http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2015-07-18
国际研究小组将两种材料结合造出超高效发光晶体
科技日报北京7月16日电 （记者王小龙）如果你既喜欢烧饼也喜欢腊汁肉，把两种食材结合起来，来一份肉夹馍，口感或许更胜一筹。材料学也是如此。日前，一个国际联合研究小组将两种热门的太阳能电池材料结合在了一起，制造出一种超高效发光晶体，为LED技术开创了新的研究平台。相关论文发表在7月15日出版的《自然》杂志上。
在这项研究中，该研究小组将一种纳米发光胶体即一种量子点嵌入到钙钛矿中，形成了一种独特的混合晶体。钙钛矿材料可以通过溶解的方法来生产，允许电子在最小损耗的情况下快速移动，而量子点则能高效发光。两者强强结合，互利互补，实现了效率的最大化。
论文第一作者、加拿大多伦多大学博士生龚希文（音译）说：“将两种当红的光电材料结合在一起是非常新颖的想法。我们希望能通过固态基质将它们无缝结合起来，以发挥它们各自的长处。”
“当你试图将两种晶体混合起来的时候，开始往往不会很顺利，”参与此项研究的多伦多大学博士后理查德·卡明说，“我们必须找到一个新的策略，让它们‘忘记’分歧，形成独特的混合晶体结构。”
要做到这一点，他们必须让两种晶体结构按照名为“异质外延”的方式进行生长。该团队设计出了一种方法，能让两种晶体结构在原子末端相连，从而保证它们能够顺利对齐，实现无缺陷的无缝结合。论文合著者、上海科技大学的宁志军（音译）说，先在量子点周围构建纳米“脚手架”外壳，然后让钙钛矿沿着“脚手架”生长，两种材料果然完美地结合在了一起。
最后，研究人员得到一个漂亮的黑色晶体，量子点被包裹在钙钛矿“蜂巢”中间，这些钙钛矿材料能像漏斗一样将电子导入电子点，让其发光效率成倍提升。这种方式还避免了材料光谱重合可能导致的自吸收现象。
研究人员称，这种超高效率LED技术，不但能用来照明、制造显示器和夜视仪，还能用来制造能识别手势的近场红外线发射装置和低成本薄膜太阳能电池，具有极为广泛的应用价值。
[科技日报]
日本开发出能够在弱压条件下释放储热的新材料
中国科技网7月14日报道（张微 编译）日本东京大学的研究人员开发出了一种能够长时间存储热能的新型材料，他们将这种材料称为储热瓷(heat storage ceramic)。这是一种可以用作太阳能热发电系统或有效利用工业余热，能够使热能循环利用的储热材料，因为这种材料在弱压力条件下就能释放出存储的热能。
能够储热的材料包括砖或混凝土，能够缓慢地释放储存的热量，而其他材料如水或乙二醇，当它们从固态转换成液态的时候会吸收热量。但是，这些材料中没有一个能够长时间的储存热能，因为他们会随着时间缓慢地、自然地释放热量。一种能够长时间储存热能并在指定的时间里释放热量的材料，对于可再生能源领域来说是一个福音。
日本东京大学研究生院Ohkoshi教授的研究团队开发了这种能够长时间存储热能的储热瓷(heat storage ceramic)。这个材料，被称为条状λ五氧化三钛，仅由钛原子和氧原子组成，能够吸收和释放大量的热能(230 kJ L-1)。存储的热能量非常大，相当于与在熔点的水的70%相变储能。此外，弱压力条件下，60 MPa (mega Pascal)就促使条状λ五氧化三钛相变成β五氧化三钛，释放出存储的热量。除了直接应用热能，热量也能够被储存，以通过材料的电流或用光照射的方式，通过各种方法促使材料反复吸收和释放热量。
条状λ五氧化三钛是一种简单的氧化钛，蕴藏量丰富的元素而且很环保。目前储热瓷(heat storage ceramic)有望成为太阳能发电系统中应用的新材料，欧洲国家正在积极地推动其应用，而且它还能有效利用工业余热。这种材料还能在高级电子设备中应用，如压敏片，可重复利用的加热垫，压敏导电传感器，电流驱动型电阻随机存取存储器(ReRAM)，和光存储器等。
New material releases stored heat under weak pressure
Researchers at the University of Tokyo have discovered a new type of material which stores heat energy for a prolonged period, which they have termed a "heat storage ceramic." This new material can be used as heat storage material for solar heat energy generation systems or efficient use of industrial heat waste, enabling recycling of heat energy, since the material releases the stored heat energy on demand by application of weak pressure.
