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水凝胶中的温度驱动传质现象

2023-04-14

想象一种材料，遇热会膨胀、收缩，甚至“挤出”内部水分；当温度下降时，又会迅速吸水恢复。它看似安静地躺在你手上，却对外界环境变化极其敏感。这就是温敏型水凝胶（thermo-responsive hydrogel）。这种“能感温、会动弹”的湿材料，在药物释放、仿生驱动器、环境控制、组织工程中发挥着越来越重要的作用。它的核心机制，正是温度驱动的传质调控。一、水凝胶的“热情”来自哪儿？大多数温敏性水凝胶是基于聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）类高分子。这类聚合物具有一个特别的温度点：凝胶吸水膨胀，呈现“柔软湿润”状态。当温度高于 LCST时：这个可逆相变过程，就是水凝胶中温度驱动的水分传质过程的核心。二、水是怎么“被赶出去”的？水凝胶中水的迁移，并不是瞬间发生的，它包含两个阶段：这个过程不仅是简单的扩散，更受到凝胶本身力学性质、网络密度、水合能量的影响。三、几种典型的温度驱动传质场景 1. 可控药物释放在某一温度下，水凝胶网络收缩，把药物“推出”网络之外，实现控温释放。如：发烧时释放退烧药，正常体温下无释放；应用于癌症肿瘤部位的局部高温触发化疗释放。 2. 生物信号响应模拟人体局部发热的温度波动，调控水凝胶中载体分子、离子或酶的扩散行为。用于智能可穿戴设备中对发热/炎症响应；制造热敏感组织支架材料。 3. 环境调湿膜/驱动器件水凝胶在温度升高时排水 → 收缩变形；降温时吸水 → 膨胀复原。这个体积变化可用于：光热驱动仿生肌肉；水汽调节阀门；自动化毛细供水系统。四、传质过程的影响因素有哪些？五、温度驱动传质+热导耦合：真正的“热质智能材料” 在水凝胶系统中，温度不仅驱动水分迁移，还改变热导率本身。例如：这种热-质互调效应使水凝胶成为开发下一代热开关、智能隔热材料、温控传输系统的关键基础。

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气凝胶是什么材料

2022-02-22

气凝胶是一种由多孔材料制成的超轻质纳米多孔材料，其主要成分通常是二氧化硅（SiO₂），但也可以由其他氧化物或有机材料组成。它最初是在20世纪40年代由美国科学家卡罗尔·艾特尔斯发明的。气凝胶的结构和性质应用领域未来发展随着技术进步，气凝胶在透明化、高强度、柔性等方面的研究逐渐深入，其未来有望在更多高科技领域发挥重要作用。z z

