多孔Janus材料的案例
哈工大邵路教授團隊Materials Today：特異不對稱性和功能性的多孔Janus材料
Janus材料是根據古羅馬神話中的雙面神Janus命名的，兩面具有不對稱的性質，包括潤濕性、電荷、孔徑或結構、熱/電導率、化學活性等。自然界中的Janus材料，比如荷葉，具有典型的不對稱潤濕性，它的上表面的是超疏水的，下表面是親水/水下超疏油的，使其在空氣中具有自清潔性，在水中具有防油污染的特性。多孔的Janus材料憑借不對稱性質的協同或獨立效應在液體、離子或氣泡的定向運輸以及材料的多功能集成中展現出巨大的潛力，使霧收集、個人濕熱和健康管理、能量轉換、水凈化、傳感器設備和生物醫學應用等多個領域取得極大進展，引起人們的廣泛關注。
近日，哈爾濱工業大學、英國皇家化學會會士邵路教授團隊與美國阿貢國家實驗室Seth B. Darling團隊合作在頂級期刊Materials Today（影響因子31.04）上發表了題為“Porous Janus materials with unique asymmetries and functionality”的綜述，主要總結了近年來多孔Janus材料的相關研究進展，重點介紹了多孔Janus材料的制備策略、協同/獨立工作機制以及新興的先進應用。最后，提出了多孔Janus材料研究面臨的挑戰以及對未來發展進行了展望。
多孔Janus材料的各種不對稱性及其應用
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702121002248?via%3Dihub
展開 高強Janus三維多孔膜成為“藍色能源”的高效捕手
基于此，作者制備了系列Janus三維納米多孔膜，并將其利用于濃差發電，做“藍色能源”的納米轉化器。通過混合模擬海水和河水濃度的離子溶液，實現了2.66 W/m2的功率密度，并在更高濃差下實現了5.1 W/m2的高功率密度。通過多膜串聯，可以驅動計算器正常工作。這一成果以題為“Unique Ion-Rectification in Hypersaline Environment: A High-Performance and Sustainable Power Generator System”在線發表于Science Advances。(DOI: 10.1126/sciadv.aau1665 )。第一作者是吉林大學在讀博士朱軒伯。
該工作通過分子控制實現了對三維多孔膜孔隙率及電荷密度的調控，多孔膜的孔徑基本維持一致，并且通過簡單的方法實現系列Janus膜的大面積制備。該系列膜都表現出良好的離子選擇和整流性能，高的電荷密度打破了濃度對于整流的限制，避免了內部損耗，使得Janus膜在能差發電器件方面有非常不錯的表現?；诰鄯济驯旧矸€定的分子結構，Janus膜也展現出優異的穩定性。通過多膜串聯，可以驅動計算器正常工作。
這項工作已被新華社、科學雜志社亮點報道，且諸多國內外多家媒體對此工作進行評論，推進了在鹽差發電領域對于限域空間內離子傳輸和功能化聚芳醚材料設計的基本理解，拓寬了功能化特種工程高分子的應用前景，為設計和制備新型、高效的可持續清潔能源器件奠定了基礎，展現出巨大應用潛力。
【圖文簡介】
Figure 1. Janus膜的制備和結構示意圖。
通過簡單高效的方法實現了Janus膜的大面積制備。
Figure 2.