Materials capable of storing heat include those such as bricks or concrete that slowly release the stored heat, and others such as water or ethylene glycol that take in heat when they transform from a solid to a liquid. However, none of these materials can store heat energy over a long period as they naturally release it slowly over time. A material that could store heat energy for a long time and release it at the exact timing desired would be a boon for the field of renewable energy.
The heat storage ceramic discovered by the research group of Professor Ohkoshi at the University of Tokyo Graduate School of Science preserves heat energy for a prolonged period. This material, called stripe-type-lambda-trititanium-pentoxide, is composed of only titanium atoms and oxygen atoms, and can absorb and release a large amount of heat energy (230 kJ L-1). This heat energy stored is large at approximately 70% of the latent heat energy of water at its melting point. Additionally, applying a weak pressure of 60 MPa (mega Pascal) to stripe-type-lambda-trititanium-pentoxide induces a phase transition to beta-trititanium-pentoxide, releasing the stored heat energy. Besides direct application of heat, heat energy can be stored by passing an electric current through the material or irradiating it with light, enabling the repeated absorption and release of heat energy by a variety of methods.
Stripe-type-lambda-trititanium-pentoxide is a simple titanium oxide composed of abundant elements and is environmentally friendly. The present heat-storage ceramic is expected to be a new candidate for use in solar heat power generation systems, which are actively promoted nowadays by European countries, and also for efficient use of industrial heat waste. This material also has possibilities for use for advanced electronic devices such as pressure-sensitive sheets, reusable heating pads, pressure-sensitive conductivity sensors, electric current driven type resistance random access memory (ReRAM), and optical memory.
[中科网]
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唐本忠院士团队玩转聚集诱导发光材料
AIE材料发出明亮、颜色各异的光。唐本忠团队集齐了从蓝光到红光覆盖整个可见波光范围的A IE材料体系。
发红光的A IE大晶体。
唐本忠院士。
