上海生科院发现ABA信号途径与光信号途径互作新机制,宁波材料所在热电材料设计及性能优化研究中取得系列进展

利用半导体的Seebeck效应或Peltier效应可实现热能与电能的直接相互转换,包括温差发电和热电制冷两种应用形式。热电性能由无量纲优值ZT(=S2σT/κ)表征,其中SσT
κ 分别是Seebeck系数、电导率、温度和热导率,S2σ
称为功率因子。基于具有低热导率的半导体化合物,从电子能带工程和多尺度声子散射两方面协同调控电声输运,可有效改善热电性能。针对多种体系的热电材料,中国科学院宁波材料技术与工程研究所光电功能材料与器件团队通过理论与实验紧密结合,在材料设计和性能优化方面取得了系列进展。

3月21日,国际学术期刊The Plant Cell
发表了中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所王永飞研究组题为S-type
Anion Channels SLAC1 and SLAH3 Function as Essential Negative Regulators
of Inward K+ Channels and Stomatal Opening in Arabidopsis

的研究论文。该研究发现了一个ABA信号途径通过蛋白互作抑制光信号途径,并因此抑制植物气孔开放的新机制。

作为石墨烯的新型衍生物,氟化石墨烯(Fluorinated graphene,
FG)既保持了石墨烯的高强度和耐高温性能,又因氟原子的引入赋予了其表面能降低、疏水性强等新颖的物理化学性能,从而使其在新型微纳电子器件、生物医药和润滑材料等领域应用前景广阔。

对于SnTe热电材料,该团队通过理论研究阐释了几种典型掺杂对电热输运的调控作用,并实现了SnTe热电性能的显著提升。例如,理论研究表明本征Sn空位在SnTe能带调控中起着重要作用,Sn空位的存在使得Mg、Mn、Cd和Hg掺杂SnTe出现明显的带隙增大和轻/重价带能量差减小的特征,非常有利于SnTe热电性能改善。采用区熔法制备了Mn掺杂SnTe多晶样品,实验结果证实了以上的理论预测。Mn/Sn合金化可以实现带隙的增大和轻/重价带简并,SnMnTe的Seebeck系数可达270
μV/K,ZT值为1.25。相关研究结果发表于J. Mater. Chem. A, 3, 19974
RSC Adv., 5, 59379 ,RSC Adv., doi:10.1039/c6ra02658c和Phys.
Chem. Chem. Phys.
, 18, 7141 。

干旱胁迫和ABA信号诱导气孔关闭,从而减少水分散失,提升植物的耐旱能力。而光照则可以诱导气孔开放,便于植物吸收CO2和释放氧气,同时散失大量水分,促进植物的生长发育。但光照诱导气孔开放必须是在没有干旱胁迫和ABA信号刺激的前提下才可以实现,否则光信号无法诱导气孔开放,即干旱/ABA信号途径可以有效抑制光信号途径及其诱导的气孔开放。但多年来,干旱信号途径抑制光信号途径从而进一步抑制光诱导的气孔开放运动的信号传递机理并不清楚。该研究发现,干旱诱导拟南芥气孔保卫细胞中大量质膜慢阴离子通道(S-type
anion
channels)SLAC1和SLAH3的蛋白积累。SLAC1和SLAH3一方面作为质膜慢阴离子通道介导阴离子跨质膜外流,同时大量积累的SLAC1和SLAH3蛋白还通过蛋白互作的方式,强力抑制气孔保卫细胞质膜内向K+通道,以此有效抑制光诱导的气孔开放。众所周知,SLAC1和SLAH3是ABA信号途径中的关键组份,而质膜内向K+通道则是光信号途径的关键组份。因此,该研究揭示了一个干旱/ABA和光信号途径互作,并共同参与气孔运动调控的新机制。

