光熱轉換材料的案例
橡膠新化學：可定制光熱轉換材料的制備及其表面抗污功能化
當前，光熱轉換在癌癥診療、海水淡化等領域被廣泛研究，引起了高度的關注。開發新型光熱轉換材料是這一研究領域的關鍵。有機光熱材料大多具有長的共軛結構，使其吸收波長能夠擴展到紅外區域，可實現對太陽光中占比近50%的紅外光有效利用。而長的共軛結構會帶來剛性高、難加工等問題，如，其難以同熱塑性材料一樣能夠被熱加工；即便部分材料能夠被溶解加工，也需要大量特殊有機溶劑，不可避免地會對環境造成影響。
為了解決這一問題，來自中國人民大學的王亞培課題組提出用熱塑性能極佳的橡膠，即反式聚異戊二烯（Trans-1, 4-polyisoprene, TPI）作為基材，通過后摻雜的形式將碘導入共軛結構，賦予原本乳白色的聚異戊二烯以黑色的性質，使其具有光熱轉換性能。在紅外光照射下，碘摻雜的TPI可以在0.9W的光功率下，升溫超過160℃。此外，他們借助多維數字打印技術，設計并制造了一種能將太陽能轉換成熱能的TPI護膝，實現了對TPI的可定制化加工和黑化，為個性化光熱轉換產品制造提供了新的解決辦法。（DOI: 10.1002/chem.201704715）
前一工作中，研究者發現在碘摻雜處理后的TPI表面具有陽離子自由基。基于這一發現，該課題組發展了一種利用陽離子自由基作為引發劑，在黑化TPI表面引發熱敏型異丙基丙烯酰胺（NIPAM）聚合的方法。不同于傳統的ATRP或RAFT方法，這種方法僅需一步碘蒸氣處理，新穎巧妙、操作簡單，不需要特殊的催化劑也無需嚴格的除氧過程。而且，黑化TPI的光熱轉換可以調節碘的光控釋放，從而殺死細菌。光熱轉換導致的溫度變化也會引發PNIPAM鏈構象的變化，促進了死亡細菌的清除。基于這種新型表面接枝方法與材料本身優異的光熱轉換性能，研究者成功構建了光熱轉換觸發的“殺菌釋菌”系統。
展開 基于低成本TiN/生物碳泡沫的高效太陽能蒸汽發生器
同濟大學楊修春課題組將氮化鈦納米顆粒沉積在經過碳化處理的木塊上, 得到一種新型 的雙層太陽能蒸汽發生材料. TiN納米顆粒具有比以往報道過的光熱轉換材料(如等離子體金屬、碳基材料和半導體納米材料)更好的穩 定性、更經濟的價格、更低的毒性、更寬和更強的光吸收等多重優點.
圖1 太陽能蒸汽發生器示意圖
TiN納米顆粒的沉積量以及基底的厚度和類型對水的蒸發速率和 太陽能-蒸汽轉換效率有重要影響. 在模擬太陽光強度為1 kW m?2下, 該材料具有92.5%的太陽能-蒸汽轉換效率, 這是已知的木基光熱轉 換材料中的最高效率. 此外, 該材料具有良好的可重復利用性.
本工作近期發表于Science China Materials, 2018, doi: 10.1007/s40843-018-9353-5
展開 華南理工大學李遠課題組 Angew：穩定的“芳香化硝酸自由基”實現高效的光熱轉換
如圖3所示，當在功率為1.0 W cm–2的808 nm激光器照射下，TPA-TPA-O6粉末的溫度迅速升至約250 °C，顯示了優異的光熱轉換性能，優于文獻報道的有機光熱材料。
圖3. A. TPA-TPA-O6粉末在不同功率激光照射下的光熱轉換；B. TPA-TPA-O6粉末紅外熱像圖；C. 已報道的有機光熱材料的光熱性能對比圖。
如圖4所示，TPA-TPA-O6 展現出最為優異的光熱轉換性能及良好的光熱穩定性。因此，作者將TPA-TPA-O6應用于太陽能驅動的界面水蒸發系統的構建。TPA-TPA-O6粉末在300~2000 nm范圍內表現出極寬的光譜響應，可有效地促進太陽光收集。在1個太陽光下照射下，獲得了高達89.41%的太陽能驅動水蒸發效率和1.293 kg m–2 h–1的水蒸發速率。最后，作者利用該體系對海水進行了淡化實驗，展示了該材料體系在光熱轉換領域的實際應用潛力。
圖4. 基于TPA-TPA-O6的光熱性能表征及太陽能驅動的水蒸發系統的性能圖
該工作中，李遠課題組報道了一類基于“芳香化硝酸自由基”的多自由基半導體材料設計策略，這類分子具有原料廉價、合成便捷、結構可調控性強等優點，未來在有機光電、磁學、儲能、自旋電子學、生物診療和光熱轉換等領域有良好的應用潛力。