展開 Interfaces：飛秒激光加工Janus多孔膜用于水滴
最新研究表明大氣中的水含量達到了地球上淡水資源總量的10%左右，因而發展一種有效的霧水收集材料并獲取空氣中的水份是解決水資源危機的有效途徑之一。而目前制備霧水收集材料所遇到的難題是大面積制備效率低；制造過程繁瑣；霧水收集效率低等，因此設計與發展一種新方法用于制備高效率霧水收集材料具有重要的意義。
【 成果簡介】
近日，中南大學青年教師銀愷博士（第一作者），段吉安教授和何軍教授（共同通訊）聯合在ACS Applied Materials & Interfaces上發表一篇題為“Ultrafast Achievement of a Superhydrophilic/Hydrophobic Janus Foam by Femtosecond Laser Ablation for Directional Water Transport and Efficient Fog Harvesting”的文章。在該文中，研究人員通過飛秒激光直寫技術在泡沫銅上快速制備了大面積的微納結構，所制備的材料表現出Janus的浸潤特性（一面超親水，一面疏水），并具有水滴的定向通過能力。同時，該材料表現出較好的霧水收集能力。為干旱地區緩解水資源危機提供了了一種有效途徑。
【 圖文導讀】
圖1 Janus膜的制備流程與表征
(a)飛秒激光加工示意圖；
(b)不同參數加工的Janus膜光學示意圖；
(c)不同加工參數的燒蝕厚度。
展開 《先進材料》綜述：Janus膜在能源領域的研究進展
近幾年來隨著膜制備和膜改性技術的進步，Janus膜已經成為了膜材料與膜過程領域的一個新興方向。其利用在膜兩側的相反性質實現了一系列新功能。日前英國劍橋大學、美國阿貢國家實驗室以及澳大利亞新南威爾士大學科研人員共同撰寫了Janus膜的最新綜述《Janus Membranes: Creating Asymmetry for Energy Ef?ciency》，并發表在了《Advanced Materials》上。文章系統總結了Janus膜在能源相關領域的研究進展，并且對Janus膜的制備方法、應用前景進行了探討。綜述文章的第一作者為Hao-Cheng Yang博士，通訊作者為Jingwei Hou博士及Darling Seth博士。
作者認為廣義的Janus膜是膜兩側具有不同性質的分離膜，而狹義的Janus膜則必須要求膜兩側有著相反的性質?；讵M義Janus膜的定義，作者分別就親水/疏水以及帶正電/負電兩大類Janus膜進行了闡述。文章首先介紹了親水/疏水膜在涉及兩相界面的過程中的應用（如油水分離、鼓泡、乳化、破乳等），表明了利用Janus膜可以有效降低涉及兩相界面的膜過程的能耗。
圖1 親水/疏水Janus膜在收集霧滴、鼓泡、乳化以及油水分離中的應用
隨后作者進一步就正電/負電類型的Janus膜進行了討論，并且展示了其在濃差極化產電以及高效率納濾過程中的應用。以濃差極化產電為例，Janus體系的意義在于可以有效實現某一種帶電離子的選擇性透過，而用傳統膜則無法有效實現該功能。
圖2 正電/負電Janus膜在濃差極化發電過程中的離子選擇透過原理
文章中作者還進一步詳盡介紹了Janus膜的制備方法以及在儲能材料、納濾、界面催化和控溫等方面的應用。
圖3 導電/絕緣Janus膜在儲能材料中的應用
來源：高分子科學前沿
展開 
發現控制氣體在多孔材料擴散的“局域柔性”材料
多孔材料在氣體存儲和分離方面已經取得了突飛猛進的發展，然而如何控制氣體在多孔材料中的擴散一直是難以解決的問題。1月25日，一項發表于《科學》雜志的研究利用金屬—有機框架（MOF）材料這一設計性極高的結構平臺，在剛性骨架的MOF的籠狀孔壁上編入溫度響應的動態“開關”，通過控制孔壁微擾來控制氣體分子在多孔材料中的擴散。
論文第一作者、華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室研究員顧成告訴《中國科學報》記者：“新材料具有溫度控制的吸附特性，這種獨特的吸附性質不僅能讓材料在較高溫度下進行相似氣體的動態篩分，也可以實現常溫常壓下氣體的物理存儲。”
圖片說明：(A)通過動態孔道控制氣體擴散的原理示意圖。(B) 1a的晶體結構。 (C) 1a的孔道結構。(D) 溫度響應的層內擴散控制示意圖；低溫下OPTz單元形成的“門”關閉，氣體分子無法擴散，高溫下通過熱振動打開“門”，氣體分子進行層內擴散。