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气凝胶助力工业领域绝热节能

2022-01-21

因原料经济易得、产品安全稳定、绝热性能优异，可以完美解决传统工业用无机纤维绝热材料等问题，二氧化硅气凝胶被业内评为“改变世界的神奇材料”。气凝胶具有极高的孔隙率、极低的密度、极低的声传播速度、极低的介电常数、极高的比表面积等优异性能，被期许为“改变世界的神奇材料”，在热学、光学、声学、微电子、催化、航空航天、节能建筑等领域具有十分广阔的应用前景。 2021年9月22日，《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中提出，要加强绿色低碳重大科技攻关和推广应用，其中重点提出要推动气凝胶等新型材料研发应用。10月26日，国务院发布的《2030年前碳达峰行动方案》中提出，工业领域的碳达峰行动要推动建材行业碳达峰，其中特别提出要加强新型胶凝材料的产品研发应用。 “连续两个重磅文件，将对建材行业的发展产生深刻影响。”中国绝热节能材料协会气凝胶分会副秘书长毕鉴挺说，“优质高效的工业领域绝热，气凝胶纳米材料的应用前景广阔。” 气凝胶材料是通过溶胶—凝胶法制备的一种新型材料，因制备使用原料溶胶微观单体的直径为5纳米左右，通过凝胶和干燥后制备的产品的平均孔径在50纳米至60纳米之间，所以气凝胶被公认为一种纳米材料。二氧化硅气凝胶因原料经济易得、产品安全稳定、绝热性能优异，可以完美解决传统工业用无机纤维绝热材料“吸水下垂寿命短、频繁维护费用高、保温层下腐蚀重、保温厚重能耗高”等问题，在高质量发展和“双碳”目标大力倡导节能的当下，气凝胶绝热节能一定能发挥巨大的作用。实施绝热节能，仅了解行业的整体能耗还不够，还要明确能耗损失的具体部位和数量，特别需要区分开哪些是“能”、哪些是“耗”。中国绝热节能材料协会常务副会长兼秘书长韩继先提到，“能”是生产运行中起关键作用的那部分能量，不对生产工艺机理做大的改变就很难降低；“耗”是消费能量过程中没有起作用而损失掉的部分，是必须想办法降低的。在对众多工业高温行业调研的结果是，高温管道和设备的散热损耗大得惊人。首先，高温管道的体量绝对够大，冶金、化工、热电行业热源到用热部位的输热管道距离一般都不少于3公里。其次，高温管道散热损失率也很高，设计经验都按每100米散热损失3%考虑加量补偿；每公里热损耗占热源厂输出总量的26%。生产过程中的所有能源消耗（热能和电能）都与热能的管道输送相关，这个过程的热耗要格外重视。气凝胶材料应用于150℃以上高温管道和设备的绝热节能是最合适的。毕鉴挺介绍说，单位长度的管道达到同样的热阻抗值（保温效果），气凝胶的厚度仅为传统材料的1/3至1/4,减少管道的散热面积就有35%以上，加上保温层蓄热等其他的因素，气凝胶替换传统绝热材料能减少40%至50%的管道散热损失。以最常见的蒸汽输送工况为例，管径φ325的管道以1.6MPa的压力输送300℃的蒸汽，使用硅酸铝纤维毡需要150mm厚度，而使用气凝胶绝热毡仅需要40mm，轻松减少35%以上的管道散热面积；温度和管径更大气凝胶“瘦身”节能的效果更明显，在某两台100万千瓦大型燃煤发电厂的管径φ720再热蒸汽管道内输送630℃的超临界蒸汽，管道保温原来使用600mm硅酸铝纤维毡，而使用气凝胶绝热毡仅需要130mm，减少50%的管道散热面积。保守预估，在钢铁冶金、化工能源、发电供热、高温建材等高温行业的高温工段的输热管道全面使用气凝胶绝热节能材料，可降低至少6%至7%的工业能耗，约占整个国民能耗总量的3%至4%。而在建筑领域，从目前看使用气凝胶材料的必要性还不是很大。随着建筑的节能要求越来越高，墙体保温层厚度用传统材料要150mm至200mm厚，传统材料的设计厚度和重量出现没法安装、很难实现的情况，也会迫使建设方选择新型的气凝胶材料。同时，当土地的价格达到足够高，超厚的建筑保温层影响了建筑的容积率、得房率，影响了开放商和业主住户的直接经济利益时，也许才会考虑气凝胶的综合效益，气凝胶在建筑墙体保温的大量使用才有可能性。

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化学键的原子物理学本质是什么？｜从量子力学揭示分子结构的奥秘！

2021-11-09

在化学的世界里，化学键就像是构建大厦的基石，紧紧连接著原子，决定了物质的化学性质与物理特性。想像一下，一个微小的水分子如何通过氢键与另一个水分子相互吸引，形成一滴水的奇妙结构；又或者，复杂的蛋白质分子如何通过多种化学键保持其独特的三维结构！这些微观层面的相互作用，构成了我们所熟悉的宏观世界。 1、化学键的定义与类型化学键是原子之间的相互作用，分为共价键、离子键和金属键三大类型： 2、原子间的相互作用化学键的形成和破裂与多种相互作用力有关，包括： 3、量子力学与化学键的奥秘量子力学让我们从微观层面理解化学键： 4、化学键在材料科学中的应用化学键的理解推动了材料科学的进步： 5、化学键与生物分子化学键在生物分子中扮演关键角色： 6、未来研究方向