展開 太陽能光熱調控的策略及最新進展
因此，作者立足于建立在不同光譜區域中用于太陽能加熱和被動冷卻的選擇性吸收器/發射器之間的整體關系，在綜述中總結了光熱轉換和調控的基本原理。
圖1 被動輻射冷卻原理圖
02
高效光熱調節的基本標準
合理設計具有優異光熱調控性能的材料需要建立若干基本準則，從該角度出發，作者在綜述中明確了光學和熱學性質對于設計理想的光熱轉換材料和結構的至關重要性。其中，光學特性包括吸收系數、反射率、透射率等參數。因此為了實現優異的光熱調控，必須對材料的吸收光譜進行調控以吸收入射太陽光。此外，系統中的熱流，即對流、傳導和輻射，也是需要考慮的一個重要方面。
圖2 (a)分子振動和(b)聲子極化共振的紅外發射示意圖; (c)對于不同k參數，折射率分布n (z)作為深度的函數; (d)三角形漸變折射率圖。
03
新興光熱調節材料與結構
由于太陽能光熱轉換的快速發展，各種光熱調控材料已經被開發出來，作者基于不同的光熱轉換機理，在綜述中匯總了各種光熱調控材料，包括金屬材料、半導體、碳基材料、新興的碳化物/氮化物和聚合物。除上述材料外，超分子材料(卟啉)、陶瓷材料(TiN和ZrO2)、 MOFs等各類光熱轉換材料也在光熱處理、海水淡化、發電等領域得到了廣泛的應用。另外，從被動輻射制冷角度，設計材料不僅要反射大部分的入射光，還要在大氣窗口中具有強烈發射功能，目前已報道的輻射制冷材料可分為四類：多孔/顆粒分布聚合物薄膜、光子材料、天然木材和納米纖維薄膜。
圖3 納米纖維膜在光熱調控中的應用。
展開 
IF=46.8 上海交大等發表一篇重要綜述論文！
近日，國際著名學術期刊《自然-能源》（Nature Energy）（2018年影響因子：46.859）在線刊登了上海交通大學材料科學與工程學院鄧濤教授團隊與合作團隊的綜述文章“Solar-driven interfacial evaporation”。上海交通大學材料科學與工程學院陶鵬副研究員、宋成軼副研究員、尚文副研究員以及美國麻省理工學院George Ni博士為論文的共同第一作者，鄧濤教授與美國麻省理工學院陳剛教授、南京大學朱嘉教授為論文的共同通訊作者。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41560-018-0260-7
該論文系統地總結了太陽能光熱界面蒸發領域的研究進展，全面地介紹了太陽能光熱界面蒸發系統各核心構成單元的研究現狀和發展趨勢，深入分析了影響太陽能光熱界面蒸發性能的關鍵因素，探討了該技術在太陽能向熱能、電能、機械能、化學能轉換領域的應用價值，展望了該領域未來的發展方向、面臨的挑戰以及應對措施。
隨著傳統化石能源的日益消耗和生態環境壓力的不斷增加，加快對可再生能源太陽能的開發和利用已成為全球關注的熱點。光熱轉換是一種清潔、高效的太陽能利用方式。其中，光熱蒸發是太陽能光熱利用領域廣泛涉及的一個非常重要的物理過程。針對傳統基于體加熱的蒸發系統存在能量轉換效率低、響應速度慢等問題，新型基于局域光熱轉換的太陽能光熱界面蒸發設計將太陽能光熱轉換集中在蒸發界面，通過在太陽能光熱轉換材料、界面蒸發結構、系統絕熱設計等方面的協同創新，大幅提升了系統的蒸發效率和響應速率。
展開 IF15《EEM》桂林電子科大張煥芝/孫立賢：生物質均質增強碳氣凝膠衍生功能相變材料用于太陽能熱能轉換和存儲
團隊設計了一種功能形式穩定的復合相變材料 (PCM)，以實現用于封裝聚乙二醇 (PEG) 的 3D互連多孔碳氣凝膠結構。通過將來自生物質瓜爾膠的柔性碳資源與來自聚酰亞胺的硬脆碳相結合，構建了一種具有良好互連多孔結構的新型均質增強碳氣凝膠，以克服傳統碳氣凝膠的嚴重收縮和較差的機械性能。
支撐碳氣凝膠包封的 PEG 產生了具有良好結構穩定性和綜合儲能性能的新型復合 PCM。結果表明，復合相變材料顯示出明確的 3D 互連結構，其儲能容量分別為 171.5 J/g 和 169.5 J/g，在 100 次熱循環后僅略有變化，并且復合材料可以保持平衡溫度在 50.0 °C-58.1 °C 下持續約 760.3 秒。復合材料的熱導率可達0.62 W m-1 K-1，有效提高了熱響應率。并且復合相變材料表現出良好的防漏性能和優異的光熱轉換。復合相變材料的抗壓強度可提高至 1.602 MPa。結果表明，該策略可以有效地用于開發具有改進的綜合熱性能和高光熱轉換的新型復合相變材料。
