秋季會議上專家學者報道二則

秋季會議上專家學者報道二則

微納米孔道的仿生非對稱設計和制備

侯旭博士

生命體經(jīng)過億萬年的進化幾乎完成了智能操縱的所有過程，向自然學習是智能新材料和新體系發(fā)展的永恒主題。生物學孔道，典型的如離子通道，在細胞的基本分子生物學過程中發(fā)揮著重要的作用。受到生物孔道的對稱非對稱設計思路影響，近幾年，仿生微納米孔道的研究得到了飛速的發(fā)展。本文主要關(guān)注MRS大會中作者所了解到的最新研究進展并結(jié)合作者相關(guān)的研究背景，對受生物啟發(fā)的微納米孔道的研究做一簡要評述。

孔道可以分為孔和通道兩種。孔一般是指孔徑大于其自身長度的孔道，而對于孔的長度遠大于孔徑的孔道，一般稱為通道。根據(jù)孔徑的尺寸大小，一般又分為宏觀孔道、微米孔道、納米孔道。近幾年來，微納米孔道的研究得到了飛速發(fā)展，設計和開發(fā)仿生智能微納米孔道，不僅可以實現(xiàn)孔道孔徑大小智能響應外場的可控性，而且還可能通過對不同外場響應性功能分子的選擇和設計，實現(xiàn)光、pH值、溫度、特定離子等多外場協(xié)同作用的智能響應。這一方面為研究和模仿生物體中的孔道的開關(guān)、輸運等提供了一種新方法，在生命科學研究中具有重要的意義;另一方面，也為設計和開發(fā)仿生智能響應性微納米器件提供了一種全新的設計思路。基于微納米孔道的仿生非對稱設計思路就是在這一大研究背景提出來的。

不僅僅是仿生設計，如何制備一些新的材料同樣也是目前國際上的一個熱點問題。例如，石墨烯及其氧化物薄膜已經(jīng)成為一個十分熱門的研究領(lǐng)域，因為其獨特的物理化學性質(zhì)，比如單原子層的厚度，讓它具備了許多優(yōu)異的性能。本次美國材料研究協(xié)會秋季會議，石墨烯相關(guān)的研究與微納米孔道的研究一樣也是一個十分熱門的主題。國際上很多課題組，紛紛采用這種材料來開發(fā)一些新的材料系統(tǒng)，比如基于石墨烯復合的聚合物薄膜材料，這些材料的開發(fā)，不僅僅增加了微納米孔道的非對稱設計的材料選擇，也為提升微納米孔道的優(yōu)異性能帶來了新的希望，正如石墨烯是一種由碳原子以組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料，它的六角型晶格正好是天然的納米孔，為物質(zhì)的分離提供了一個理想的平臺。

(哈佛大學工程與應用科學學院侯旭博士

E－mail:houx@seas.havard.edu)

光伏領(lǐng)域的新明星——鈣鈦礦型太陽能電池

李洪義博士

隨著世界人口數(shù)量的不多增加和社會文明的不斷進步，人們對能源提出了越來越高的要求，除了有效利用現(xiàn)有的礦物能源外，發(fā)展可再生能源是社會發(fā)展的必然選擇。在眾多可再生能源中，太陽能由于具有儲量豐富、綠色環(huán)保和價格低廉等優(yōu)點被譽為最具前景的選擇之一。然而無論是硅基太陽能電池還是薄膜型光伏器件的成本均比傳統(tǒng)能源高出很多，為了降低光伏太陽能電池的成本，1991年人們提出了染料敏化太陽能電池的設計構(gòu)想，雖然目前人們已經(jīng)將染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高至12.3%，仍然與多晶硅和薄膜型太陽能電池存在很大的差異，如何提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已成為光伏領(lǐng)域亟需解決的問題。

2009年日本科學家發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦型光吸收劑CN3NH3PbI3的禁帶寬度僅有1.5 eV，在光伏領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的前景。然而由于CN3NH3PbI3在水溶液中的穩(wěn)定性很差，由此封裝的太陽能電池穩(wěn)定性極差。最近人們發(fā)現(xiàn)，采用固體電解質(zhì)提到液體電解質(zhì)不僅可以大大提高CN3NH3PbI3的穩(wěn)定性，還進一步將太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率大幅度提高，截止2013年9月份，由CN3NH3PbI3組裝的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換下來已經(jīng)高達15%以上，僅2013年就有10篇以上的學術(shù)論文發(fā)表在權(quán)威期刊《Science》、《Nature》以及《Nature》旗下的子刊。在2013年的MRS秋季學術(shù)會議上更是臨時組織了CN3NH3PbI3太陽能電池的專場論壇，來自英國牛津大學和劍橋大學、美國普林斯頓大學、耶魯大學以及哈弗大學等國際知名科學家匯聚一堂，展開了熱烈的討論。英國牛津大學的教授指出，由CN3NH3PbI3組裝的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率應該很快會超過薄膜太陽能電池的20%和單晶硅太陽能電池的25%，并預測該種太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率將可達到30%。

(北京工業(yè)大學材料學院李洪義博士

Email:lhy06@bjut.edu.cn)