在中国科学院“百人计划”、甘肃省“杰出青年基金”和国家自然科学基金面上项目等课题的持续资助下,中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室研究员王金清课题组长期致力于FG的制备、修饰组装及摩擦学性能研究,取得了系列研究成果。

虽然同为IV-VI族化合物,但SnSe与SnTe晶体结构迥异。最近两年,SnSe单晶被报道具有高达2.6的ZT值。为了克服SnSe单晶生长条件苛刻、制备周期较长、机械性能较差等缺点,制备SnSe多晶并改善其热电性能成了相关研究热点。近期,该团队采用理论计算和区熔生长法开展SnSe多晶研究工作。图2a展示了SnSe织构化区熔多晶,其功率因子和ZT值分别达9.5
μWcm-1K-2和0.9@873
K,这远高于国际上其他同类报道结果,并且非常接近Nature(2014, 508,
373)所报道的单晶结果,体现了织构化对SnSe电输运性质的有效提升。通过对SnSe区熔多晶进行粉碎再烧结,可保持较高功率因子并使得热导率降低。第一性原理计算表明Ag掺杂可以促进SnSe中轻/重价带简并,这种能带简并效应有利于提高Seebeck系数和功率因子;实验工作证实了这一理论推测,通过Ag掺杂提高了SnSe多晶的载流子浓度,功率因子达11
μWcm-1K-2,ZT值进一步提高至1.3。

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该课题组以氟化石墨作为碳源,先后发展了通过液相超声剥离来制备氟化石墨烯和利用混合碱来处理、改性氟化石墨烯的方法,相关工作发表在RSC
Adv.
(2012, 2, 11681-11686)、J. Mater. Chem.(2012, 22,
16950-16956)和Nanoscale(2014, 6,
3316-3324)上。同时,以氧化石墨烯作为碳源,分别通过光催化氟化和水热氟化以及热解氟化石墨对其进行氟化来制备氧和氟共掺杂氟化石墨烯的方法,获得的氟化石墨烯具有良好的水溶性和稳定性,部分成果发表在RSC
Adv.
(2013, 3, 6327-6330)和Carbon(2012,50, 5403-5410; 2014, 72,
176-184)上。另外,针对氟化石墨烯量子点在生物医药领域的巨大应用前景但制备非常困难的问题,提出了以牺牲部分氟原子来提高氟化石墨烯反应活性的制备思路,通过设计亲核取代反应并结合后续的混合酸超声和水热处理等过程,成功实现了将微米级大片层的氟化石墨烯切割成尺寸在3至5nm的氟化石墨烯量子点。部分工作发表在Carbon(2015,
83, 152-161)和Mater. Lett.(2015, 143, 112-115)上。

同时,采用BiCl3掺杂SnSe显著提高了n型SnSe的载流子浓度和电导率,获得了较高的Seebeck系数和较低的热导率。其功率因子约为5
μWcm-1K-2,ZT值达0.7,这为n型SnSe热电材料开发提供了一种方案。相关研究结果发表于J.
Mater. Chem. C
, 4, 1201 ,Appl. Phys. Lett., 108, 083902 。

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对FG的摩擦学性能进行研究后证实:FG即可作为润滑油添加剂来增强基础油的减摩抗磨性能RSC
Adv.
(2014,4,56543-56551),也可作为构筑单元进行润滑薄膜的组装Tribol.
Lett.
(2015, 60,
1-12),并且发现F含量越高的样品其减摩抗磨性能也越好。同时,将FG纳米片作为聚合物填料也可用来增强聚酰亚胺的力学性能、热稳定性和摩擦学性能,相关工作发表在Composites:
Part A
(2015, 75, 96-103;2016, 81,
282-288)。另外,利用尿素对FG进行修饰改性得到了可分散于水中的UFG;作为新型水基添加剂,UFG在水中也表现出了一定的减摩抗磨性能,相关工作发表在ACS
Appl. Mater. Interfaces
(DOI: 10.1021/acsami.5b10579)。

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