TA们是谁
唐本忠院士团队
●AIE小分子及机理：唐本忠院士、赵祖金教授、王志明博士、高蒙博士
●AIE高分子制备方法及应用：唐本忠院士、秦安军教授、胡蓉蓉副教授
唐本忠院士拿过学生手里的“宝贝”———一个个装着少量有色粉末的透明玻璃瓶，依次摆在灯前。开灯，粉末绽出明亮、颜色各异的光，仿若连成一条彩虹。“我们集齐了从蓝光到红光，覆盖整个可见波光范围的聚集诱导发光材料体系”。在世界上最先提出聚集诱导发光概念的唐本忠，正带领团队将实验室里合成的发出独特荧光和磷光的材料，打造成彩色“侦探”：能捕捉风洞试验中大型飞机的薄弱环节，能让细菌无所遁形，将来它们还能进入人体追踪癌细胞。
独辟蹊径让分子变身“性情大变”
5月15日，唐本忠西装革履，少见地系上红色领带，站在第二届国际聚集诱导发光现象及其应用研讨会的开幕式上，笑容谦和地欢迎来自国内外300余位不同科研领域的“武林高手”。
这些人的汇集，源于唐本忠14年前一次反其道而行之的挑战权威。
发光分子在稀溶液里可高效发光，但在浓溶液中或聚集状下，发光能力减弱甚至完全消失。德国科学家60年前发现的这种聚集猝灭现象，让发光领域的研究者大为挠头。因为发光材料多在固态下使用，比如制作一块有机发光二极管(OLED)的手机屏幕，发光材料就是在浓度最高的固体薄膜态使用。
分子越多，发光能力反而越弱，怎么办？那就避免让它们聚集在一起，这正是大多数科学家研究的方向：如何阻止分子聚集。但唐本忠独辟蹊径，让平板一样容易聚集的分子变成类似螺旋桨一样的结构。
变身后的分子“性情大变”，越是聚集，越能发出耀眼光芒，尤其在固态下发光效果更强，而且消耗的能量也大为减少。唐本忠将这种发光现象命名为聚集诱导发光，英文简称“A IE”。
发光材料领域一扇全新的大门被推开。一系列先进功能材料接踵而至，拉近了人们幻想中的奇妙材料与现实的距离。曾经好莱坞科幻电影中，薄而透明、可以任意弯曲折叠的显示屏羡煞科技控，今天，可折叠的发光屏幕已成为现实。
唐本忠主持的第二届A IE国际研讨会，像是一场科学技术界的跨界派对，化学、物理、生物、医疗还有工程，各领域的延展研究都建立在A IE概念之上。团队成员之一的胡蓉蓉博士在研讨会上就见到了化学界顶尖杂志《美国化学会会志》(Journal ofthe A m erican Chem icalSociety)副主编，这位研究检测葡萄酒里微量小分子含量的美国科学家，希望借助发光的A IE材料，在糖分不同的葡萄酒中灵敏而精确地挑选出口味更佳的那一瓶。
变色涂料让飞机风洞试验变简单
2013年，武汉大学的李振教授发起第一届A IE国际会议，有160多人参加。时隔两年，刚结束的这次A IE会议人数翻倍，包括四五十名国际同行。
“老唐，你知道为什么研究A IE的人这么多吗？”会议间歇上海一位教授问唐本忠，“因为它太简单了”，这话引得唐本忠哈哈大笑，简单而有用恰是他追求的最高境界。在胡蓉蓉的印象中，唐本忠最常对学生说的“三字诀”就是SE U———Sim ple(简单)、Easy(容易)和U seful(有用)。
简单到只需要一步反应就可以获得的A IE材料，在全世界数百名科研人员手中被“玩”出各种花样，涉及光电、生物、医疗等诸多领域。
唐本忠团队发现，处于无定形态和结晶形态的A IE材料，在颜色和发光强度上都有不同。想法天马行空的唐本忠意识到，这个发现可以成为飞机风洞试验的有力工具。
大型飞机起飞前，风洞实验是必要的检测关口。在风洞实验中，飞机要被猛烈的风持续地吹，承受不住的部位就会露出破绽。但要找出这些破绽并非易事。风洞试验破坏的往往是应力集中的地方，肉眼看不出破绽，研究人员只能通过一次次数据模拟，在复杂的计算中去发现“漏洞”。
而从无定状态到结晶状态的A IE材料，施加作用力就会发生变化，力致变色将使风洞试验抛开繁琐的计算，变得极为简单。将A IE材料做成涂料抹在飞机上，这些高分子会将一切变化清晰地呈现出来，应力集中的地方会发出与其他地方不同的光，甚至整个飞机的应力是怎么分布的，荧光都可以通过颜色变化让人看得一清二楚。
做出的OLED器件像1平方米点6万根蜡烛那么亮
唐本忠最近摔坏了手机的显示幕，咨询后发现更换屏幕要1000多元。他不禁感慨，自己用的不是AIE材料的柔性显示屏幕，否则手机不仅不怕摔，还可以弯折甚至卷起来。
现在常用的手机是液晶显示，即LCD，液晶本身不发光，要依赖背景光，然而背景光非常耗电。另一种常用显示器———街头常见的大型广告牌，是用无机稀土材料制作的发光二极管，发光持久，但稀土属于稀缺品，需要在高温加工，非常耗能，而且脆弱、容易摔坏。
效率高、耗能小、易加工、韧度高的显示屏，一直是人们的渴盼。唐本忠团队在努力开发A IE材料在光电领域的应用，这个领域的新宠OLED正是他们研究的焦点。
在华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室里，AIE器件的发光效率可以达到理论的最高值。他们用AIE材料做出的OLED器件，亮度相当于1平方米内同时点燃6万根蜡烛，像探照灯一样闪闪发光。如将AIE材料用于手机屏幕，将使手机控告别玩了一半游戏不得不到处找插线板充电的烦恼。
