中国科学院理化技术研究所“一三五”规划季度进展报告（2019年第二季度）

中国科学院理化技术研究所“一三五”规划 季度进展报告 2019年第二季度 突破一先进激光技术的创新与应用 突破二液氮温区KJ制冷技术创新及其应用 突破三大型低温制冷系统技术研发及工程应用 1115 突破四仿生智能超浸润界面材料体系构筑与调控 培育一光化学转换与光化学合成 15 培育二环境友好材料与绿色生产工艺 培育三激光显示及产业化 培育四分散能源气体液化分离技术与应用 29 培育五液态金属材料前沿技术 40

中国科学院理化技术研究所“一三五”规划 季度进展报告 2019 年第二季度 突破一 先进激光技术的创新与应用 ....................................................1 突破二 液氮温区 KJ 制冷技术创新及其应用......................................1 突破三 大型低温制冷系统技术研发及工程应用 ................................1 突破四 仿生智能超浸润界面材料体系构筑与调控............................5 培育一 光化学转换与光化学合成 ......................................................15 培育二 环境友好材料与绿色生产工艺 ..............................................19 培育三 激光显示及产业化 ..................................................................26 培育四 分散能源气体液化分离技术与应用 ......................................29 培育五 液态金属材料前沿技术 ..........................................................40

突破一先进激光技术的创新与应用 概述:本方向本季度在研项目38项;招聘光学博士2名,招 聘光学和机械设计专业劳务派遣人员5名;召开调度会议12次;改 造中关村园区科研场所400平米。 (一)本方向本季度重要进展 本季度在大功率固体激光及系统和变频固体激光等方面取得重 要进展。(略) (二)下一步工作计划 下一步将继续在大功率固体激光和变频固体激光等方面开展相 关工作。(略) 突破二液氮温区KJ制冷技术创新及其应用 概述:本方向本季度在研项目9项;设置赵密广为中心副主 任;招聘测试劳务派遣人员2名;共召开18次调度会议。 (-)本方向本季度重要进展 本季度在型号用制冷机、小型制冷机和制冷机平台建设等方面 取得重要进展。(略) (二)下一步工作计划 下一步将继续在型号用制冷机、小型制冷机和制冷机平合建设 等方面开展相关工作。(略) 突破三大型低温制冷系统技术研发及工程应用 概述:本方向本季度在研项目1项,即“液氦到超流氦温区大型

1 突破一 先进激光技术的创新与应用 概述：本方向本季度在研项目 38 项；招聘光学博士 2 名，招 聘光学和机械设计专业劳务派遣人员 5 名；召开调度会议 12 次；改 造中关村园区科研场所 400 平米。 （一）本方向本季度重要进展 本季度在大功率固体激光及系统和变频固体激光等方面取得重 要进展。（略） （二）下一步工作计划 下一步将继续在大功率固体激光和变频固体激光等方面开展相 关工作。（略） 突破二 液氮温区 KJ 制冷技术创新及其应用 概述：本方向本季度在研项目 9 项；设置赵密广为中心副主 任；招聘测试劳务派遣人员 2 名；共召开 18 次调度会议。 （一）本方向本季度重要进展 本季度在型号用制冷机、小型制冷机和制冷机平台建设等方面 取得重要进展。（略） （二）下一步工作计划 下一步将继续在型号用制冷机、小型制冷机和制冷机平台建设 等方面开展相关工作。（略） 突破三 大型低温制冷系统技术研发及工程应用 概述：本方向本季度在研项目 1 项，即“液氦到超流氦温区大型

