能量轉化的案例
中科大徐航勛教授系統綜述：超薄二維共軛高分子在太陽能-化學能量轉化方面的應用
面對全球范圍內愈發嚴重的能源危機和環境問題，通過模擬自然界的光合作用，以催化的方式高效地將太陽能轉化為化學能源的人工光合系統成為可持續能源領域的研究熱點。近年來，有機共軛半導體材料在光催化太陽能轉換領域開始綻放光彩，特別是超薄二維共軛高分子材料由于其獨具高比表面積，豐富的表面活性位點和高效的光生電子/空穴分離能力在將太陽能高效轉化為化學能方面顯示出極為廣闊的應用前景。
近日，中國科學技術大學徐航勛教授基于前期研究工作基礎，系統評述了近期超薄二維共軛高分子材料在太陽能轉化為化學能方面的主要進展。本篇綜述詳細總結了超薄二維共軛高分子納米材料的制備方法，著重討論基于超薄二維高分子構筑的雜化結構和異質結構在光催化水分解和二氧化碳還原方面的代表性工作，并展望了超薄二維共軛高分子材料在該領域所存在的機遇和挑戰。
共軛高分子半導體的電子結構可以在分子水平上實現簡單而精確的調控和設計，但是在上述太陽能-化學能轉化研究領域尚有諸多挑戰亟待解決，例如大規模合成厚度均勻、尺寸可控的二維高分子仍極具挑戰，催化的機理、原理研究不夠深入等。因此，需要設計更為有效的合成路線以及結構調控方法，并采用前沿的表征手段和深入的理論計算明確揭示光催化反應路徑與機理，以期推動二維共軛高分子材料在太陽能能源轉化領域的實際應用。該工作即將發表在Chinese Journal of Polymer Science (2019) 。
全文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s10118-019-2171-x
展開 南開大學張振杰課題組JACS：高分子共混制備水汽驅動器用于水收集和空氣發電
作者進一步將其與壓電材料（PVDF）復合，可實現機械能到電能的轉化（圖3）。該能量轉化器執行10個循環而不會出現明顯的能量衰減。
圖3 ZPF-2-Co構筑的能量轉化器運行示意和產電性能
本論文的第一作者為南開大學化學學院博士生楊銘方，通訊作者是南開大學化學學院張振杰研究員。該工作得到了國家自然科學基金和111工程的支持。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/jacs.1c01831
相關進展
南開大學張振杰課題組《Nat. Commun.》
美不勝收妙不可言，中國團隊用水將蘭亭序“活字印刷“上頂刊
極性固體在液體中所形成的界面電場有助于促進能量存儲1、化學反應2甚至細胞增殖3等。如何在固-液界面處實現可控的分子/離子吸附、電荷轉移以及所伴隨的能量轉化一直吸引著科學家的廣泛興趣4，相關交叉學科領域的深入認識將對化學合成、催化、生命科學及能量轉化與存儲產生潛在的重要影響。
鐵電材料具有非易失的、電場可控的電極化和表面電荷，有可能在液體環境中提供可翻轉的界面電場。因此，對液體環境中表面電荷特性的研究將有助于更好的理解和控制固-液界面結構以及所伴隨的能量轉化行為，進而實現對界面化學反應的調控。反之，其界面的化學反應能否翻轉鐵電材料的體極化呢？盡管60多年前人們就提出了鐵電極化對表面化學的影響5，但其逆過程仍然知之甚少，鐵電體與液體界面處的分子吸附/脫附、以及復雜的電荷轉移過程阻礙了人們對鐵電-液體界面化學結構和能量轉化過程的理解。因而，原位界面化學反應實現鐵電材料體極化的翻轉仍然是一大挑戰。