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2030年前碳达峰行动方案

2021-10-24

为深入贯彻落实党中央、国务院关于碳达峰、碳中和的重大战略决策，扎实推进碳达峰行动，制定本方案。一、总体要求（一）指导思想。以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，全面贯彻党的十九大和十九届二中、三中、四中、五中全会精神，深入贯彻习近平生态文明思想，立足新发展阶段，完整、准确、全面贯彻新发展理念，构建新发展格局，坚持系统观念，处理好发展和减排、整体和局部、短期和中长期的关系，统筹稳增长和调结构，把碳达峰、碳中和纳入经济社会发展全局，坚持“全国统筹、节约优先、双轮驱动、内外畅通、防范风险”的总方针，有力有序有效做好碳达峰工作，明确各地区、各领域、各行业目标任务，加快实现生产生活方式绿色变革，推动经济社会发展建立在资源高效利用和绿色低碳发展的基础之上，确保如期实现2030年前碳达峰目标。（二）工作原则。二、主要目标 “十四五”期间，产业结构和能源结构调整优化取得明显进展，重点行业能源利用效率大幅提升，煤炭消费增长得到严格控制，新型电力系统加快构建，绿色低碳技术研发和推广应用取得新进展，绿色生产生活方式得到普遍推行，有利于绿色低碳循环发展的政策体系进一步完善。到2025年，非化石能源消费比重达到20%左右，单位国内生产总值能源消耗比2020年下降13.5%，单位国内生产总值二氧化碳排放比2020年下降18%，为实现碳达峰奠定坚实基础。 “十五五”期间，产业结构调整取得重大进展，清洁低碳安全高效的能源体系初步建立，重点领域低碳发展模式基本形成，重点耗能行业能源利用效率达到国际先进水平，非化石能源消费比重进一步提高，煤炭消费逐步减少，绿色低碳技术取得关键突破，绿色生活方式成为公众自觉选择，绿色低碳循环发展政策体系基本健全。到2030年，非化石能源消费比重达到25%左右，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降65%以上，顺利实现2030年前碳达峰目标。三、重点任务将碳达峰贯穿于经济社会发展全过程和各方面，重点实施能源绿色低碳转型行动、节能降碳增效行动、工业领域碳达峰行动、城乡建设碳达峰行动、交通运输绿色低碳行动、循环经济助力降碳行动、绿色低碳科技创新行动、碳汇能力巩固提升行动、绿色低碳全民行动、各地区梯次有序碳达峰行动等“碳达峰十大行动”。（一）能源绿色低碳转型行动。能源是经济社会发展的重要物质基础，也是碳排放的最主要来源。要坚持安全降碳，在保障能源安全的前提下，大力实施可再生能源替代，加快构建清洁低碳安全高效的能源体系。（二）节能降碳增效行动。落实节约优先方针，完善能源消费强度和总量双控制度，严格控制能耗强度，合理控制能源消费总量，推动能源消费革命，建设能源节约型社会。（三）工业领域碳达峰行动。工业是产生碳排放的主要领域之一，对全国整体实现碳达峰具有重要影响。工业领域要加快绿色低碳转型和高质量发展，力争率先实现碳达峰。（四）城乡建设碳达峰行动。加快推进城乡建设绿色低碳发展，城市更新和乡村振兴都要落实绿色低碳要求。（五）交通运输绿色低碳行动。加快形成绿色低碳运输方式，确保交通运输领域碳排放增长保持在合理区间。（六）循环经济助力降碳行动。抓住资源利用这个源头，大力发展循环经济，全面提高资源利用效率，充分发挥减少资源消耗和降碳的协同作用。（七）绿色低碳科技创新行动。发挥科技创新的支撑引领作用，完善科技创新体制机制，强化创新能力，加快绿色低碳科技革命。（八）碳汇能力巩固提升行动。坚持系统观念，推进山水林田湖草沙一体化保护和修复，提高生态系统质量和稳定性，提升生态系统碳汇增量。（九）绿色低碳全民行动。增强全民节约意识、环保意识、生态意识，倡导简约适度、绿色低碳、文明健康的生活方式，把绿色理念转化为全体人民的自觉行动。（十）各地区梯次有序碳达峰行动。各地区要准确把握自身发展定位，结合本地区经济社会发展实际和资源环境禀赋，坚持分类施策、因地制宜、上下联动，梯次有序推进碳达峰。四、国际合作五、政策保障六、组织实施文章来源：https://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-10/26/content_5644984.htm