低温制冷系统研制”项目,是中国科学院国家重大科研装备研制专项 计划实施的项目之一,分为6个子方向。 (一)本方向本季度重要进展 1.透平膨胀机方向:完成了2500W六个透平膨胀机机芯的组 装及厂内调试工作,完成了2500W轴承气、透平气过滤器的验收及 组装工作,完成了2500W制动端的验收及组装工作,完成了2500W 六个透平膨胀机厂内测试并具备出厂及安装条件,完成了2500W所 有透平在冷箱上的安装工作并完成了常温升速实验。完成了1000W 氦透平制动端的验收工作,完成了1000W轴承气、透平气的过滤器 的验收工作。完成了新2500W透平的叶轮三维设计工作及机芯部件 的初步设计。完成了富海400W和500W四个膨胀机的一维设计及 机芯部件设计工作。 冷压缩机方向:共进行了5次冷压缩机第一轮样机在性能测 试平台上的实验,对实验数据特别是漏热数据进行了分析讨论,在 此基础上,完成冷压缩机正样设计、优化,正在加工,预计7月验 收 3.冷箱方向:开展500W@2K冷箱现场集成,开展1000W冷 箱现场集成,完成新2500W冷箱集成现场准备工作。 4.集成与调试方向:2500W@45K/500W@2K制冷机:实现整 机系统总装,完成各个焊口进行探伤和打压特检工作,完成特检所 的压力管道渗透检测和压力管道使用证的材料上报工作,等待廊坊 特检所办结出证;完成制冷机系统的检漏和置气工作;完成所有压

2 低温制冷系统研制”项目，是中国科学院国家重大科研装备研制专项 计划实施的项目之一，分为 6 个子方向。 （一）本方向本季度重要进展 1. 透平膨胀机方向：完成了 2500W 六个透平膨胀机机芯的组 装及厂内调试工作，完成了 2500W 轴承气、透平气过滤器的验收及 组装工作，完成了 2500W 制动端的验收及组装工作，完成了 2500W 六个透平膨胀机厂内测试并具备出厂及安装条件，完成了 2500W 所 有透平在冷箱上的安装工作并完成了常温升速实验。完成了 1000W 氦透平制动端的验收工作，完成了 1000W 轴承气、透平气的过滤器 的验收工作。完成了新 2500W 透平的叶轮三维设计工作及机芯部件 的初步设计。完成了富海 400W 和 500W 四个膨胀机的一维设计及 机芯部件设计工作。 2. 冷压缩机方向：共进行了 5 次冷压缩机第一轮样机在性能测 试平台上的实验，对实验数据特别是漏热数据进行了分析讨论，在 此基础上，完成冷压缩机正样设计、优化，正在加工，预计 7 月验 收。 3. 冷箱方向：开展 500 W@2K 冷箱现场集成，开展 1000W 冷 箱现场集成，完成新 2500W 冷箱集成现场准备工作。 4. 集成与调试方向： 2500W@4.5K/500W@2K 制冷机：实现整 机系统总装，完成各个焊口进行探伤和打压特检工作，完成特检所 的压力管道渗透检测和压力管道使用证的材料上报工作，等待廊坊 特检所办结出证；完成制冷机系统的检漏和置气工作；完成所有压

力传感器、安全阀、流量计等的检定,确保在一年有效期内;高压 压缩机运抵廊坊至2019年6月30日,已运行累计时长154小时; 实现压缩机组数据、冷箱真空度、冷水机组数据、气体纯度等的远 程传输和存储;实现冷水机组和压缩机组的远程开启和停机;整机 调试从2019年5月28日开始,完成压缩机小循环,实现压缩机小 循环6个气动阀门PID参数整定,压缩机组性能测试(除高压大于 155bara以上),完成制冷机系统气体纯化,使水、氮、碳水化合物 总含量小于5ppm,油含量小于lppb;依次解决高压压缩机平稳运 行中的四次停机故障,完成压缩机组72小时测试;完成系统冷箱中 循环,透平常温在线测试、气动调节阀PID参数整定、实现气体纯 化模式和快速降温模式。 多透平与换热器组耦合调控平台(即新2500Wa45K制冷 机):结合兰州近物所的实际用户条件,完成向兰州近物所提供 HFRS初步设计报告以及三维布局设计方案 1000V@45K制冷机:与中科富海中山基地确认并完成在中山 基地的布局方案和调试计划。 5.压机寄滤油方向:负压压缩机及配套的滤油器按计划进行 豪顿压缩机和冰轮压缩机发货至指定地点。配合集成方向完成 2500W压缩机的连续运行考核。 6.流程设计方向:完成2500W@45K制冷机冷箱部分桥架的搭 建和布线工作,编写了模拟负载加热电源的PLC控制程序和冷水机 与PLC控制系统的远程通讯程序