相關論文以題為Biomass homogeneity reinforced carbon aerogels derived functional phase-change materials for solar-thermal energy conversion and storage發表在《Energy & Environmental Materials》上。通訊作者是桂林電子科技大學Yongpeng Xia、張煥芝教授、孫立賢教授。
參考文獻：
doi.org/10.1002/eem2.12264
展開 蘇州大學張麗芬教授和程振平教授課題組：一種基于近紅外光控光熱轉換間壁式換熱器的可逆-失活自由基聚合新策略
然而，如圖5b所示，經過10個循環的加熱-冷卻過程后，光熱轉換能力幾乎沒有任何變化，重要的是，即使累計使用196小時，它也幾乎保持了最初的光熱轉換性能（圖5c），進一步證實了本文所用克酮酸菁類染料的高光熱穩定性。
圖5 NIR819光熱穩定性測試圖
作者通過利用克酮酸菁類染料在近紅外LED光源照射下，通過光熱轉換進行間壁式熱交換的原理，開發了一種通用的近紅外光誘導RDRP策略。成功地進行了MMA、GMA、MA、St、DMA等單體的“活性”聚合。該策略具有以下優點：（1）完全避免了近紅外染料與聚合組分的混合，從而克服了近紅外染料對聚合物的污染問題；（2）聚合溫度不僅可以通過調節近紅外光源的功率來控制，還可以通過調節近紅外染料的濃度來控制，使其適用的聚合物反應溫度范圍寬；（3）近紅外染料具有很高的光熱穩定性和光熱轉換效率：NIR819為83.2%，NIR792為87.4%，NIR799為84.5%，可重復使用，可大大降低聚合物的合成成本；（4）利用近紅外光的穿透能力強的特點，該策略具有傳統加熱（如電加熱夾套）無法比擬的優勢，可以通過加熱和近紅外光照射的協同效應極大地強化聚合反應速率。因此，該策略不僅為光熱轉換的綠色可持續發展開辟了新思路，而且在大規模應用中具有巨大的潛力。
論文第一作者為蘇州大學材料與化學化工學部碩士生高群，通訊作者為蘇州大學材料與化學化工學部張麗芬教授和程振平教授。詳見: Qun Gao, Kai Tu, Haihui Li, Lifen Zhang, Zhenping Cheng.
展開 美國科羅拉多大學開發出可隨光熱變形的材料
美國科羅拉多大學研究人員開發出一種新材料，受光和熱刺激后可以轉變為預設形狀。這種可控變形材料有望廣泛應用于機器人、生物醫學設備和人工肌肉等領域。
２４日發表在美國《科學進展》雜志上的研究顯示，新材料使用了液晶彈性體，可實現雙向變形，且這種變形肉眼即可觀察到。
液晶彈性體是一種高分子材料，最常見的是應用于液晶電視顯示器。液晶彈性體獨特的分子排列方式使其在受外界刺激后會發生變化。但是，這種變化往往需要密集的、不可逆的編程方法來實現。
在新研究中，研究人員在液晶彈性體中安裝了光敏開關，接觸某一特定波長的光后，分子會首先按某種特定方式排列，在接觸熱刺激后即變形。例如，用這種材料疊成的一個“千紙鶴”在室溫時會保持原造型，加熱到約９３攝氏度時，“千紙鶴”會舒展放平，等冷卻到室溫后又恢復原狀。
論文鏈接：
http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat4634
來源：新華網
展開 深圳先進院研制出具有光熱促成骨作用的復合生物材料
近日，中國科學院深圳先進技術研究院童麗萍副研究員、王懷雨研究員與香港城市大學朱劍豪教授等合作，成功研制出一種具有光熱響應的智能生物材料，該材料可用于促進骨缺損部位的再生修復。相關論文以Near-Infrared Light Control of Bone Regeneration with Biodegradable Photothermal Osteoimplant為題發表在生物材料領域權威期刊Biomaterials上。論文第一完成單位是深圳先進院，第一作者是童麗萍副研究員，通訊作者是王懷雨研究員。