最近，北京師范大學張金星小組與清華大學、中科院物理所、北京理工大學和賓州州立大學合作，歷經4年多的努力，深入探索了無鉛鐵電材料（鐵酸鉍）與水溶液（普適的化學溶劑和生命之源）的界面物理和化學行為。發現不同鐵電極化表面可以有選擇性的誘導界面化學反應和離子成鍵，幫助有效的構建了固-液界面結構。不僅如此，選擇性的表面離子鍵合能夠實現巨大的表面離子位移，進而能夠帶動鐵電材料體極化的可逆翻轉。
展開 齒輪箱及齒輪箱應用（上）
工業生產中，人們將不同能源通過機械裝置轉化成滿足需求的旋轉機械能，然后加以利用。
人們需要將不穩定的水勢能或者風動能等能量轉化成所需要的動力來源。那時候就誕生了最早的齒輪箱。人們通過齒輪箱將不穩定轉速升高或者降低，得到所需要的能量，并進行利用。
隨著科學技術的進步，人類工業文明進入到汽輪機時代和電氣時代。人們學會了將自然界的能量轉化成更易于傳輸和利用的能量形式。能量轉換的過程中，經歷了從自然能量轉化為熱能、電能，再從熱能轉化成機械能的過程。
在兩次能量的轉化過程中，齒輪箱都起到了關鍵的作用。
齒輪箱，在機械系統中通過對軸轉動速度和轉矩的調整實現能量傳遞，通過其內部大小齒輪的嚙合實現改變傳動速度和相應的傳輸扭矩。因此，有時候它又被稱作變速箱。
齒輪箱屬于旋轉設備中的一類，它通過軸進行能量傳遞，因此軸的旋轉十分關鍵。
齒輪箱的旋轉軸相對箱體發生轉動，進行連接的零部件就是軸承。
展開 
《自然·通訊》北京大學在高效鈣鈦礦太陽能電池研究方面取得系列進展
僅僅歷經不到10年的發展，鈣鈦礦薄膜太陽能電池的能量轉化效率記錄就已經迅速增至23.3%，發展速度為各類太陽能電池之最。在化學組成上，有機無機雜化鈣鈦礦材料具有ABX3型的晶體結構。其中A位甲脒離子含量高于95%，同時X位溴離子含量低于5%的FAPbI3基鈣鈦礦材料，其帶隙低于1.55 eV，在已經發展的各種鈣鈦礦材料成分配比中最接近于單節太陽能電池的理想帶隙。目前，兩步法制備的太陽能電池器件長時間工作穩定性要普遍低于一步法，這是由于傳統兩步法制備難以獲得含有堿金屬離子的鈣鈦礦薄膜。
由俞大鵬院士領導的北京大學物理學院“納米結構與低維物理”研究團隊在這一問題上取得系列進展。該團隊趙清教授與合作者以傳統兩步法為基礎，設計提出了鈣鈦礦籽晶誘導生長的兩步旋涂法，通過在碘化鉛薄膜中引入含銫鈣鈦礦籽晶，使籽晶提供后續鈣鈦礦生長的成核位點，引導高質量薄膜生長，解決兩步法中無機陽離子的有效摻雜問題。通過籽晶誘導，可實現對成核和晶粒大小的精確調控，有效摻入無機Cs離子，器件的能量轉化效率提升至21.7%。同時，器件在AM1.5G太陽光下持續工作140小時后，仍然保持超過60%的初始效率，遠優于傳統兩步法數小時的穩定性。相關研究成果以“Perovskite seeding growth of formamidinium-lead-iodide-based perovskites for efficient and stable solar cells”為題發表于Nature Communications【Nature Communications 9, 1607 (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-04029-7】。北京大學博士生趙怡程、加拿大多倫多大學博士后譚海仁和比利時魯汶大學博士后袁海峰為該研究論文的共同第一作者。多倫多大學的Edward H.