根據熱力學定律，隨著溫度升高，多孔材料對氣體的吸附量會降低。但是MOF材料表觀上違反熱力學吸附法則，它在各種氣體的沸點溫度附近幾乎沒有任何吸附，但隨著溫度升高氣體吸附量逐漸升高并達到最大值，之后隨溫度升高氣體吸附量又逐漸降低。研究人員發現，這是熱力學控制的骨架—氣體相互作用力和動力學控制的擴散限制相互作用的結果。
為何MOF材料會出現這樣的結果？顧成表示，研究人員設計了一種蝴蝶型的配體，在間苯二甲酸的5-位上引入氧化吩噻嗪，這是一種可以有效發生熱振動的單元?！斑@像蝴蝶扇動翅膀一樣，溫度越高，振動幅度越強?！鳖櫝烧f。
氧化吩噻嗪的熱振動引起了微擾，而這一微擾已足夠為氣體分子擴散打開“大門”。由于MOF材料引入了動力學控制，在不同的溫度下，“大門”打開的幅度也不相同。
該材料特殊的吸附特性使之有可能在較高溫度下進行相似氣體的高效篩分。
展開 復合材料夾層結構常用PVC多孔泡沫材料參數
復合材料夾層結構常用PVC多孔泡沫材料參數.pdf
Deform多孔材料的滾珠軸承環成形 ￥2.99
多孔材料與塑性材料（可壓縮的剛性-粘塑性材料）的處理方式本質上相同，只是多了一個密度的設置。多孔材料應該設置為Porous類型，而不是我們通常計算的Plastic類型。另外，密度的設置可以對整個工件進行統一設置也可以通過Element data來對單獨的區域進行設置。
材料密度變化的對象（例如粉末成型中使用的材料）應建模為多孔對象。
當前可用于多孔材料的唯一迭代方法是直接求解方法。該方法不具有快速收斂能力，因此，多孔材料模擬可能比可比較的塑性材料模擬花費更長的時間。
下面是一個滾珠軸承環（如下圖）壓縮成形的實例，這里只取一個其橫截面進行分析。
1 新建一個問題，并命名為Porous_race。然后進入前處理，打開2D模塊。
2 模擬控制部分只考慮變形不考慮傳熱。依次導入工件幾何體PM_pre.igs，上下模幾何體PM_top.igs和PM_btm.igs。
3 設置坯料基本性質。溫度2000F，密度0.9，材料AISI-4340[1550-2200F ( 850-1200C)]。
這里的密度是相對密度，不是絕對密度，取值為0-1。這個值最好設置成0.7及以上，因為DEFORM不能對散粉壓縮進行計算，即需要一定密實的材料。
設置材料密度除了這樣統一設置之外，還可以通過Advanced中的Element data設置。這兩種方法的區別是，后者能設置局部的密度信息，見下圖。
展開 在 COMSOL 中分析特殊的多孔彈性超材料
多孔彈性超材料結構的多角度視圖。圖片來自 Jingyuan Qu。
作為比對點，研究人員還研究了一個普通的多孔結構和一個由連續各向同性材料制成的立方體。當周圍的靜水壓力增大時，兩個結構的體積都會縮小。在相同的條件下，多孔超材料則會膨脹，突出了自身的等效壓縮性特征。
后續步驟
通過大量的研究，該小組能夠捕獲超材料的行為，改進設計，并利用這些信息加快進入制造階段。雖然利用傳統的加工技術來制造這類材料并非不可能，但是 3D 打印可以作為制造負壓縮性超材料的替代選擇。3D 打印機可以使用在靜水壓力下收縮的普通材料來制成這種超材料。
Qu 指出，因為即使在高壓環境中，超材料也能夠保持恒定不變的等效體積，或許可以在高壓應用中發揮特殊作用。
本文來自 ：COMSOL 博客
展開 ABAQUS隨機雙相材料多孔結構建模
對兩個部件指定不同的材料類型，并裝配形成雙相材料幾何模型。
進行網格劃分操作。
設置兩部件之間的相互作用。
設置分析步后對模型添加載荷，這里將下側邊界設置為固定約束，上邊界添加向下的位移，實現模型的受壓狀態模擬。
創建作業并提交分析查看結果。
COMSOL生成多孔材料的教程
在COMSOL生成多孔材料可以采用CAD圖形導入的方式，在CAD內生成多孔幾何模型后導入到COMSOL中進行差集操作即可。
CAD多孔模型的建立—以曲邊泰森多邊形為例
1、設置好模型參數后運行CAD_Voronoi圖 V2.1.exe可直接生成CAD圖，將無用的圖層刪除后，僅保留曲邊泰森多邊形圖像，并將CAD文件另存為.dxf格式文件備用。
2、打開COMSOL新建模型選擇“二維”，并選擇合適的“物理場”。在模型開發器的 “幾何”上右擊選擇“導入”。找到先前保持的dxf文件構建選定對象。
