水溶液只要倒在催化耐火纸上快速流过,就可实现污水的连续高效快速净化。此外,研究团队还实现了羟基磷灰石超长纳米线的10升级反应釜的放大制备和大尺寸新型层状结构催化耐火纸的制备,所制备的大尺寸催化耐火纸具有良好的均匀性和可重复的高催化活性。羟基磷灰石超长纳米线基新型无机耐火纸是一种优异的耐高温催化剂载体,可以实现对多种纳米催化剂的高效负载、均匀分散和紧密固定。制备的新型层状结构催化耐火纸具有优异的耐高温性能,特别适用于在高温下多种液相和气相催化反应,并且可多次循环利用和长时间使用,在化学工程、工业生产、工业废气净化、汽车尾气净化、污水处理等领域具有良好的应用前景。该研究工作得到国家自然科学基金委和上海市科委等资助。研制的新型层状结构催化耐火纸具有良好的柔韧性,可以任意弯曲和折叠,新型催化耐火纸的横截面的扫描电子显微图显示其具有层状结构新型层状结构催化耐火纸在流动催化反应中表现出优异的催化性能,在室温下含有4-硝基苯酚和硼氢化钠的水溶液只要倾倒在新型催化耐火纸上,就像水溶液过滤一样很快流过催化耐火纸,催化反应就完成了,催化效率高达~100%新型层状结构催化耐火纸具有优异的热稳定性,在高温下加热1小时后仍然能够保持高催化活性新型层状结构催化耐火纸多次循环使用和长时间使用后仍保持高催化活性实现了羟基磷灰石超长纳米线的10升级反应釜的放大制备和大尺寸新型层状结构催化耐火纸的制备,所制备的大尺寸催化耐火纸具有良好的均匀性和可重复的高催化活性来源:上海硅酸盐研究所
2018-04-16
上海硅酸盐所在二维MXene生物医学应用领域取得系列重要进展
上海硅酸盐所在二维MXene生物医学应用领域取得系列重要进展
近期,中国科学院上海硅酸盐研究所陈雨研究员和施剑林研究员带领的研究团队(介孔与低维纳米材料课题组)开展了二维MXene的多种类可控合成以及针对肿瘤诊疗的生物医学应用的系统研究工作,这些工作涉及MXene本身的酶催化降解、MXene的体内外细胞吞噬行为、对多区近红外光的响应、高效的光热肿瘤治疗、诊断性成像以及系统的生物安全性评价。相关研究成果分别发表在J. Am. Chem. Soc., Nano Lett.和Adv. Mater.上,论文第一作者为在读博士生林翰。二维MXene是备受关注的一种新型二维晶体材料,它包括数量庞大的过渡金属碳化物和氮化物,具有良好的导电性、亲水性以及机械性能。二维MXene相纳米片层结构主要通过液相剥离的方法合成得到,主要的原理是利用其前驱体MAX材料中不同原子层间作用力的差异,通过条件可控的刻蚀过程来实现A层原子的抽出,进而实现MX层(即MXene)的剥离。MXene一般以三种形式存在:M2X, M3X2和M4X3。MXene因其本身丰富的理化性能被用于能源储存和转换、水体净化、化学传感、光或电催化和静电屏蔽等领域,并被期待在纳米生物医学领域有所突破。一方面,超薄原子层厚度的二维MXene表现出丰富的理化性能(包括光热转化性能、电子穿透性、X射线衰减和表面等离子共振等)和特殊的生物学效应(酶响应降解、细胞内吞、体内分布和代谢动力学等)。另一方面,MXene元素组分和片层内结构单元的精确可控制备,也为MXene的多功能化探索提供了更加广泛、灵活的材料科学基础。研究团队首次实现了小尺寸二维MXene材料(Ti3C2 MXene)的近单层结构剥离和获取,并系统地研究了MXene纳米片的体外光热转换性能、体内生物安全性评价和体内光热治疗效果(Nano Lett., 2017, 17, 384.)。该工作系统地阐述了MAX相块状材料通过两步液相刻蚀和剥离过程转变为具有超薄二维结构的纳米片,该二维纳米材料具有在近红外(NIR)区域的良好线性消光系数(25.2 Lg−1 cm−1)和优良光热转换效率(30.6%)。