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永清集团聘任中南大学副校长周科朝为专家顾问

2021-06-16

6月15日，永清集团举行聘任仪式，聘请中南大学副校长周科朝为永清环境科技产业集团“专家顾问”，为永清的高难度工业废水、环保新材料科技创新提供新动力。据了解，周科朝为中南大学粉末冶金国家重点实验室主任，国家有突出贡献的中青年专家，教育部跨世纪优秀人才。作为材料领域知名专家，其团队在新材料领域取得了丰硕的研发成果。周科朝表示：“永清集团与中南大学正相向而行，迎面而跑。永清集团是一个非常有执行力和创新精神的企业，永清集团董事长刘正军也一直把创新置于战略高度；中南大学是培养人才的摇篮，在培养人才的过程中去做成果转化，为企业服务。” “目前永清水务聚焦动力电池、新能源汽车、电子信息等细分领域工业高难度废水处理，并屡创佳绩。永清的研发与周科朝教授的团队有高度的共识和契合点。”永清集团董事长刘正军表示，未来永清也将继续秉承“成本最低、技术最优、效率最高、服务最好”的理念，全力支持团队的科研工作，为项目落地，为合作共赢提供强有力的支持，最终实现“为客户、员工、股东创造价值”。刘正军陪同周科朝与团队参观了永清环保实验室、永清制造公司，并与永清水务研究院院长赵广英博士、永清环保副总工程师刘代欢就“高危工业废水”“环保新材料”等话题进行充分交流。

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中国科大研制超弹性硬碳气凝胶

2019-05-20

碳材料可按碳原子杂化轨道的不同大致可分为石墨碳、软碳和硬碳。软碳和硬碳主要用于描述聚合物热解制备的碳材料，在热解过程中，一些碳原子重构成二维芳族石墨烯片，如果这些石墨烯片大致平行，在高温下则容易石墨化，这种碳被称为软碳；如果这些石墨烯片随机堆叠并通过边缘碳原子交联，高温下不能石墨化，这种碳则称为硬碳。通常来说，石墨碳和软碳具有高弹性，容易变形，但是强度较低；由于大量sp3-C引起的硬碳微观上乱层“纸牌屋”结构的存在，硬碳材料在机械强度和结构稳定性方面展现出极大的优势，但是本征性质较脆且易碎。如何将硬碳材料制备成超弹性块材是目前面临的一个挑战。最近，中国科学技术大学俞书宏教授领导的课题组受自然界蜘蛛网同时具有高强度和弹性的启发，巧妙通过模板法构筑纳米纤维网络结构，制备了一系列具有纳米纤维网络结构的硬碳气凝胶。该系列气凝胶具有超弹性、抗疲劳以及稳定性好等优点。研究论文以“Superelastic hard carbon nanofiber aerogels”为题近期发表在《先进材料》上（Advanced Materials 2019, 1900651），并被选为被封底论文。论文的共同第一作者为我校博士后于志龙和博士生秦冰。图1. 硬碳气凝胶的制备。（a）示意图，表明通过使用纳米线作为模板的通用合成方法；（b）以BCNF@RF为例，宏量合成RF纳米纤维水凝胶；（c）硬碳气凝胶SEM图像；（d）显示纳米纤维网状结构和纤维-纤维的焊接点。研究人员通过使用间苯二酚-甲醛（RF）树脂作为硬碳源，以多种一维纳米纤维作为结构模板制备RF的纳米纤维气凝胶，通过高温碳化即可得到超弹性硬碳气凝胶。这种硬碳气凝胶微观结构精细，由大量的纳米纤维和纳米纤维之间的焊接点构成（图1）。这种方法简单高效，容易放大生产，通过调节模板与树脂单体的添加量，可简便地调控纳米纤维的直径、气凝胶的密度、机械性能等。与传统硬而脆的硬碳块材不同，这种硬碳气凝胶表现出优异的弹性性能（图2），主要包括：结构稳定性（在压缩50%之后，微观结构依然能恢复）；高回弹速度（860 mm s-1），高于众多石墨碳基的弹性材料；低能量损耗系数（<0 .16），一般石墨及软碳材料内部存在的分子间作用力，会造成粘附力和摩擦力从而耗散很多能量；抗疲劳性，在50%应变下测试104个循环后，碳气凝胶仅显示2%的塑性变形，并保持93%的初始应力。研究人员还探索了这种硬碳气凝胶在弹性导体方面的应用，在50%的应变下多次压缩循环后，电阻几乎不变，展示出稳定的机械-电学性能，同时可以在苛刻的条件下（例如在液氮中）保持超弹性及电阻稳定性。图2.碳气凝胶的机械性能。（a）BCNF@C气凝胶的原位SEM；（b）不同材料能量损耗系数的对比；（c）不同材料回弹速度的对比；（d）碳气凝胶不同循环下的应力-应变曲线基于其优异的机械性能，这种硬碳气凝胶有望在应用于具有高稳定性、大量程（50 KPa）、可拉伸或可弯曲的应力传感器。此外，这种方法可扩展到制备其他非碳基复合纳米纤维气凝胶，为今后提供了一种通过设计纳米纤维的微观结构将刚性材料转变成弹性或柔性材料的新途径。该项研究受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、苏州纳米科技协同创新中心等的资助。