展開 《Science》17.3%！南開大學陳永勝團隊刷新一項世界紀錄
該團隊研究人員介紹，依據該工作提出的模型和設計原理，結合有機高分子材料結構的多樣性和可調性，通過對材料和器件的進一步優化，非常有望獲得和無機材料類似的能量轉化效率，從而為有機太陽能電池的產業化提供有力技術支撐。
“依據我們提出的半經驗模型預測，有機太陽能電池(墊層)的最高轉化效率理論上可以達到20%以上。本次工作中，我們同時也對電池的壽命進行了初步試驗，發現166天實驗后電池效率僅降低4%。未來，我們將繼續設計新的材料，在進一步提高能量轉化效率的同時，針對電池壽命問題進行系統的實驗，爭取讓有機太陽能電池早日從實驗室走向實際應用。”陳永勝說。
據了解，該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、天津市科委和南開大學的項目支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/science.aat2612
來源：南開大學新聞網
展開 納米粒子碰撞時會發生什么？新研究給出答案！
導讀
近期，美國紐約州立大學布法羅分校的科學家領導的團隊對于納米粒子相互撞擊時發生的狀況進行了新研究，有助于未來開發出更好預防腦震蕩的頭盔、防止噪音侵害的耳機、將“廢棄”的振動能量轉化為有用能量的裝置。
背景
也許，未來我們生活中會想用到這些產品：一種更好地預防腦震蕩和其他腦部損傷的頭盔；一種保護人們免受有害噪音侵害的耳機；一種將機場跑道振動產生的“廢棄”能量轉化為有用能量的裝置。
然而，開發這些產品需要我們更加深入的理解碰撞的物理本質，也就是對于微型粒子物質（納米粒子）相互撞擊時發生的狀況進行新的研究。
創新
近期，美國紐約州立大學布法羅分校（ University at Buffalo ）的科學家領導的團隊進行了新的研究，有助于未來實現這些產品。他們采用超級計算機對于在真空中的兩個納米粒子相互碰撞時發生的情況進行建模。團隊仿真的這些納米粒子具有三種不同的表面幾何形狀：圓（表面光滑）；晶面；銳利邊緣。
這項研究于3月21日發表于《Proceedings of the Royal Society A》，論文作者是 Takato、Sen、Michael E. Benson。科學家們在紐約州立大學布法羅分校的學術超算設施計算研究中心進行了仿真。
技術
紐約州立大學布法羅分校藝術與科學學院物理系教授、論文合著者之一 Surajit Sen 博士表示：“我們的目標就是設計在納米范疇控制能量傳輸的力。一個10個、20個或者50個原子厚度的微型粒子，與大型粒子的表現一樣嗎？這是我們提出的核心問題。” 他補充說：“答案的核心在于是或不是。”
這項新研究聚焦于小型納米粒子，其直徑在5納米到15納米之間。科學家們發現，這種尺寸的粒子在碰撞過程中，根據形狀表現各異。
展開 新磁流體發電機--用磁場中的“電子管”來發電的設備！
能量轉換過程:由于引入外電場E一定程度上抵消了逸出電場的影響，發射器可發射高強度的熱電子流，熱源加熱發射器的熱能被大功率轉換為熱輻射電子逸出功與初動能。運動的熱電子流垂直穿越磁場時,在洛倫茲力作用下轉向，到達收集器（各電子收集板之間有導線互連構成收集器），最終從收集器上連接負載，就可以和發射器構成回路，而獲得電功率。由于定向電子流相對于磁場垂直運動的速度很快，因此可以產生很高的感應電動勢。只要熱源以足夠功率持續加熱，保證發射極維持在工作溫度，電子流穩定持續，整個發電過程可持續進行。由于在整個發電過程中，只有熱電子流到達收集器時，一部分能量轉化為收集板的熱能而損失掉，其它大部分熱能都轉換為電能，所以發電機是高效的。當然發射極也會向外熱輻射，損失一部分能量。
能量轉換過程：熱能——》電子流——》電能與廢熱（廢熱通過收集板降溫系統排出到外部環境）
由于在整個發電過程中，熱電子流到達收集器時，一部分能量轉化為收集板的熱能而導致收集板溫度上升（熱輻射也會導致收集板溫度上升），會影響發動機穩定工作，需用降溫系統將收集板降溫。實現方法：電子收集板內有夾層，可讓液氮流過夾層汽化來帶走廢熱，讓收集板保持較低溫度。