唐本忠每周穿行于香港、广州两地实验室，7月12日是周日，出差回来的唐本忠来到位于华南理工大学科技园的实验室，五楼一侧的几个房间内，都有学生忙碌的身影。
他们捧出一大袋制备好的A IE材料，打开紫外线灯，唐本忠一一查看，“这个是谁做的？”他欣喜地询问，一瓶淡黄的粉末，在淡蓝的光照下，静静发出白色的光，“这个用处大啊”。很快他又发现一块拇指大的晶体，发出红色光芒，“红光结晶体也成功了？”
身边围着的老师和学生看着唐本忠用装有发光粉末的玻璃瓶摆出“彩虹”。如今，AIE特性的荧光分子发光颜色，已经覆盖整个可见光区域，他们的研究使O LED实现全彩色显示成为可能。
生物探针能发现“隐形”细菌检测糖尿病
唐本忠带领的团队是2012年广东省第三批引进的创新科研团队之一，在满是玻璃杯和试管的化学实验室里，他们埋头将一个个天马行空的科学想象发展成造福社会的技术现实。
第一步，他们选择了生物检测和医疗领域。
实验室里的水溶性A IE材料，本身在水中不发光，但只要在水溶液中碰上生物分子，如蛋白质、D N A、脂肪、糖分等，绑定了追踪成分的A IE材料就会立刻发光，因此它被认为是一种很敏感的“点亮性”传感器。实验中，这种与健康关系密切的“生物探针”，钻进小白鼠体内可让实验人员窥视小白鼠身体内部情形。
荧光探针不同于电镜，既不需要真空，在不同状况下也可以发出不同的光。如果用于人体，就能观察到以前看不到的细节，这些细节成为医生判断病情的珍贵线索。由唐本忠的博士后高蒙博士率领的研发团队，已经将这种生物探针投入临床检测，可将细胞器清晰成像。
他们正在研发的A IE探针，进入溶酶体与酶接触后，通过聚集发光，能清晰显示酶的浓度高低。医生只需将这一浓度成像与正常影像进行比较，就可以判断患病的概率。
传统荧光探针可检测的溶酶体仅10种左右，A IE探针的检测范围至少是传统探针的4倍。这一技术将主要运用到新生儿因溶酶体缺乏而导致的遗传性疾病临床检测中。“其实细胞器的分布、形态和位置变化都与很多疾病密切相关”，高蒙博士团队还尝试运用A IE荧光材料，观测接受抗癌药物治疗的细胞器形态改变，以此判断抗癌药物是否有效。
另外，一个细菌检测的平台也正在建设当中。发现“隐形”细菌，A IE材料也大有用武之地。
在实验室里，唐本忠团队在显微镜下发现，一种特殊的A IE材料一见到细菌就发光：有的见了死细菌发光，有的见到活细菌发光。更为神奇的是他们开发的一种荧光材料，不仅可以使细菌现形，而且还可以置细菌于死地。
这个发现让整个团队为之振奋。若由A IE材料上阵，使死亡的细菌发亮，实验人员可根据发光面积计算出数值，就能判断药物对细菌的杀灭程度有多大。而且更特别的是，A IE材料可以只让细菌发光，轻松地区分细菌和人体细胞，从而可轻易地锁定细菌的位置。
胡蓉蓉副教授在实验中比较出，A IE材料的光稳定性很强。传统材料进行细胞染色后拍照，可能拍了两三张后亮度就会减弱或消失，但A IE材料可以拍几十甚至几百张仍保持相当亮度。
AIE材料在医疗领域的大展拳脚，最先成为现实的可能是检测糖尿病的试剂盒。
糖尿病是一种难事前感知的疾病，发现尿液中糖分偏高时，往往为时已晚，只能终身注射胰岛素。而唐本忠团队将分子设计得能与葡萄糖结合，分子量变大，然后就会聚集，一聚集就发光。这样一来只需用紫外灯照射一下尿液，若尿液闪闪发光，就证明当中含葡萄糖，要赶紧去医院检查就医。
医生期待A IE材料能有更出色的表现。例如，给一个肝癌病人动手术时，犬牙交错的边缘很考验医生技术，如切除不净，等于埋下复发的隐患，这也是我国肿瘤病人康复率比较低的原因之一。但如果使用A IE荧光材料，即便只有一毫米大小的肿瘤也可以通过荧光呈现，帮助医生准确地把它切除。唐本忠团队正在致力于将这一想法变成现实。
大部分癌症死亡病例是因为癌细胞转移而引起，癌细胞从原发病灶逃出，通过血液“流窜作案”，要检验血液里有没有逃窜的癌细胞，得做循环肿瘤细胞(CT C)检测，但因为捕获的循环肿瘤细胞纯度不高，医疗界一直对CTC检测渴盼新的思路。
唐本忠团队研制出的AIE材料，有望解决这个难题。他们开发了一类特殊的A IE材料，只染癌细胞，不染正常细胞。抽血后添加这种材料，如果血液闪闪发光，就意味着追踪到了逃窜的癌细胞。目前已有一些荧光探针投入追踪行列，比如一些表层的肿瘤组织，剖开后喷洒荧光材料。
“原创的科研就像刨一口井，越往下刨泉眼越多，总是跟踪别人的，早晚会枯竭”。唐本忠团队设想并努力实践着，让AIE材料“玩”出更多新花样。
最新成果
●唐本忠院士、赵祖金教授发展了折叠型的空间共轭的A IE分子体系，并实现了单分子二维导电性能。
●高蒙博士率领的研发团队将荧光生物探针投入临床检测，可将细胞器清晰成像。
●A IE材料在医疗领域的大展拳脚，最先成为现实的可能是检测糖尿病的试剂盒。
策划：任天阳 王海军 田霜月 统筹：冯巧 陈实 薛冰妮 贺蓓
采写：南都记者 陈显玲 实习生 卫佳铭
摄影：南都记者 梁炜培 出品：南方都市报科学新闻工作室（原标题：发光的彩色“侦探”：帮大飞机体检 让癌细胞现形 华工唐本忠院士团队“玩转”聚集诱导发光材料，将其应用于光电生物检测和医疗等领域）
[南方都市报]