3 力传感器、安全阀、流量计等的检定，确保在一年有效期内；高压 压缩机运抵廊坊至 2019 年 6 月 30 日，已运行累计时长 154 小时； 实现压缩机组数据、冷箱真空度、冷水机组数据、气体纯度等的远 程传输和存储；实现冷水机组和压缩机组的远程开启和停机；整机 调试从 2019 年 5 月 28 日开始，完成压缩机小循环，实现压缩机小 循环 6 个气动阀门 PID 参数整定，压缩机组性能测试（除高压大于 15.5bara 以上），完成制冷机系统气体纯化，使水、氮、碳水化合物 总含量小于 5ppm，油含量小于 1ppb；依次解决高压压缩机平稳运 行中的四次停机故障，完成压缩机组 72 小时测试；完成系统冷箱中 循环，透平常温在线测试、气动调节阀 PID 参数整定、实现气体纯 化模式和快速降温模式。 多透平与换热器组耦合调控平台（即新 2500W@4.5K 制冷 机）：结合兰州近物所的实际用户条件，完成向兰州近物所提供 HFRS 初步设计报告以及三维布局设计方案。 1000W@4.5K 制冷机：与中科富海中山基地确认并完成在中山 基地的布局方案和调试计划。 5. 压机寄滤油方向：负压压缩机及配套的滤油器按计划进行； 豪顿压缩机和冰轮压缩机发货至指定地点。配合集成方向完成 2500W 压缩机的连续运行考核。 6. 流程设计方向：完成 2500W@4.5K 制冷机冷箱部分桥架的搭 建和布线工作，编写了模拟负载加热电源的 PLC 控制程序和冷水机 与 PLC 控制系统的远程通讯程序

(二)下一步工作计划 1.透平膨胀机方向:依据整体进度安排,继续完成2500W氦制 冷机透平膨胀机的低温测试,开展2500W制冷机的透平调试工作; 完成1000W氦透平膨胀机机芯的组装及厂内调试工作,并完成出厂 前的全部测试,根据冷箱集成整体进度,完成膨胀机的冷箱安装工作。 按合同进度要求继续推进富海400W和500W四个膨胀机的研制工 作 2.冷压缩机方向:完成自主研制的冷压缩机正样在性能测试平 台上的集成组装和调试,获得了项目任务书要求的性能指标。冷压缩 机样机、正样及测试平台搬运回廊坊中试基地,和2500W@45K系 统集成组装并进行相应的性能实验。 3.冷箱方向:完成500W@2K冷箱现场集成,开展新2500W和 新250W现场集成工作,完成1000W冷箱现场集成 4.集成与调试方向:2500W@45K500W@2K制冷机:开展制冷 大循环调试实验:完成气体纯化模式和杜瓦快速降温模式,完成气动 调节阀PID参数整定,完成液化模式和制冷模式,评估得到 25kW@4.5K制冷能力。完成500W@2K系统的组装总成,检漏、打 压和置气工作,并开展500W@2K系统的调试工作。 多透平与换热器组耦合调控平台(即新2500W@45K制冷机) 完成兰州近物所的招标工作,完成向兰州近物所提供工程设计报告, 并进行专家评审 1000Wa4K制冷机:在中山基地开展制冷机的现场布局设计

4 （二）下一步工作计划 1. 透平膨胀机方向：依据整体进度安排，继续完成 2500W 氦制 冷机透平膨胀机的低温测试，开展 2500W 制冷机的透平调试工作； 完成 1000W 氦透平膨胀机机芯的组装及厂内调试工作，并完成出厂 前的全部测试，根据冷箱集成整体进度，完成膨胀机的冷箱安装工作。 按合同进度要求继续推进富海 400W 和 500W 四个膨胀机的研制工 作。 2. 冷压缩机方向：完成自主研制的冷压缩机正样在性能测试平 台上的集成组装和调试，获得了项目任务书要求的性能指标。冷压缩 机样机、正样及测试平台搬运回廊坊中试基地，和 2500W@4.5K 系 统集成组装并进行相应的性能实验。 3. 冷箱方向：完成 500 W @2K 冷箱现场集成，开展新 2500W 和 新 250W 现场集成工作，完成 1000W 冷箱现场集成 4. 集成与调试方向：2500W@4.5K/500W@2K 制冷机：开展制冷 大循环调试实验：完成气体纯化模式和杜瓦快速降温模式，完成气动 调节阀 PID 参数整定，完成液化模式和制冷模式，评估得到 2.5kW@4.5K 制冷能力。完成 500W@2K 系统的组装总成，检漏、打 压和置气工作，并开展 500W@2K 系统的调试工作。 多透平与换热器组耦合调控平台（即新 2500W@4.5K 制冷机）： 完成兰州近物所的招标工作，完成向兰州近物所提供工程设计报告， 并进行专家评审。 1000W@4.5K 制冷机：在中山基地开展制冷机的现场布局设计

