近期電介質領域研究成果匯總

四川大學傅強/吳凱團隊《Adv. Mater.》：全有機聚合物的多層次結構與三維空間7-10W/mK的高導熱性質

有機聚合物通常由無規線團似的共價大分子堆砌而成，電導率低而聲子平均自由程小，在過去都被認為是熱的不良導體，如常見的塑料、橡膠和纖維的導熱系數都在0.1 W/m K的量級。而在一些取向的薄膜和纖維中，科研人員已經觀察到了一些聚合物的高導熱性質和顯著增大的聲子平均自由程，如聚乙烯納米纖維的縱向導熱系數高達100 W/m K、聚乙烯薄膜拉伸方向的導熱系數有62 W/m K，其聲子的平均自由程甚至比聚乙烯的晶體尺寸還要大。目前，科研人員對上述聚合物的高效熱輸運提出了兩種相互矛盾的解釋：（1）是晶區含量的增加和/或尺寸的擴大增強了聚合物的熱傳導；（2）除晶區之外，無定形區域取向時逐漸演化的高導熱性質增強了聚合物的熱傳導，例如Xu等人通過經典的一維模型計算出超倍拉伸的PE薄膜內無定形區域的導熱系數達到了16 W/m K（Nat. Commun. 2019, 10, 1）。可見，聚合物的導熱性質需要進一步的實驗支撐和合理解釋。除此之外，在實際應用過程中，人們更希望材料在三維空間任意方向都是導熱的，這樣可以讓其適應各種熱源形式（平面熱源、局部熱源、點熱源等）。然而到目前為止，通過傳統的加工/制備方法，人們還未將全有機聚合物這種低維方向的導熱性質有效地拓展至整個三維空間。針對上述問題，四川大學傅強/吳凱團隊報道了一種膠原蛋白螺旋結構啟發的“環氧樹脂/聚對苯撐苯并二惡唑纖維（PBO）塊材"，這種全有機材料第一次在面外和面內方向同時實現了7 W/m K以上的高導熱系數，如面外方向的導熱系數為10.85 W/m K、面內方向的導熱系數為7.15 W/m K。相關研究成果在線發表于期刊Advanced Materials。

上海交通大學黃興溢教授《ACS Nano》：導熱、電絕緣PBO納米纖維/氮化硼納米片復合紙

隨著5G設備和高功率密度電子器件的快速發展，對導熱材料提出了更加迫切和更高的要求。介電聚合物復合材料的電絕緣性能、機械性能、熱穩定性甚至防火性能在電氣和電子領域具有重要的應用價值，因此具有廣闊的應用前景。然而，目前介電聚合物復合材料導熱性能的提高往往以降低機械性能和電絕緣性能為代價。近日，上海交通大學黃興溢教授課題組采用溶膠-凝膠-薄膜轉換方法，制備了一種高導熱且電絕緣的具有仿珍珠母微結構的聚對苯撐苯并二惡唑納米纖維/氮化硼納米片（PBONF/BNNS）納米復合材料紙。當BNNSs含量為10 wt%時，納米復合材料紙的面內熱導率為21.34 W m^-1 K^-1，并具有206 MPa的超高強度。此外，納米復合材料紙具有優異的電絕緣性能，可達350℃以上，并具有優良的阻燃性能。納米復合材料紙在5G基站和變壓器中表現出了較強的散熱能力，在高功率密度電氣設備和電子器件中具有廣泛的應用潛力。相關工作以“Thermally Conductive but Electrically Insulating Polybenzazole Nanofiber/Boron Nitride Nanosheets Nanocomposite Paper for Heat Dissipation of 5G Base Stations and Transformers"為題發表在《ACS Nano》上。

海交大張文明教授團隊在人體動脈脈搏壓電動力學方面取得新突破

近年來，便攜式可穿戴連續醫療監測系統發展迅速，特別是可穿戴動脈脈搏監測。在過去的半個世紀里，利用動脈脈搏波速度和脈搏過境時間的可穿戴連續血壓監測已被廣泛研究。使用壓電晶體麥克風的動脈脈搏波監測在1941年被采用。此后，由于壓電傳感器本身具有良好的動態響應特性和高保真度，使用壓電傳感器引起了廣泛的關注。然而，由于時間同步誤差和位于至少兩個壓電傳感器的監測中的傳感器距離誤差，基于此的血壓評估具有內在的限制。所報道的動脈脈沖壓電反應在不同的研究中基本不一致。因此，使用這種技術監測血壓是有爭議的。為了開發準確的可穿戴式連續血壓監測，闡明動脈脈沖壓電反應是非常重要和緊迫的。傳統上認為壓電動脈脈搏波的動態與典型血壓波的動態相似。然而，實現基于動脈脈搏波的精確的連續血壓波監測仍然具有挑戰性，因為壓電脈搏波和其相關的血壓波之間的相關性還不清楚。為了解決這個問題，上海交大楊斌、張文明教授團隊首先通過對這些動態的理論、模擬和實驗分析來闡明壓電脈搏波和血壓波之間的相關性。基于這種相關性，開發了一個無線可穿戴式連續血壓監測系統，與基于多個傳感器之間脈搏波速度的傳統系統相比，具有更好的便攜性。他們探索了使用單個壓電傳感器實現無運動偽影的可穿戴式連續血壓監測的可行性。這些發現消除了對動脈脈搏波壓電反應的爭議，并有可能用于開發便攜式可穿戴連續血壓監測裝置，用于高血壓的早期預防和日常控制。相關研究以“Piezoelectric Dynamics of Arterial Pulse for Wearable Continuous Blood Pressure Monitoring"為題發表在Advanced Materials期刊上。

云南大學王繼亮/包黎霞《Matter》：基于絕緣共聚物的納米發電機實現紫外光能量收集！

太陽能因其、取之不盡等優點被認為是的可持續清潔能源。在過去的幾十年中，一系列相變儲能材料和太陽能電池取得了無數突破。得益于金屬中的自由電子以及光照下半導體空穴和電子的重新分布，金屬和半導體可以分別通過的外部光電效應和內部光伏效應將太陽能轉化為電能。然而，由于缺乏自由電子或在光照下空穴和電子的重新分布，在電子絕緣聚合物中無法檢測到光電效應。云南大學王繼亮副教授、包黎霞副教授等人報道了一種通過光機電（PME）效應有效地將紫外光能量轉化為電子絕緣共聚物電能的新策略。作者將功能性偶氮苯（AZO）和咪唑離子液體（ILO）低聚物分別用作光異構體和偶極單元，通過PME效應實現光誘導感光鏈段的異構化，并進一步產生動態偶極子和等量但符號相反的電極感應電荷。所構建的電子絕緣共聚物（AZO-co-ILO）基納米發電機（PME-NG）可以在紫外線照射下直接輸出交流電（高達5.8 V和247 μA），這意味著該PME-NG在自供電電子設備中具有廣泛的潛在應用。該研究以題為“Photomechaelectric nanogenerator"的論文發表在《Matter》上。

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