熱療是一種對正常組織損傷較小的傳統療法，自古代以來就被廣泛地用于治療諸多慢性疾病。然而常規的熱療方法受限于外部直接加熱傳遞效率低下的問題，治療效果較為有限。近年來隨著納米技術的快速發展，納米光熱治療已經成為了腫瘤治療領域的一個研究熱點，具有適用范圍廣、選擇性強、操作簡便等顯著優點。
受腫瘤光熱治療研究的啟發，團隊基于前期與喻學鋒課題組在黑磷基生物材料方面的研究合作(Angew. Chem. Int. Ed. 55, 5003, 2016; Small 13, 1602896, 2017; Adv. Sci. 5, 1700848, 2018)，將黑磷納米片與可生物降解的醫用高分子PLGA相復合，制備出一種具有光熱響應作用的新型骨科植入材料。此種新型的復合生物材料僅需要添加0.2%的黑磷納米片，就能夠在肌肉組織覆蓋下具有較高的光熱轉化效果，甚至在植入大鼠骨缺損部位后仍對近紅外光照具有很強的光熱響應。研究團隊進一步研究發現，40~42℃范圍的局部光熱刺激就能夠顯著促進骨缺損部位的組織再生，而黑磷納米片的添加還能夠調控高分子基材的降解，因此可用作一種理想的骨科植入材料。
展開 華中大龔江研究員和長春應化所唐濤研究員：廢棄聚酯可控碳化構筑雙層太陽能界面蒸發器用于光熱海水淡化
塑料通常含有較高含量的碳元素，將廢棄塑料轉化成高附加值的碳材料不僅為城市廢棄塑料的高值化利用提供新途徑，還為制備功能性碳材料提供新方法（Progress in Polymer Science 94 (2019) 1-32; Nature Catalysis 3 (2020) 902-912）。另外，淡水資源短缺也是當今世界面臨的主要挑戰之一。近年來，太陽能驅動的界面水蒸發已成為一種用于高效、清潔水生產的創新和可持續發展技術（Nature Energy 3 (2018) 1031-1041），但是目前太陽能界面蒸發器還存在蒸發速率低、價格昂貴、光熱轉換材料的多孔結構作用機制不明確等問題。
圖1 利用廢PET衍生的多孔碳涂覆于木頭構筑雙層太陽能蒸發器用于太陽能海水淡化
在最近的工作中（Energy & Environmental Materials 2021, Doi: 10.1002/eem2.12199, 影響因子15.1），他們采用ZnO作為催化劑精確調控廢棄聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）的碳化制備具有高比表面積的多孔碳（圖1和圖2），并涂覆于木頭表面構筑成雙層太陽能蒸發器，在光熱海水淡化中表現出優異性能。研究表明，ZnO中Lewis酸位點促進PET脫羧基，從而生成含有端乙烯基和芳香環的中間降解產物。這些降解產物易于通過交聯或者分子間聚合形成碳材料的骨架，有利于形成豐富的微孔（0.4~2 nm）。與此同時，ZnO起到物理模板的作用，形成大量的介孔（2~50 nm）和大孔（50~300 nm）。通過調控ZnO與PET比例制備的等級多孔碳材料具有豐富的納米孔結構，有利于光吸收和水傳輸。
展開 一種用于熱管理和紅外隱身STA-EGaIn基相變氣凝膠
來源 | Small
01
背景介紹
相變材料(Phase Change Materials, PCMs)作為能量儲存和轉換材料，不僅可以在相變過程中吸收和釋放潛熱，還可以通過可控的潛熱吸收和釋放來調節目標物周圍的溫度。因此，PCM在熱管理和溫度調節方面具有潛在的應用前景。雖然PCM在熱能利用和熱管理領域具有很大的潛力，但大多數PCM光熱轉換性能較差，限制了PCM的太陽能利用效率。因此，探索具有優異光熱轉換性能的相變材料至關重要。
研究人員在 PCM中加入了光熱轉換材料來增強其吸收陽光的性能，以獲得良好的光熱相變儲能性能。鎵銦合金(EGaIn)作為一種液態金屬，因其流動性強、電導率高、導熱性好，在柔性可穿戴電子產品、熱界面材料等領域得到了廣泛的應用。到目前為止，基于EGaIn的光熱相變儲能材料的報道很少，主要是由于EGaIn的儲能性能較低。因此，同時提高EGaIn的光熱轉換和儲能性能，對于拓寬EGaIn在光熱相變儲能領域的應用具有重要的科學意義。在之前的工作中，硬脂酸-鎵銦合金（STA-EGaln）TA-EGaIn作為一種有機相變儲能材料，由于相變過程中固有的液體泄漏，其大規模應用受到限制。因此，克服光熱相變儲能系統的泄漏是至關重要的。