完成现场常温管道连接和100@45K制冷机的组装总成。 5.压机寄濾油方向:压机滤油方向第三季度计划:完成负压压缩 机及配套的滤油器;根据集成进度,配合新250W平台、10000平台 和新2500W平台进行压缩机滤油方向的工作 6.流程设计方向:开展2500W@45K制冷机控制系统现场调试, 实现了透平膨胀机的PID自动控制,配合整机系统完成多次现场试 验,证明控制系统完全能够满足2500W制冷机实验及调试要求。 突破四仿生智能超浸润界面材料体系构筑与调控 概述:本方向本季度在研项目50项,其中新增0项。在仿生超 浸润界面材料、仿生纳米孔道,超浸润有机图案化材料与器件、仿生 粘附界面材料、仿生微纳米结构的构筑和加工等方面展开了系统深入 的研究,取得了一系列研究成果,发表SCI论文26篇,包括Chem Soc.Rev.1篇,Nat. Commu.2篇,J.Am.Chem.Soc.1篇,PNAS 篇,Adv. Mater.2篇,Adv. Funct. Mater.2篇, ACS Nano2篇。 (一)本方向本季度重要进展 仿生超漫润界面材料 (1)液体的虹吸效应其本质是利用液面的高度差,通过一个 形的管道,将液体从开口高的一端转移到开口低的一端。在明朝时 期,我国利用虹吸效应发明了一种瓷制酒杯。此杯内部有一条水位 线,当杯内液体低于水位线时,这是一个正常的容器;高于水位线 时,杯内的液体会通过虹吸效应从杯底漏光。如今,虹吸效应已经 广泛应用于人们的生活,如我们日常使用的意式咖啡壶、洗手池 马桶等。尤其是在利用虹吸效应给鱼缸换水时,我们通常需要先在

5 完成现场常温管道连接和 1000W@4.5K 制冷机的组装总成。 5. 压机寄滤油方向：压机滤油方向第三季度计划：完成负压压缩 机及配套的滤油器；根据集成进度，配合新 250W 平台、1000W 平台 和新 2500W 平台进行压缩机滤油方向的工作。 6. 流程设计方向：开展 2500W@4.5K 制冷机控制系统现场调试， 实现了透平膨胀机的 PID 自动控制，配合整机系统完成多次现场试 验，证明控制系统完全能够满足 2500W 制冷机实验及调试要求。 突破四 仿生智能超浸润界面材料体系构筑与调控 概述：本方向本季度在研项目 50 项，其中新增 0 项。在仿生超 浸润界面材料、仿生纳米孔道，超浸润有机图案化材料与器件、仿生 粘附界面材料、仿生微纳米结构的构筑和加工等方面展开了系统深入 的研究，取得了一系列研究成果，发表 SCI 论文 26 篇，包括 Chem. Soc. Rev. 1 篇，Nat. Commum. 2 篇，J. Am. Chem. Soc. 1 篇，PNAS 1 篇， Adv. Mater. 2 篇，Adv. Funct. Mater. 2 篇，ACS Nano 2 篇。 （一）本方向本季度重要进展 1．仿生超浸润界面材料 （1）液体的虹吸效应其本质是利用液面的高度差，通过一个 η 形的管道，将液体从开口高的一端转移到开口低的一端。在明朝时 期，我国利用虹吸效应发明了一种瓷制酒杯。此杯内部有一条水位 线，当杯内液体低于水位线时，这是一个正常的容器；高于水位线 时，杯内的液体会通过虹吸效应从杯底漏光。如今，虹吸效应已经 广泛应用于人们的生活，如我们日常使用的意式咖啡壶、洗手池、 马桶等。尤其是在利用虹吸效应给鱼缸换水时，我们通常需要先在