在表面改性后,Ti3C2-SP MXene表现出了良好的体外细胞相容性和体内生物安全性,在体内尾静脉注射治疗模式中实现了肿瘤光热消融的显著效果,同时,在体内Ti3C2/PLGA植入体这一治疗模式中也实现了彻底消融裸鼠异体移植瘤的效果。随后,该研究团队进一步发表了基于二维Ta4C3 MXene纳米片构建的体内双模式PA/CT成像与体内光热治疗整合的诊疗一体化纳米平台(Adv. Mater., 2018, 30, 1703284),利用Ta4C3 MXene纳米片的超薄层状结构和Ta元素具有的CT信号增强理化性能,在可控外场(近红外光,X射线)刺激下,实现高效的体内光热转换和体内PA/CT双模式成像,达到热消融肿瘤细胞而不对正常组织产生毒副作用的目的,同时还兼具成像造影增强的功能。该诊疗一体化平台具备良好的临床转化前景,有望推动新型二维纳米材料在肿瘤诊疗和重大疾病中的广泛探索和应用。在此基础上,该研究团队进一步开发了用于近红外NIR-I和NIR-II双区响应的Nb2C MXene体内高效光热诊疗剂(J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 16235. DOI: 10.1021/jacs.7b07818),该工作首次涉及MXene酶催化降解、MXene的体内外细胞吞噬行为、对多区近红外光的响应、高效的光热肿瘤治疗、诊断性成像以及系统的生物性评价。体内动物实验结果显示,Nb2C MXene纳米光热剂对健康的小鼠在1个月的评价周期内没有不良影响,表明其具有良好的体内生物安全性。在荷瘤鼠的体内治疗研究中发现,通过尾静脉注射和瘤内注射两种方式在15天的治疗周期内都实现了异体移植瘤的消除,并发现在1个月内没有复发,表明了该纳米光热诊疗剂具有良好的生物安全性和高效的光热肿瘤消融能力。此外,研究团队还在二维生物医用材料利用方面开展了一系列创新研究工作,包括开发了二维MnO2基纳米诊疗剂(Adv. Mater., 2014, 26, 7019-7026),并于近期将二维黑磷纳米片与3D打印支架结合,不仅利用黑磷的光热转化能力杀死肿瘤细胞,并可以借助黑磷的有效化学组成促进骨组织的修复(Adv. Mater., 2018, DOI: DOI:10.1002/adma.201705611)。基于上述研究基础,研究团队受邀在Chem. Soc. Rev. (2015), Nano Today (2016), Chem (2018)上发表三篇综述论文,分别阐述了二维类石墨烯烯基纳米生物材料、二维光热转换生物材料、二维纳米生物材料中的材料化学的研究现状和未来发展前景,推动了二维纳米生物材料的进一步临床转化应用。以上研究工作得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目、优秀青年科学基金项目、国家重点研发计划青年科目学家专项等项的资助和支持。论文链接:(1) https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b04339;(2) https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b07818;(3) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201703284/full.MAX相陶瓷块状材料通过两步液相刻蚀和剥离过程转变为具有超薄二维结构的Ti3C2 MXene纳米片二维Ta4C3 MXene纳米片的体内双模式PA/CT成像与体内光热治疗整合的诊疗一体化纳米平台二维Nb2C MXene纳米片的血液循环半衰期、体内分布、光热治疗效果评估以及动物实验治疗效果评估来源:上海硅酸盐所
2018-03-05
骆清铭应国务院新闻办邀请在京接受中外记者采访
骆清铭应国务院新闻办邀请在京接受中外记者采访