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周科朝：培养创新型人才把握好3个环节

2013-08-23

自主创新，创新型人才培养是关键。那么，该如何培养创新型人才？高等院校在创新型人才培养中应怎样发挥作用？8月21日，中南大学副校长周科朝接受了记者的专访。周科朝说，中南大学对此进行了积极的努力，实施了3大措施。培养创新型教师。2012年起，中南大学规定，副教授以上的人员才能上讲台。他们推出“2+3+3”模式，即博士毕业后，先做两年博士后，再开展3年研究。如果评上了副教授，就可以上讲台了。如果评不上，再延长3年搞研究。3年之后，还评不上副教授，要么离开学校，要么转换岗位。实施卓越工程师培养计划。2009年，中南大学第一个创新型高级工程人才试验班开班。该校与中国铝业等19家企业签订设立培养基地协议，校企携手联合培养试验班学生。试验班采取“4+1+1 ”模式，即前4年为本科生培养阶段，第5年为工程实践阶段，第6年为工程硕士生培养阶段。试验班实行产学结合的培养形式，即课堂教学和工程实践相结合。学习期间，学生不少于两个学期到国内大中型企业顶岗或挂职，担任车间主任、总工助理等职，接受工程实践训练。试验班实行适应个性化发展的选课制，部分课程的教学聘请企业专家主讲，外聘教师授课量达到30%以上。实践教学和毕业设计实行由学校导师和企业导师共同指导的“双导师制”。工程试验班实行弹性学制，允许提前或推迟毕业，也可先就业后完成学业。实施各种激励措施。中南大学设立了学生创新创业基金。“学生有好的想法，并获得导师组的认可，学校给予基金支持。”教师同样。为了鼓励申请专利，促进成果转化，学校规定，一旦专利转让成功，除中介费以外，收益部分按照“课题组50%，学校30%，学院20%”的比例分成。三大措施获得了回报。近几年，中南大学每年都有500个左右的专利申请成功，100多个的专利成果得到转化。回顾历程，周科朝认为，培养创新型人才，一定要把握好3个环节。一，要营造良好的创新氛围。要有包容的态度，要鼓励大胆尝试，允许失败。二，创新一定要立足国计民生，要有实用价值。三，创新型人才应当包含不同层次、不同类型的创新型人才。培养创新型人才不应该只在名校，任何大学都应当找准自身定位，培养符合自身特点的创新型人才。

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