管内加满水,再将其插入缸中;或者对着水管猛嘬一口来实现水的 填充。我们似乎已经对这些操作习以为常,但如果能实现自虹吸效 应,那么就能轻松解决很多管道流体输送的难题。而实现自虹吸效 应的关键在于增强液体在虹吸管中的毛细上升高度与毛细上升速 度。在之前的研究当中,我们制备了仿生猪笼草结构成功解决了水 的逆重力定向爬升难题。 在之后的研究中,我们惊喜地发现仿生猪笼草结构表面阵列化 的倾斜微坑上能够自发地牢牢束缚一层水膜。由于这层水膜的存在 降低了液体输运过程中的粘滞阻力,后续滴加的液体的输运速度可 以被提升两个数量级。根据这一特性,我们仿生制备了一种内壁具 有猪笼草结构的管道,用于大幅增强了水在管道内的毛细上升高度 与毛细上升速度,为液体的自虹吸效应打下了坚实的基础。这是因 为猪笼草管道内壁東缚的水膜不仅充当润滑层降低了毛细上升时的 粘滞阻力,而且在将管壁的浸润性由亲水转变为超亲水的同时还减 小了管道的内径。猪笼草管道的神奇之处不止于此。不同于公道杯 需要将杯具或管道预先充满水来触发虹吸效应。只需将仿生猪笼草 管道进一步弯曲成拐杖形,少量的水就能在增强的毛细上升作用下 自发充满整个弯曲的毛细管实现了液体的自虹吸效应。这种依靠内 壁结构增强的毛细上升实现的自虹吸效应无需外部能量输入便能对 液体进行长距离,高通量,跨重力势垒的连续输运。该研究将激励 新一代的流体装置的发展,并且在抽水灌溉、排水防涝、油箱换油 等方面具有重要的应用前景(PMAS,2019,ll6,12704)

6 管内加满水，再将其插入缸中；或者对着水管猛嘬一口来实现水的 填充。我们似乎已经对这些操作习以为常，但如果能实现自虹吸效 应，那么就能轻松解决很多管道流体输送的难题。而实现自虹吸效 应的关键在于增强液体在虹吸管中的毛细上升高度与毛细上升速 度。在之前的研究当中，我们制备了仿生猪笼草结构成功解决了水 的逆重力定向爬升难题。 在之后的研究中，我们惊喜地发现仿生猪笼草结构表面阵列化 的倾斜微坑上能够自发地牢牢束缚一层水膜。由于这层水膜的存在 降低了液体输运过程中的粘滞阻力，后续滴加的液体的输运速度可 以被提升两个数量级。根据这一特性，我们仿生制备了一种内壁具 有猪笼草结构的管道，用于大幅增强了水在管道内的毛细上升高度 与毛细上升速度，为液体的自虹吸效应打下了坚实的基础。这是因 为猪笼草管道内壁束缚的水膜不仅充当润滑层降低了毛细上升时的 粘滞阻力，而且在将管壁的浸润性由亲水转变为超亲水的同时还减 小了管道的内径。猪笼草管道的神奇之处不止于此。不同于公道杯 需要将杯具或管道预先充满水来触发虹吸效应。只需将仿生猪笼草 管道进一步弯曲成拐杖形，少量的水就能在增强的毛细上升作用下 自发充满整个弯曲的毛细管实现了液体的自虹吸效应。这种依靠内 壁结构增强的毛细上升实现的自虹吸效应无需外部能量输入便能对 液体进行长距离，高通量，跨重力势垒的连续输运。该研究将激励 新一代的流体装置的发展，并且在抽水灌溉、排水防涝、油箱换油 等方面具有重要的应用前景（PNAS, 2019, 116, 12704）