1月24日上午10点,国务院新闻办公室在国务院新闻办新闻发布厅举行中外记者见面会,邀请我校副校长、2010年度国家自然科学二等奖获得者骆清铭教授等5位科技工作者围绕科技创新与中外记者见面交流。中央电视台新闻中心记者:十九大报告后,我们国家不断地在强调科技发展取得的一些重大成就,从十八大到现在,我们科技记者也见证了很多成就。今天也见到各位,你们是历史的见证者、亲历者和创造者,想请问你们有哪些印象最为深刻和最有感触的体会,有哪些故事可以跟我们分享一下吗?骆清铭:我也谈谈我的体会。我觉得一个最大的感受是我们国家科技创新的环境有非常大的改变,一方面大家认识提高了很多,在中央的报告里也说到作为科技创新是我们提升社会生产力和综合国力的战略支撑。另一方面,从中央到地方各级政府对科技创新不仅仅是说号召大家提高认识,还有实际的行动,我以自己成果的过程讲一下体会。我们做的叫做前脑网络可视化,显得很专业,实际上就像大家用的摄像机一样,我们要想把这个目标看得更清楚,范围看得更广,当然我们现在对象是脑。一开始我们只是拿到国家自然科学基金,大家知道自然科学基金支持的都是自由探索的项目,在基金的支持下我们研发了这个仪器,这个阶段是在实验室的阶段,是属于原理性的样机,我们也发了论文。一般大家都知道可能很多工作到这时候就结束了。后来一个偶然的机会,科技部的一位领导到我们那儿调研,看到我们这个成果,就鼓励说,你这个应该申请国家重大科学仪器设备专项,要想办法把这个仪器产业化。我们的教授就没想这么多。我们说怎么弄?他们就给我们指导。后来这个项目执行几年之后取得非常好的效果,在国内外产生很重要的影响。2016年8月8号新闻联播的头条专门对我们这个工作做了报道。报道之后,江苏省产业技术研究院有位领导看到这个消息之后,主动给我们牵线搭桥,这件事情就得到了江苏省、苏州市和苏州工业园区的重视,他们重视之后,就对我们这个成果进行支持。基金会给我们是原理样机,科技部是给我们原理样机做成产品样机,地方政府让我们做什么呢?把这个样机进行放大,我们就建设了50套设备,叫做应用示范。从原理样机到应用示范这是科技创新的全链条。这个应用示范工作很快在苏州工业园区建了成像平台,引起了国际上高度重视。2017年8月17号,学术期刊《自然》专门对我们的工作进行了报道,用的题目是中国建立了脑成像的工厂。其中有评价说用这种规模化、标准化去研究脑,将会改变神经科学研究的方式。同时他也说,像基因组测序的技术一样,我们这种高通量测绘脑的技术,将会为我们研究神经元之间的连接,理解脑的功能发挥非常重要的作用。从这个故事可以看到整个链条我们在发展过程当中得到了政府各级部门的大力支持,也使我们这个技术最终至少在目前来说是处在引领的位置。当然我们下一步希望把这个技术产业化,因为真正应用才能谈得上是真正的引领。通过我自己的发展历程,我最大的感受是创新的环境有非常大的改变。谢谢!人民日报记者:我有两个问题:第一,十八大报告里提出强化基础研究,加强应用基础研究,要求在重大原创成果和基础上有新的突破,这好像是在我们国家无论是党代会历史上还是其他会议上第一次提出来,这是前所未有的。想听听各位老师对这个事情的理解。第二,各位老师讲到近些年我们国家的科研环境有非常大的转变,如果想继续变得更好的话,请问各位老师对它的期望是什么?谢谢。骆清铭:刚才这位记者朋友问的问题,确实基础研究非常重要。我想补充一点,我们真正最后要形成颠覆性的或者是变革性的技术,它的前期一定是基础研究有重大的突破。我还是用大家用的摄像机为例,若干年前大家用的是胶片,不如今天大家用的摄像机这么方便。摄像机后面有一个CCD,电荷耦合器件,这个探测器发展很快,就可以把这些信息很快的记录下来,可以实时的。但是下一步还面临一个问题,这个数据怎么存储。在武汉光电国家研究中心,在华中科技大学,最近我们做一个项目,在材料上非常小的一个空间能够大大提高存储的容量。