多孔支架與 PCM相結合是防止相變過程中泄漏的有效方法。在之前發表的研究中，多孔支架在防止相變材料泄漏方面取得了優異的效果。但這些多孔支架的不可生物降解性會對環境造成負面影響，因此許多研究人員將重點轉向了基于生物質材料的支架。然而，有機PCMs的導熱性差也極大地限制了纖維素/有機PCMs復合材料的實際應用。
展開 
在ANSA中求解器切換后自動進行材料轉換
做過汽車行業的都知道，有時候一套網格模型需要在不同的求解器下進行分析計算，這樣就導致我們需要在每個求解器對應的面板里面設置零件的材料，如果零件非常多，設置起來會劃分時間精力的，在ANSA中可以快速完成這一過程，具體過程如下：
1、這是我在ABAQUS面板下定義的模型材料。
2、選中所有的PID，郵件點擊，在下拉菜單中選擇MAT sync。
3、選中NAS面板，點擊OK。
4、切換到NAS面板查看材料。
5、點擊compress壓縮就可以去掉多余的材料。
來源：有限元在線的博客，版權歸作者所有。
有限元分析中的材料性能單位轉換 ￥2
大多數有限元計算程序都不規定所使用的物理量的單位，不同問題可以使用不同的單位，只要在一 個問題中各物理量的單位統一就可以。但是，由于在實際工程問題中可能用到多種不同單位的物理量，如 果只是按照習慣采用常用的單位，表面上看單位是統一的，實際上單位卻不統一，從而導致錯誤的計算結 果。
比如，在結構分析中分別用如下單位：長度 – m；時間 – s；質量 – kg；力 - N；壓力、應力、彈 性模量等 – Pa，此時單位是統一的。但是如果將壓力單位改為 MPa，保持其余單位不變，單位就是不統 一的；或者同時將長度單位改為 mm，壓力單位改為 MPa，保持其余單位不變，單位也是不統一的。由 此可見，對于實際工程問題，我們不能按照手工計算時的習慣來選擇各物理量的單位，而是必須遵循一定 的原則。
物理量的單位與所采用的單位制有關。所有物理量可分為基本物理量和導出物理量，在結構和熱計算 中的基本物理量有：質量、長度、時間和溫度。導出物理量的種類很多，如面積、體積、速度、加速度、 彈性模量、壓力、應力、導熱率、比熱、熱交換系數、能量、熱量、功等等，都與基本物理量之間有確定
的關系。基本物理量的單位確定了所用的單位制，然后可根據相應的公式得到各導出物理量的單位。具體 做法是：首先確定各物理量的量綱，再根據基本物理量單位制的不同得到各物理量的具體單位。
展開 基于上轉換發光材料的3D打印技術
近日，來自俄羅斯科學院“晶體與光子學研究中心”的研究人員通過向光敏聚合物中添加上轉換發光納米材料，基于改進的雙光子光刻的3D打印技術，實現了高效、高分辨率的打印，有望在生物標記，藥物輸送及電子元件制造領域得到應用。
與大多數激光3D打印技術不同，雙光子光刻打印技術的分辨率受3D打印機激光點的尺寸限制較小，具有很高的精度。
為了保留雙光子聚合工藝高精度的優勢并解決打印耗時的問題，俄羅斯科學家想到了向光敏樹脂混合物中添加上轉換發光納米材料的方法。這種材料在接受近紅外光照射時，又可以發出紫外光，每一個聚合單體都為周圍的單體提供能量。這樣使用低功率的光源就能加快聚合速度，還能在不同單體之間形成更復雜的連接方式；同時由于較小的光源吸收率和較少的散射，加大了光在材料中的穿透深度。該過程的成功在于利用相對低強度的近紅外光源讓高分辨率的光固化過程發生在樹脂槽深處，這使該技術具有在生物組織內進行3D打印的潛力。
研究人員將利用這項3D打印技術，繼續探索液態光敏聚合物在特定的深度更高精度的成型，希望與藥物控釋結合起來，成為新的治療方式。
來源：機械制造系統工程國家重點實驗室
展開 材料的名義應力、應變與真實應力、應變轉換公式的推導
材料的名義(Nominal)應力、應變是基于變形前的數據計算得到，
其中
為試件初始截面面積，