A 9 mL 团管请 90s 44.7s 804s B 皿 MH≤H 结构朝上 猪笼草管道 2.0s 4.5s 24.5s 526s 图1(A)光滑圆管触发的虹吸效应(B)仿生猪笼草管道触发的自虹 吸效应 (2)传统的 Hodgkin- Huxley模型认为,神经信号传输是通过动 作电位沿着神经元轴突进行传播,动作电位是由K+Na在Na/K泵的 离子扩散产生的,而其余大部分Na/K泵是静止的。这种离子流体是 熵驱动的无序流体,离子扩散过程需要消耗大量能量,类似于多米诺 骨牌效应,传播速度相对较慢(~1m/s),不适用于解释神经信号的超 快传输。 因此本工作以“ Quantum- confined ion superfluid in nerve signal transmission”为题在 Nano research发表文章,提出了基于量子限域离 子超流体(QISF)的神经信号传输过程,认为QSF是焓驱动的限域 有序流体,KNa同时在所有Na/K泵通道进行快速传输,离子传输 过程没有能量损耗,并产生沿着神经传输方向超快传播的钠钾离子密 度波,作为神经信号传输的信息媒介。QISF波和动作电位在传播过 程中不相干。同时发现K+和Na的德布罗意波长比直径小一个数量 级,但原则上离子的德布罗意波长应远大于离子直径,表明德布罗意 波长公式不适用于描述离子在生物通道中的量子效应。QISF过程的 提出,不仅为神经和大脑中超快信号传输的合理解释提供了新的视角 而且对离子、分子和粒子的物质波理论提出了挑战( Nano res,2019, 12,1219-1221)

7 图 1（A）光滑圆管触发的虹吸效应（B）仿生猪笼草管道触发的自虹 吸效应 （2）传统的 Hodgkin-Huxley 模型认为，神经信号传输是通过动 作电位沿着神经元轴突进行传播，动作电位是由 K+ /Na+在 Na/K 泵的 离子扩散产生的，而其余大部分 Na/K 泵是静止的。这种离子流体是 熵驱动的无序流体，离子扩散过程需要消耗大量能量，类似于多米诺 骨牌效应，传播速度相对较慢（~1 m/s），不适用于解释神经信号的超 快传输。 因此本工作以“Quantum-confined ion superfluid in nerve signal transmission”为题在 Nano Research 发表文章，提出了基于量子限域离 子超流体（QISF）的神经信号传输过程，认为 QISF 是焓驱动的限域 有序流体，K+ /Na+同时在所有 Na/K 泵通道进行快速传输，离子传输 过程没有能量损耗，并产生沿着神经传输方向超快传播的钠钾离子密 度波，作为神经信号传输的信息媒介。QISF 波和动作电位在传播过 程中不相干。同时发现 K+和 Na+的德布罗意波长比直径小一个数量 级，但原则上离子的德布罗意波长应远大于离子直径，表明德布罗意 波长公式不适用于描述离子在生物通道中的量子效应。QISF 过程的 提出，不仅为神经和大脑中超快信号传输的合理解释提供了新的视角， 而且对离子、分子和粒子的物质波理论提出了挑战（Nano Res., 2019, 12, 1219-1221）

Action potential Quantum-confined ion superfluid (QISF)wave 图2.神经信号传输中的钠钾高子密度波与动作电位 (3)随着微纳制造技术的高速发展,微纳材料的性质特点和应 用都得到了深入系统的研究。对于胶体颗粒而言,其拓扑学上的结构 特点在很大程度上决定了他的性能。单一结构的胶体颗粒在许多领域 中无法发挥出最佳效果,限制了其应用,而胶体颗粒的不对称修饰由 于结合了不同材料的胶体颗粒的优势,同时有赋予其各向异性的性质 极大的拓展了其应用范围,提高了使用性能。 结合当前各向异性颗粒制备及应用研究领域的特点和问题,我们 报道了在水-聚乙烯吡咯烷酮-戊醇体系中生长二氧化硅棒对胶体颗 粒进行表面修饰的方法。具体方法为:通过湿化学方法,利用立方体 α-Fe2O3胶体颗粒做种子,通过硅烷前驱体在其表面的不对称水解, 得到枝状的α-Fe2O3@SiO2复合材料。结果发现,二氧化硅棒状结构只 选择性的垂直生长在立方体的各个面心上,我们通过实验和理论分析 仔细探讨了其形成原因,提出了基于曲率选择的 spreading-dewetting 理论(如图2所示),并且采用了其他两种形状的胶体颗粒对这一理 论进行了验证。同时,通过控制水解条件,我们进一步的控制了二氧 化硅棒的生长数量,成功的得到了具有特定数量二氧化硅棒修饰的胶 体颗粒,这为胶体颗粒的更复杂多元化开启了一条新的道路。该研究 工作发表于 Scientific Reports2019,9,8591