發電功率估算：若沒有加入磁場，當熱源持續均勻加熱金屬板A達到工作溫度后，在金屬板A與金屬板B之間外加5萬伏以上高電壓，金屬板A可大強度發射熱電子，大功率地帶走熱源的熱能。整個裝置就類似一個大的“電子管”，可以估算出這個“電子管”的電流強度：假設金屬板A上表面面積為1平方米，氧化物陰極達到一定的工作溫度，理論上可實現每平方厘米1A的持續輻射電流，那么金屬板A的發射電流就有10000A。在實際發電過程中，由于發射器與接收器之間存在電勢差，有反向抑制，電子流應該達不到這么高，但是我們可以設定在一個穩態工作情況下（外接負載電阻確定），電子流強度為1000A，這是可以達到的。
展開 Science：南開大學有機太陽能電池效率破紀錄！
該團隊研究人員介紹，依據該工作提出的模型和設計原理，結合有機高分子材料結構的多樣性和可調性，通過對材料和器件的進一步優化，非常有望獲得和無機材料類似的能量轉化效率，從而為有機太陽能電池的產業化提供有力技術支撐。
力爭讓有機太陽能電池早日走向實際應用
“依據我們提出的半經驗模型預測，有機太陽能電池（墊層）的最高轉化效率理論上可以達到20%以上。本次工作中，我們同時也對電池的壽命進行了初步試驗，發現166天實驗后電池效率僅降低4%。未來，我們將繼續設計新的材料，在進一步提高能量轉化效率的同時，針對電池壽命問題進行系統的實驗，爭取讓有機太陽能電池早日從實驗室走向實際應用。”陳永勝說。
據了解，該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、天津市科委和南開大學的項目支持。
來源 南開新聞網
展開 臺積電三星布局3nm，“極限工藝戰”開打
其中，EUV規模化的主要瓶頸是能量轉化率低。EUV面向傳統工藝的多次曝光問題，將重復2～3次的曝光過程簡化為一次完成，起到降低工序、提升產能的作用，一直被視為延續摩爾定律的關鍵。但資料顯示，EUV的能量轉化率僅為0.02%左右，以200w光源、100片晶圓每小時的產能需求為例，EUV需要1兆瓦的輸入功率，而ArF沉浸式掃描光刻機只需要165千瓦。這意味著EUV的實用化必須克服耗電量和光源工作效率的挑戰。
同時，GAA等新的晶體管底層結構也引起頭部廠商關注。相比FinFet結構的溝道三面被柵極包圍，GAA溝道的四個面或全周被柵極包圍，增強了溝道和靜電控制能力，為尺寸的進一步微縮提供可能，目前三星已經公布在3nm導入GAA的計劃，預計2021年實現量產。
芯謀研究總監王笑龍向《中國電子報》記者指出，FD-SOI(薄膜全耗盡絕緣襯底上的硅)工藝有望在3nm節點發力。業界專家莫大康指出，SOI工藝具有減少寄生電容、提高器件頻率、降低漏電流等優勢，與體硅相比SOI器件的頻率能提高20%~35%，器件功耗下降35%~70%。雖然具備在先進制程的發展潛力，但FD-SOI受限于SOI硅片成本偏高，產業鏈不夠完善，目前只限于RFIC等特定用途，產業生態有待培養。
作為“超越摩爾定律”的重要環節，封裝也是提升芯片集成度的關鍵。
展開 Moldex3D模流分析之IDEMI以Moldex3D驗證面罩產品 對抗新冠病毒
關于IDEMI
IDEMI因應儀器產業需求，專注投入設計與研發，主要目標是將技術和知識能量轉化為實際的產品設計和研發，并一視同仁地與產業界分享。IDEMI在設計與研發領域的成就及相關信息，并積極透過通訊及實體展示等方式傳播。IDEMI也是企業及制造商在遇到產品設計與研發問題時，時常尋求咨詢的對象。印度科技部并官方認證IDEMI為科學與工業研究委員會。
混合動力電動汽車電驅動結構與特征 附車輛與結構動力相互作用下載
串聯式混合動力汽車中車輪由電力系統驅動，發動機只作為能量儲存系統，發動機產生的能量儲存起來用作電機運轉。如圖1所示。發動機不直接參與驅動，理論上可以工作在任意低油耗區或者低排放區，但是能量轉化次數較多，能量利用率低 。
圖2給出了并聯式混合動力汽車的拓撲結構。此時發動機和電機可共同或分別獨立驅動車輪，降低了能量轉化的損失，但發動機的工作點無法在理論上工作于任意低排放或低油耗區。
混聯式混合動力汽車中，如圖3所示，發動機的功率在動力系統有兩路能量傳遞路線，既可通過機械路徑驅動車輪又可轉換成電功率，通過動力耦合裝置實現電功率和機械功率的匯合。因此，該構型又稱功率分流式混合動力汽車。
圖1 串聯式混合動力汽車傳動系統
圖中，F為燃油箱；E為發動機；M為電機；G為發電機；B為電池；T為變速箱；I為整流器；Spl為動力耦合裝置
2 串聯式混合動力電驅動系
2.1 串聯式混合動力汽車的行駛狀態：
正常行駛時，發動機能夠始終運轉在最佳運轉工況，燃油消耗率低，排放少。發動機發出的功率帶動發電機發電，然后在驅動電動機驅動車輛前進。