如果这个技术研究能够有突破,未来大家拿着摄像机出去,想拍多少就不用担心存储满了。提到对未来科研环境的期待,我们国家已经规划得非常好。还是以光电国家研究中心为例,比原来过去单一学科的国家重点实验室的规模大一些,强调是学科交叉,更强调是问题导向的这种技术研究。大家能够真正的通过基础研究为国家的发展发挥更重要的作用。谢谢!澳亚卫视记者:在十九大的时候我们采访过白春礼院长,也问过一个关于学术不端的问题,去年我们也发现学术不端的问题,国内外都有,我们发现有很多国内的专家有一点冤枉,可能并不是学术造假,可能是有一些流程不太清楚,或者是有一些规范做得不是特别的好,导致学术不端。我们想问问几位科学家对这方面有什么看法?我们未来在科技创新方面怎么能避免这样的问题?谢谢。骆清铭:因为我是来自高校的,首先我们对学术不端肯定是坚决反对,态度非常明确。另一方面,以我自己为例,我们每次学生进来,第一件事情就是讲学术诚信、学术规范,必须要按照规则,给学生讲得很清楚。我们自己作为老师也是非常重视。因为作为一个学术共同体,很多规范也是在大家不断地发展过程当中形成的。现在我们也注意到从科技部、教育部、基金委,一旦有这些情况,会采取相应的措施,积极宣传教育,从总体情况看,我们对未来还是充满信心的。谢谢。中国新闻社记者:刚才我们多次提到党的十九大,十九大对于加快建设创新型国家也提出了新的目标和新的要求,科技创新也可以说进入了一个新的时代。我的问题是提给在座五位科学家,在这样一个伟大的时代,您各位肩上的担子无疑也更重,对于各自领域未来的发展有什么样的畅想或者展望?谢谢。骆清铭:一说到这个我就很激动。刚才我介绍了我们的工作,过去花了十多年克服了技术上一个又一个困难,把我们发展的前脑网络可视化的技术推向了市场,进行了产业化。刚才几位专家提到,我们真正要取得引领性的工作,一定要有十年磨一剑的精神。我跟我们学生讲,在我们团队讲,我们自己要有引领的意识,要有创新的自信。因为十年磨一剑,必须要有信心,不然这十年待不住,在观念上要转变。从整个国家来讲,对科技来讲,我认为从创新引领的角度,现在不是说能不能,而更多的是敢不敢,还有怎么去做。对于我自己来说,未来我想做什么事情呢,过去都很难设想的,我希望花五年、十年甚至更长的时间,把人脑的网络和神经元怎么连接的搞清楚。能不能把这个图谱做出来,借这个机会,欢迎志同道合的朋友,国内外大家一起来做这个事情。现在我们在苏州建了成像设施,我认为是具备这个能力,但还要很多困难要克服,也算是我们的梦想。我跟我们的团队也讲,未来十年二十年我们的梦想就是做这件事情。了解清楚脑的网络结构有什么好处,从应用的角度有两方面:一是我们对于脑的疾病的机制就能够搞清楚,至少为理解脑的疾病的机制能够提供非常重要的证据。二是最近很热的人工智能,类脑的人工智能是怎么去真正从脑的机制上去得到启发,我认为将来也会发挥更重要的作用。这就是我的一个梦想。谢谢。参加此次记者见面会的其他4位科技工作者分别是:中国科学院地质与地球物理研究所研究员、中科院院士、2017年度国家自然科学奖二等奖获得者朱日祥,中国医学科学院阜外医院副院长、主任医师、国家卫生计生突出贡献中青年专家、国家“2019人才计划”科技创新领军人才蒋立新,东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室主任、2017年度国家科学技术进步奖二等奖获得者王昭东教授,中科院遗传发育所分子系统生物学研究中心主任、2016年度国家自然科学奖二等奖获得者王秀杰研究员。相关视频链接: http://m.365yg.com/i6514490611234505223/?wxshare_count=3&pbid=6489699408886892046&from=singlemessage来源:武汉光电国家实验室(筹)
2018-01-25
武汉光电国家研究中心(武汉光电国家实验室(筹)) 与您相约旧金山2018美国西部光子学会议展会