8 图 2. 神经信号传输中的钠钾离子密度波与动作电位 （3）随着微纳制造技术的高速发展，微纳材料的性质特点和应 用都得到了深入系统的研究。对于胶体颗粒而言，其拓扑学上的结构 特点在很大程度上决定了他的性能。单一结构的胶体颗粒在许多领域 中无法发挥出最佳效果，限制了其应用，而胶体颗粒的不对称修饰由 于结合了不同材料的胶体颗粒的优势，同时有赋予其各向异性的性质， 极大的拓展了其应用范围，提高了使用性能。 结合当前各向异性颗粒制备及应用研究领域的特点和问题，我们 报道了在水-聚乙烯吡咯烷酮-戊醇体系中生长二氧化硅棒对胶体颗 粒进行表面修饰的方法。具体方法为：通过湿化学方法，利用立方体 -Fe2O3 胶体颗粒做种子，通过硅烷前驱体在其表面的不对称水解， 得到枝状的-Fe2O3@SiO2复合材料。结果发现，二氧化硅棒状结构只 选择性的垂直生长在立方体的各个面心上，我们通过实验和理论分析 仔细探讨了其形成原因，提出了基于曲率选择的 spreading-dewetting 理论（如图 2 所示），并且采用了其他两种形状的胶体颗粒对这一理 论进行了验证。同时，通过控制水解条件，我们进一步的控制了二氧 化硅棒的生长数量，成功的得到了具有特定数量二氧化硅棒修饰的胶 体颗粒，这为胶体颗粒的更复杂多元化开启了一条新的道路。该研究 工作发表于 Scientific Reports 2019, 9, 8591

TEOS TEOS 图3.二氧化硅棒表面修饰胶体颗粒机理图 2.仿生纳米孔道 (1)随着社会的发展,环境健康问题引起人们广泛的关注。生 活中的家具、纸张、化妆品、清洁剂等所散发出的甲醛对人体的健康 构成重大威胁。例如,甲醛可以强烈刺激人的眼睛和鼻子,损害中枢 神经系统,并通过影响DNA复制诱发癌症等。因此,对甲醛的高灵 敏检测也显得尤为重要。目前检测甲醛的方法存在仪器设备昂贵、样 品制备过程复杂、成本高及使用有机溶剂或浓酸等制约因素。所以, 开发一款简单、灵敏且经济有效的传感器以检测不同环境中的甲醛是 十分有价值的。在生命体中,生物通道对特定的离子或分子表现出非 常高的选择性。受此启发,基于机械性能好、尺寸形状可控的固态人 工纳米通道体系,通过在纳米通道内表面化学修饰乙二胺,制备了能 高灵敏检测甲醛的智能响应平台,并成功应用于细胞培养溶液中的甲 醛去除。这项工作为设计和开发具有特殊刺激响应的纳米通道材料提 供了思路,在纳流器件、生物传感以及分子过滤器等方面具有潜在的 应用价值。相关工作发表在先进功能材料杂志 Adv Funct. Mater:2019, 29.1807953

9 图 3. 二氧化硅棒表面修饰胶体颗粒机理图 2. 仿生纳米孔道 （1）随着社会的发展，环境健康问题引起人们广泛的关注。生 活中的家具、纸张、化妆品、清洁剂等所散发出的甲醛对人体的健康 构成重大威胁。例如，甲醛可以强烈刺激人的眼睛和鼻子，损害中枢 神经系统，并通过影响 DNA 复制诱发癌症等。因此，对甲醛的高灵 敏检测也显得尤为重要。目前检测甲醛的方法存在仪器设备昂贵、样 品制备过程复杂、成本高及使用有机溶剂或浓酸等制约因素。所以， 开发一款简单、灵敏且经济有效的传感器以检测不同环境中的甲醛是 十分有价值的。在生命体中，生物通道对特定的离子或分子表现出非 常高的选择性。受此启发，基于机械性能好、尺寸形状可控的固态人 工纳米通道体系，通过在纳米通道内表面化学修饰乙二胺，制备了能 高灵敏检测甲醛的智能响应平台，并成功应用于细胞培养溶液中的甲 醛去除。这项工作为设计和开发具有特殊刺激响应的纳米通道材料提 供了思路，在纳流器件、生物传感以及分子过滤器等方面具有潜在的 应用价值。相关工作发表在先进功能材料杂志 Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1807953