圖2 并聯式混合動力汽車傳動系統
圖3 混聯式混合動力汽車傳動系統
車輛行駛速度較低，所需驅動功率小，發動機發出的功率超過電動機驅動功率需求，多余的功率儲存在蓄電池中；車輛行駛速度較高，所需驅動功率較大，電動機驅動車輛的電能來自于發動機和蓄電池。
展開 武漢大學閔杰研究員課題組《Joule》：全聚合物和單組份太陽電池研究取得新進展
論文題目為“A conjugated donor-acceptor block copolymer enables over 11% efficiency for single-component polymer solar cells”(《
共軛給-受體嵌段共聚物在單組份聚合物太陽能電池獲得超過11%的光電轉化效率
》)。博士研究生吳瑤與郭靖為共同第一作者，閔杰研究員為通訊作者，武漢大學為第一作者單位。山東大學郝曉濤教授和浙江大學朱海明教授課題組參與了研究。
該研究發展的新型單組份共軛嵌段聚合物材料（PBDB-T-b-PYT，主鏈同時含有受體嵌段和給體嵌段），具有11.32%的能量轉化效率（PCE），是目前單組份體系所報道的最高效率。
相較于PBDB-T:PYT二元全聚合物體系，其暗態存儲和光穩定性也獲得了較好的提升。
近一年來，閔杰研究員課題組在全聚合物太陽電池（All-PSCs）研究領域發表了一系列的研究工作進展。截止發稿，共在相關高水平學術期刊中（SCI一區）發表研究論文9篇，包括以武漢大學為第一單位的Joule 4篇（IF=29.155），Angew. Chem. Int. Ed. 1篇（IF=12.959)，Adv. Energy. Mater.1篇(IF=25.245)，Adv. Funct. Mater. 1篇(IF=16.836)，Chem. Mater. 1篇(IF=9.567)，Sol. RRL 1篇(IF=7.527)，累計引用次數82次，ESI引用前1%的高被引論文1篇。
全聚合物太陽電池（All-PSCs）是由P-型聚合物作為電子給體材料和N-型聚合物作為電子受體材料制備的新型有機太陽電池。
展開 【技術帖】AVL CRUISE燃料電池車輛系統仿真方案介紹
燃料電池具有能量轉化效率高、零排放或近零排放、運行平穩無噪聲、燃料獲取范圍廣、可靠性高等優點。隨著國家政策的推進以及環保的要求，燃料電池在新能源汽車領域得到不斷應用。《中國制造2025》中提出:“到2025年，燃料電池堆系統可靠性和經濟性大幅提高，和傳統汽車、電動汽車相比具有一定的市場競爭力，實現批量生產和市場化推廣”。
燃料電池做為能量源，其部件本身性能的開發至關重要，而對于整車OEM來講，更為關注的是燃料電池車的整體性能，例如燃料電池車的動力性與經濟性，“燃料電池-蓄電池”復合電源系統的部件匹配以及控制策略開發等。這類開發任務要求我們借助整車系統級的模擬工具，從車輛能量管理的角度去分析和優化。
獨傲于中國整車性能仿真工具市場的AVL CRUISE軟件在燃料電池車的建模方面也有獨門絕技，為用戶提供了專門的燃料電池模塊以及根據試驗數據自動擬合模型參數的向導工具，可以非常方便地進行燃料電池車的建模分析。本文將依據實例對CRUISE軟件在燃料電池車輛開發中的應用進行介紹。
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展開 等離子凈化器的結構
設備末端設有獨立的消聲段，采用優質玻璃纖維消聲材料，采用內孔網架結構體系，使聲波容易有效地進入纖維體的深層，將聲能量轉化為振動能，以保證設備的噪聲得到降低。高效過濾消聲段：經過前端處理后，大部分油煙被去除，而大部分逸出的微米煙經高效過濾段(粗濾和細濾)處理后被過濾，剩余的亞微米油霧顆粒和煙氣中的有毒有害物質和氣味進入低溫等離子體凈化段。
本實用新型具有吸聲降噪功能，有效地控制了設備的整體噪聲。
低溫等離子體凈化段：該部分主要采用電暈放電法產生高濃度離子，然后利用等離子體使煙氣中的顆粒以不同的(正負電荷)通過電場通過電場，使煙氣中的顆粒通過電場被吸引、凝聚，單個體積增大并堆積成大質量和沉降，從而凈化煙氣，有效地收集小到亞微米大小的油煙顆粒。與直接用電場板吸附油煙顆粒的靜電凈化方式不同，可以延長電場的有效工作時間，實現低碳操
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