武汉光电国家研究中心(武汉光电国家实验室(筹)) 与您相约旧金山2018美国西部光子学会议展会
一年一度的国际光电盛会 --- 美国西部光电子学会议及展会(Photonics West)即将拉开帷幕。2018 年1月 27日-2月1日,这一北美领先的光学和光子学会议和展览将再次在美国旧金山Moscone会议中心举行。武汉光电国家研究中心(武汉光电国家实验室(筹))将再次携手武汉光电工业研究院共同参加2018年生物医疗光学展(BiOS Expo,1月27-28日)和2018年美国西部光电展(Photonics West Exhibition,1月30-2月1日)。美国西部光电子学会议覆盖生物光子、激光、光学、3D打印等领域,汇聚国际顶尖光学机构和研究所专家及领域精英,发布当前世界领先的新技术、新产品,代表光电领域的最高学术水平。各国光学机构往往借此机会以各种形式展示本单位实力、联络同行。生物医疗光学展被称为世界上最大的生物医疗光学和生物光子学领域展会,同期开展的BiOS研讨会也是该领域在世界范围内影响力最大的学术会议之一。美国西部光电展是美国国际光学工程学会(SPIE)主办的全球光电子行业的国际盛事,也是北美最大的光学领域贸易博览会,汇聚国际顶尖光学机构和研究所专家及领域精英,代表光电领域的最高学术水平,自开展以来一直为光电产业提供人才、技术和信息交流平台武汉光电国家研究中心(武汉光电国家实验室(筹))此次参展将展示近年研究成果,宣传推广近期学术活动,招募国际化光电英才,寻求未来合作可能,进一步提升实验室国际影响力。光电工研院作为政产学研结合的对接平台,计划在本次展会中与更多国际知名企业建立实质性合作关系,为更多高层次人才和高科技创意项目提供更专业和深入的服务。展位信息如下:1.BiOS Expo:2018年1月27-28日(周六、日)展位号:8342 Moscone Center West Hall2.Photonics West Exhibition:2018年1月30-2月1日(周二、三、四)展位号:74 Moscone Center诚邀您莅临展会展位沟通交流!来源:武汉光电国家实验室(筹)
2018-01-10
基于快速傅里叶分析的光纤干涉传感器相位解调方法
基于快速傅里叶分析的光纤干涉传感器相位解调方法
光纤干涉传感器由于其具有高灵敏度、高分辨率、微型化、抗电磁干扰等特点而受到了广泛研究。信号解调是光纤干涉传感器的核心技术之一,对于待测信号的正确获取十分重要。波长追踪法是最为常见的光纤干涉传感器信号解调技术,但由于该方法在解调过程中存在大量光谱数据信息冗余,因此易受到外界因素(噪声、采样率等)干扰。在武汉光电国家实验室、光电学院鲁平教授指导下,博士生傅鑫提出了一种基于快速傅里叶分析的光纤干涉传感器相位解调方法。采用宽带光作为传感光源以获取传感器干涉光谱信息。光纤干涉传感器具有本征空间频率,由传感结构自身的光程差决定。在很多传感应用中被测量带来的光程差扰动与初始光程差相比十分微小,因此本征空间频率可视为常数,而光程差带来的干涉相位变化可由本征空间频率处的傅里叶相位变化表征。该技术在解调运算过程中使用到了所有的采样点数据,大大减少了冗余信息,因此有更高的解调稳定性。该解调技术可应用于多模干涉多参量同时测量以及空频分复用传感系统等领域。2017年9月4日,这一工作〝Phase demodulation of interferometric fiber sensor based on fast Fourier analysis〞发表在Opt. Express Vol.25, No.18, 21094-21106 (2017)。研究工作得到了国家自然科学基金(61290315, 61290311, 61275083)的资助。来源:武汉光电国家实验室(筹)
2017-09-14