近日，上海交通大学、中山大学、苏州大学在Nature杂志发表了最新研究论文。
5月8日，上海交通大学机械与动力工程学院前瞻交叉研究中心钱小石教授课题组在Nature上发表“Self-oscillating polymeric refrigerator with high energy efficiency”的论文。研究人员结合弛豫铁电高分子材料在电场作用下的电致熵变（电卡效应）和电致伸缩效应，设计与制造了“自驱动”的高分子制冷薄膜系统。该系统无需外加驱动装置，而是优化了高分子制冷工质本身的机电耦合效率，设计了电-机械形变与电卡制冷效应协同驱动的方法，实现了轻量化、高能效比、高精度和智能化的制冷效果。钱小石教授为论文通讯作者，博士研究生韩东霖和硕士研究生张楹婧为共同第一作者。
巨电卡效应的电卡制冷技术因具有全固态、高能效、零温室效应潜能（GWP）及易于小型化、轻量化等理论优势，被国际能源署誉为制冷技术领域的颠覆性前瞻技术之一。在电卡制冷系统中，固态电卡材料（制冷工质）在电场的加载与卸载下实现间歇性的吸热与放热效果，并配合工质在空间位置的移动，实现与热源和热沉的交替接触，从而完成制冷循环。目前，绝大多数已报道的电卡制冷系统都依赖外置驱动设备（如机械泵、活塞、电机等），实现制冷工质的机械循环运动。这些设备往往需要分立的电源，体积、重量远大于实际系统中的电卡制冷工质。类似的设备一旦部署，如何体现电卡制冷技术在小型化、轻量化方面的优势始终是领域内的一项重要挑战。
此前，钱小石教授课题组在2021年发表的Nature论文中已证实，通过高分子链内分子修饰的手段，可以大幅提升弛豫铁电高分子材料在低电场下的熵变性能。这类材料被称为双键调控高分子（Double-bond Modified Polymer，DMP）。本文中，研究人员通过进一步优化各项单体比例，使得目标高分子兼具高“电致熵变”与高“电致伸缩应变”的性能。在66.7 MV/m的电场下，DMP表现出9 K的绝热温变和1.9%的面内应变。得益于显著提升的机-电-热耦合性能，DMP薄膜无需额外的机械驱动力输入，在电场作用下同步产生足够大的空间位移和冷热变化，仅凭自身本征物理效应即组成了完整的热力学循环。
研究人员根据系统的运行逻辑针对性地搭建了系统温跨测试平台，并分别在热泵工况和制冷工况下对系统拉开温跨的能力进行了测试。在66.7 MV/m的电场和0.5 Hz的运行频率下，系统在两种工况下均能拉开近似于4 K的温跨，这表明系统的能量损耗相对较低。借助于界面热阻测量标定实验与有限元仿真计算，研究人员对系统温跨测试结果进行了深入分析。仿真计算结果表明，系统运行过程中的界面接触热阻和对流换热损耗是限制系统制冷性能的主要因素。
图2 自驱动柔性制冷系统拉开温跨能力的测试
如何准确地测试电卡制冷系统的性能，是该领域研究的另一项重点。前期报道的电卡制冷系统主要通过系统温跨描述性能，然而不同系统能够实现的系统温跨标准不一。本次工作中，研究人员首次将传统制冷系统测试技术引入电卡制冷系统性能测试中，搭建了适用于薄膜电卡制冷系统的焓差台，并分别独立地严格控制热源和热沉的温度。研究人员测试了在不同热源热沉温差条件下，即在不同工作温跨下电卡制冷系统能输出的制冷量，得到了系统在不同温跨条件下的额外对外制冷量与COP，而非系统在最大温跨下与热损耗相平衡时的制冷量与COP。
在零温跨下，该系统可以输出6.5 W/g的比制冷功率，瞬时制冷量与耗电量比值高达58（在电荷回收效率为80%的条件下）。在4 K的系统温跨下，该系统可以输出2.7 W/g的比制冷功率，对应的COP为24，实现了约32%的热力学完善度，这是迄今为止在电卡制冷系统研究中所报道的最高的热力学完善度。值得注意的是，系统的COP与所处温跨和能量回收效率息息相关，若提升电荷回收效率至99.7%以上，系统在零温跨下实现的COP将达到210左右。此外，由于无需外加驱动部件，本研究中搭建的薄膜制冷系统空间利用率高，其单位空间上的比制冷功率相比于领域内已报道的电卡制冷系统提升了近百倍。
图3 自驱动柔性制冷系统的制冷功率和能效比。
该系统能为狭小空间内的芯片提供被动散热额外的制冷能力，迅速降低芯片表面温度。相比于空气自然对流冷却，该系统能为芯片在50 s内提供额外17.5 K的温降。研究人员利用铁电高分子的介电温谱，实现了被冷却目标温度的定点实时监测，并设计了系统制冷工作自动启停的反馈运行逻辑。研究人员还对该系统进行了超过七万次的循环稳定性测试，验证了系统的稳定性。由此，凭借其轻质、体积小、能耗低和柔性等诸多优势，基于电致伸缩效应与电卡效应协同的自驱动电卡制冷系统可以实现轻量化、柔性、高能效和智能化的主动制冷。