3、選擇“幾何”菜單點擊“繪圖”-“矩形”，建立矩形實體。
4、選擇“幾何”菜單“布爾操作與分割”-“差集”。分別選擇矩形與導入的實體。構建選定對象。
展開 在 COMSOL 中分析特殊的多孔彈性超材料
多孔彈性超材料結構的多角度視圖。圖片來自 Jingyuan Qu。
作為比對點，研究人員還研究了一個普通的多孔結構和一個由連續各向同性材料制成的立方體。當周圍的靜水壓力增大時，兩個結構的體積都會縮小。在相同的條件下，多孔超材料則會膨脹，突出了自身的等效壓縮性特征。
后續步驟
通過大量的研究，該小組能夠捕獲超材料的行為，改進設計，并利用這些信息加快進入制造階段。雖然利用傳統的加工技術來制造這類材料并非不可能，但是 3D 打印可以作為制造負壓縮性超材料的替代選擇。3D 打印機可以使用在靜水壓力下收縮的普通材料來制成這種超材料。
Qu 指出，因為即使在高壓環境中，超材料也能夠保持恒定不變的等效體積，或許可以在高壓應用中發揮特殊作用。
本文來自 ：COMSOL 博客
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【科普系列】基于多孔MOF材料的氨基酸熒光探針
金屬-有機骨架材料（MOF）是一種由金屬和有機配體組裝而成的三維多孔骨架材料，與其他無機多孔材料相比，具有結構穩定、比表面積大、結構可設計性強等優點，因此被廣泛應用于熒光傳感、吸附分離、催化、藥物傳遞等領域。目前，MOF材料已被應用于多種氨基酸的熒光識別，包括半胱氨酸（Cys）、高半胱氨酸（GSH）、組氨酸（His）、谷氨酸（Glu）、天冬氨酸（Asp）等。另外，在熒光MOFs方面，鑭系MOFs因其優異的光學性質如大Stoke位移、高色純度以及相對較長的熒光壽命而受到了廣泛的關注。其中，利用后合成修飾法在一些MOF材料上負載鑭系金屬元素已成為近年來在鑭系MOF制備方面的重要途徑之一，而MOF材料中的螯合基團如羧基、吡啶、氨基等為具有發光特性的鑭系離子提供了有效的負載位點。
通過后合成修飾法在UiO-66-(COOH)2上負載Tb3+可成功制備綠色熒光材料，且仍能維持原骨架材料的結構，如圖1所示，改材料的熒光發射光譜與Tb的發射光譜基本一致。其中，488，544 ，585 ，621 nm等四處的峰均為分別歸屬Tb3+的不同電子能級躍遷，即5d4→7f6，5d4→7f5，5d4→7f4，5d4→7f3躍遷。
圖1 UiO-66-(COOH)2的激發和發射熒光光譜
該材料可用于選擇性識別色氨酸，如圖2所示，這是由于色氨酸與該MOF材料對于紫外光的競爭作用。從色氨酸對于紫外的吸收光譜中可以看出，與其它氨基酸不同的是，色氨酸除了對225 nm左右的紫外光有吸收作用，還對280 nm左右的紫外光有一個較強的吸收作用。
展開 特殊多孔彈性超材料的仿真分析
多孔彈性超材料結構的多角度視圖。圖片來自 Jingyuan Qu。
作為比對點，研究人員還研究了一個普通的多孔結構和一個由連續各向同性材料制成的立方體。當周圍的靜水壓力增大時，兩個結構的體積都會縮小。在相同的條件下，多孔超材料則會膨脹，突出了自身的等效壓縮性特征。
后續步驟
通過大量的研究，該小組能夠捕獲超材料的行為，改進設計，并利用這些信息加快進入制造階段。雖然利用傳統的加工技術來制造這類材料并非不可能，但是 3D 打印可以作為制造負壓縮性超材料的替代選擇。3D 打印機可以使用在靜水壓力下收縮的普通材料來制成這種超材料。
Qu 指出，因為即使在高壓環境中，超材料也能夠保持恒定不變的等效體積，或許可以在高壓應用中發揮特殊作用。
來源：COMSOL
展開 ABAQUS-CAE多孔材料微觀損傷仿真模擬
材料：泡沫金屬，多孔混凝土，普通混凝土
Python參數化建模設計，導入Excel數據建模，材料沖擊/壓縮損傷演化仿真
有相關問題可以加Q:2424712306交流，可提供相關指導
LMS Virtual.Lab多孔吸聲材料仿真
這個PDF是LMS官方文檔，講述了多孔性吸聲材料的聲學仿真的一些理論基礎，并且最后給出了一個實例，有興趣的朋友可以下載，并且可以按照實例做一下算例?，F在多孔性吸聲材料在汽車NVH、船舶、航空等行業應用相當廣泛，希望此PDF對大家有幫助！
TRIM multilayer sound material.pdf
