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哈尔滨工业大学化工与化学学院2020年最新基础研究结果速览
2022-12-19 01:15
本文摘要:机械人生物形态电池哈工大化工与化学学院黄玉东教授课题组与美国密歇根大学NicholasA Kotov教授互助,在仿生结构型芳纶纳米纤维基固体聚合物电池研究领域取得重要希望,相关结果近期揭晓于Science子刊《科学•机械人》杂志(Biomorphic structural batteries forrobotics,Science Robotics DOI: 10.1126/scirobotics. aba1912)。

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机械人生物形态电池哈工大化工与化学学院黄玉东教授课题组与美国密歇根大学NicholasA Kotov教授互助,在仿生结构型芳纶纳米纤维基固体聚合物电池研究领域取得重要希望,相关结果近期揭晓于Science子刊《科学•机械人》杂志(Biomorphic structural batteries forrobotics,Science Robotics DOI: 10.1126/scirobotics. aba1912)。论文第一作者是黄玉东教授课题组博士后王明强博士,研究事情获得国家自然科学基金的鼎力大举资助和支持。

二十一世纪以来,机械人引发了新的工业革命,正在颠覆人类的生活方式。只管如此,机械人的生长存在难以逾越的技术瓶颈,那就是能源供应问题。

受能量密度限制,大尺寸、大质量电池占用了机械人大量名贵的形态空间,增大了自重能耗。对于空间使用率自己就低的仿生结构机械人而言,电池的形态设计与比能量密度问题越发凸现。

总体上,电池形态设计不合理、比能量密度低等缺陷大幅度限制了机械人的仿生结构设计裕度及其续航力。为此,黄玉东团队颠覆了传统的机械人电池内置思路,首次提出一种全新的自适应型外壳电池思路,该电池微观结构类似于生物脂肪,电性能与力学性能优异。

宏观上,电池为机械人的一体化外壳,既是能源中心,也是防护装甲。研究发现,接纳芳纶纳米纤维与聚合物电解质联合的方式可以获得力学性能与电性能十分优异的复合电池。与传统聚合物电解质相比,新型复合电解质拉伸强度提高了12倍,拉伸模量提高了85倍。

与此同时,研究发现新型电解质的性能与纤维直径出现差别的依赖关系,而且纳米纤维的搭接点密度与面积、空间体积密度对新型聚合物电解质的力学性能均有重要的影响。有效的搭接点结构以及纳米纤维3D网络结构可以有效稳定促进力的转移。更为重要的是,纤维的骨架结构可有效阻碍聚合物电解质结晶,增强离子转移速率,同时保证循环历程电解质较小的体积变化。

同时,优异的力学性能以及稳定的离子传输又可抑制电池枝晶的生长,从而大幅延长新型电池使用寿命。新型电池在多种软体微型机械人中举行了验证,获得了良好的应用效果。试验讲明该电池不仅可以提高比能量密度,同时可以作为软体机械人掩护外壳。

与体积相同的传统锂电池相比,该电池总容量提高70倍。该质料的开发及其结构理论分析效果将为新一代软体机械人与漫衍式能量存储技术开发新的偏向。法式化磁操囊泡构建空间编码的人工组织韩晓军教授课题组在法式化磁操控囊泡构建空间编码的人工组织研究方面取得重要希望,该结果以题为“Programmed magnetic manipulation of vesicles into spatiallycoded prototissue architectures arrays”揭晓于《自然·通讯》(Nature Communication,2020, 11, 232;DOI: https:// doi.org/ 10.1038/ s41467-019-14141-x)。

在生命的进化历程中,主要的转变之一是具有空间编码的多细胞系统的泛起,这些细胞可以举行交流和协作,以组织或器官的形式体现出更高阶的团体行为。通过人造细胞的可控组装来模拟这些系统,有望对人工生命系统的构建和组织工程领域发生重要影响。

到现在为止,脂质体,聚合物体和油包水液滴等类细胞结构已被用于构建人工组织,它们体现出更高阶的行为,包罗通讯、变形、信号传导等。可是,除了基于油包水液滴网络的一系列突破性研究之外,当前大多数组织样结构都是某些类细胞结构的无定形聚团体。

巨型磷脂囊泡是细胞的理想模型。将大量巨型磷脂囊泡组装成空间编码的类组织结构以模拟自然组织的存在形式仍然是一个庞大的挑战。韩晓军团队使用磁阿基米德效应,通过引入顺磁性介质在不锈钢(SS)网格内部将巨型磷脂囊泡组装成具有特定空间排布的种种组织形态。

所构建的人工组织在高盐浓度(1 M)和纯水条件下体现出异常的稳定性,体现了这类结构的群体特异性行为,讲明在生命进化历程中,细胞群体比单个细胞具有生存优势。该团队同时研究了人工组织内部巨型磷脂囊泡间酶的级联反映、以及巨型磷脂囊泡与细胞群落之间的化学物质交流。

该结果所展示的人工组织构建方法,在合成生物学、组织工程学中具有广泛的应用前景。韩晓军课题组从事人造细胞领域研究已有20年的历史,在人工细胞膜、人工细胞器、具有庞大功效人造细胞、人工组织等领域取得了系列高水平研究结果。模拟了细胞膜和细胞器的结构和功效、细胞的代谢和破裂功效、以及生物组织内部个体间的交流和群体行为。

促进了该领域的生长。相关结果揭晓在J. Am. Chem. Soc. 2017,139, 9955;Adv. Mater. 2020, 32, 2002635;Adv.Mater. 2018, 30, 1707482;Adv. Mater. 2007, 19,4466; ACS Nano 2019, 13, 3573;ACS Nano 2014, 8, 3961;Adv.Funct. Mater. 2018, 28, 1706827; Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 4533; Angew.Chem. Int. Ed. 2013, 52, 2463; J. Am. Chem. Soc. 2011, 113, 6521等期刊上。新能源器件与三维成像锂离子电池的宁静问题是现在制约电动汽车生长的关键瓶颈之一。


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