两年多来，该团队陆续在固态相变机理、材料理化性质、器件设计与制造方面取得突破，相关工作已发表6篇Nature、Science论文，其中以第一或通讯作者发表4篇。本文揭示了基于铁电高分子的自驱动电卡制冷系统的设计机理，创新了电卡制冷系统的严格测试方法，对电卡制冷系统在各种工况下的制冷能力进行了细致和完善的表征与分析，验证了电卡制冷技术轻量化、高能效的理论优势，为未来更深入细致的学科交叉基础研究与工程应用探索提供了理论基础。钱小石教授团队已获得相关发明专利授权。研究工作得到了机械与动力工程学院陈江平教授和电子信息与电气工程学院刘钢教授等的支持，所有研究工作均由上海交通大学的研究人员完成。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室、上海交通大学“深蓝计划”项目、重点前瞻布局基金、“交大2030”项目的支持。研究工作还得到了上海交通大学学生创新中心、上海交通大学分析测试中心以及转化医学国家重大科技基础设施（上海）的支持。
2024年5月8日，中山大学郑治坤团队在Nature 在线发表题为“Elastic films of single-crystal two-dimensional covalent organic frameworks”的研究论文，该研究报告了一种方法，以一种新兴的2D晶体- 2D共价有机框架(COFs) 为材料，利用脂肪族双胺作为牺牲媒介，在水面上通过相互编织的晶界连接单晶域，从而产生高强度，韧性和弹性薄膜。
二维COFs是一种由有机节点和连接剂通过共价连接而构成的周期性多孔二维聚合物。它们通常是通过溶液合成得到的不可加工的粉末，通过合成粉末的剥离得到的部分结晶片，通过表面合成和化学气相沉积在结晶金属表面上得到的不连续薄膜，以及通过界面合成得到的由非晶材料隔开的部分结晶膜。
近年来，用小分子表面活性剂或线性聚合物辅助合成方法在水面上制备了48种多晶膜，后者制备的膜平均单晶域更大。然而，所有薄膜都很脆弱，在压力作用下容易破裂，裂纹沿晶界扩展严重。相反，线性聚合物缠结形成的非晶态材料阻止裂纹扩展，并表现出坚韧甚至弹性的机械性能。
该研究开发了一种牺牲中间引导界面合成方法，将非晶态线性聚合物中通常存在的交织结构引入亚胺连接的2DCOFs多晶膜中，以连接其单晶畴，从而使其具有高强度，韧性和弹性。韧性和弹性是非晶态线性聚合物代替单晶结构2DCOFs薄膜的典型力学性能。使用亚胺连接2DCOFs将非晶材料的结构和性能引入晶体中，很可能非晶材料的结构和性能也可以应用到其他晶体材料中，赋予它们新的性能，增强它们的特定应用，为新的应用铺平道路。
近日，我校功能纳米与软物质研究院廖良生教授、王亚坤副教授的研究成果 “Long-range order enabled stability in quantum dot light-emitting diodes”在《自然》（Nature）上发表。功能纳米与软物质研究院是该论文的唯一通讯单位，王亚坤为论文的第一作者，加拿大多伦多大学Haoyue Wan为共同第一作者，廖良生为论文的通讯作者。王穗东教授课题组在薄膜迁移率表征方面提供了帮助。
新型显示产业是国家战略性新兴产业之一，也是国际上竞争的产地新高地。开发基于钙钛矿量子点的新型显示技术，对我国在这一行业中保持领先地位至关重要。然而，钙钛矿量子点发光器件仍面临在高亮度下实现高效率和高稳定性的巨大挑战。
针对上述关键科学问题，廖良生、王亚坤从机理研究出发，深入剖析影响钙钛矿量子点发光器件在实现高亮度—高效率—高稳定性的关键因素，发现非有序钙钛矿量子点薄膜是其主要限制因素。为此，他们提出了一种双配体协同策略，通过缺陷态钝化与原位去除小尺寸量子点相结合的方式，成功制备了长程有序、致密、均匀和无缺陷的薄膜。基于此策略所制备的钙钛矿量子点发光器件，在亮度为1000尼特的工作条件下可保持超过20%的外量子效率，且工作寿命相对提高100多倍，为同类器件的最高值。
该工作提供了一种长程有序量子点薄膜的可控制备新方法，并首次在钙钛矿量子点体系中实现了高亮度—高效率—高稳定性的有效统一。上述研究成果，为高性能量子点发光器件的实际应用提供了新策略。
长程有序量子点薄膜示意图
