古风,完美世界txt全集下载,言情小说 君子以泽 http://acled.com.cn 專注專業(yè)定制 智造智慧未來 Thu, 16 Apr 2020 08:49:06 +0000 zh-CN hourly 1 https://wordpress.org/?v=5.4.1 簡單的新方法使石墨烯 “上色 “成為可能 http://acled.com.cn/202004167076/ Thu, 16 Apr 2020 08:49:06 +0000 http://acled.com.cn/?p=7076

據外媒報道,石墨烯的用途可能十分廣泛,但它并不“擅長”在水中分散。現(xiàn)在瑞典于默奧大學的研究人員找到了一種相對簡單的方法。氧化石墨烯是一種不同形式的材料,可以使其在水中穩(wěn)定分散,然后可以作為一種石墨烯涂料來使用。

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石墨烯本質上是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。這種看似簡單的材料具有一系列有用的特性–它非常輕巧,薄而有彈性,但仍然很結實。它也是一種出色的電和熱的導體,因此,從電子產品到水過濾器到衣服,它都會出現(xiàn)在所有的材料中。

最理想的情況是,將石墨烯分散在水中,將其分散到正確的構型中,是一種有用的方法。然后,這種溶液可以被涂抹或噴涂到表面上,例如制作超級電容器電極或導電涂層。問題是,石墨烯和類似形式的碳,如石墨和碳納米管,是疏水性的,這意味著它們會排斥水。它們可以通過使用有機溶劑或機械處理使其分散,但前者有毒,后者會引入缺陷。

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現(xiàn)在,于默奧大學研究團隊找到了一種出人意料的簡單方法來制造石墨烯分散體。秘訣是用氧化石墨烯代替親水性的氧化石墨烯。通過將氧化石墨烯與其他疏水性碳素顆粒,如石墨烯、活性石墨烯、多孔石墨烯和活性碳素等結合在一起,他們成功地制造出了穩(wěn)定的石墨烯分散體。幾天后,沒有任何材料在底部沉淀下來。

在一次試驗中,該團隊加入了碳納米管,并試圖用這種混合物制成超級電容器電極。他們將分散體涂在金屬箔上,然后將其干燥,并將其加熱到200℃(392°F)。”我們最終得到的是具有相當大的表面積、良好的導電性能和在超級電容器中儲存電力的優(yōu)異性能的導電電極材料的薄膜,”該研究的主要作者Alexandr Talyzin。”大的表面積是由(例如)活性石墨烯的微米級顆粒提供的,而納米管和熱還原氧化石墨烯提供了顆粒之間良好的電接觸。”

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研究人員表示,這種新方法可以很容易地推廣到工業(yè)生產中。他們已經為該技術申請了專利。

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在硅電極上添加石墨烯梁可以使鋰電池的壽命延長一倍 http://acled.com.cn/202004087066/ Wed, 08 Apr 2020 08:47:35 +0000 http://acled.com.cn/?p=7066 沃里克大學由WMG領導的新研究發(fā)現(xiàn)了一種用硅代替鋰離子電池陽極中石墨的有效方法,即用石墨烯梁增強陽極的結構。這可能會使可充電鋰離子電池的壽命增加一倍以上,并增加這些電池的容量。

自索尼公司最初推出鋰離子電池以來,石墨一直是陽極的默認選擇活性材料,但研究人員和制造商長期以來一直在尋找一種用硅代替石墨的方法,因為它是一種豐富的可用元素,其重量能密度是石墨的十倍。不幸的是,硅還有其他幾個性能問題繼續(xù)限制其商業(yè)開發(fā)。由于硅顆粒在鋰化過程中的體積膨脹,硅顆粒可以電化學團聚,從而阻礙隨著時間的推移進一步的充放電效率。

硅的內在彈性也不足以應付反復充電時的鋰化應變,導致陽極復合微觀結構的開裂、粉碎和快速物理降解。這大大有助于容量衰減,以及發(fā)生在對電極-陰極上的降解事件。以手機為例,這就是為什么我們必須為我們的手機充電更長和更長的時間,這也是為什么他們不承擔他們的費用,只要他們是新的。

許多辦法試圖克服這些問題。例如,使用微米大小的石墨烯的納米/結構化硅粒子,但這并不令人滿意。使用納米硅顆粒顯著地增加了活性表面的數量。這導致在第一次充電周期中更多的鋰沉積在硅上,形成硅和電解質之間的固體電解質相間勢壘,從而大大減少鋰的庫存,從而大大降低電池的使用壽命。這一層也繼續(xù)生長在硅上,因此鋰的損失變得連續(xù)。其他方法結合其他材料,如不同尺寸的石墨烯,被認為是不切實際的,然后進展到大規(guī)模制造。

然而,由沃里克大學WMG的Melanie Loveridge博士領導的新研究發(fā)現(xiàn)并測試了一種新的硅陽極混合物和一種化學修飾的石墨烯形式,它可以解決這些問題,并創(chuàng)造出可行的硅陽極鋰離子電池。這種方法實際上可以在工業(yè)規(guī)模上制造,而不需要使用納米硅尺寸及其相關問題。這項新的研究剛剛于2018年1月23日星期二在科學報告中發(fā)表,題為“硅-富層石墨烯(FLG)復合電極系統(tǒng)的相相關阻抗研究”。

石墨烯當然是礦物石墨的一個單一的、一個原子厚的層(碳的同素體)。然而,也有可能分離和操縱幾個連接層的石墨烯,使材料研究人員稱為少層石墨烯(FLG)。以前的研究已經測試了FLG與納米硅的使用,但這項新的研究發(fā)現(xiàn),F(xiàn)LG也可以顯著地提高更大微米大小的硅粒子在陽極中使用的性能。因此,這種混合物可以顯著延長鋰離子電池的壽命,并提供更高的功率能力。

研究人員創(chuàng)造了一種由60%的微硅顆粒、16%的FLG、14%的鈉/聚丙烯酸和10%的碳添加劑混合而成的陽極,然后在100次充放電循環(huán)中考察了其性能(以及材料結構的變化)。

這項研究的負責人、沃里克大學WMG高級研究員梅勒妮·洛維里奇博士說:“FLG的薄片混合在整個陽極上,作用就像一組堅固但相對彈性的梁。?這些片狀的FLG增加了材料的彈性和彈性,大大減少了硅在鋰化過程中物理膨脹引起的損傷。?石墨烯增強了陽極的長程電導率,在結構穩(wěn)定的復合材料中保持低電阻。

更重要的是,這些FLG片也可以證明非常有效地保持硅顆粒之間的分離程度。每個電池充電周期都增加了硅粒子相互電化學焊接的機會。這種增加的團聚越來越減少和限制電解質進入電池中的所有粒子,并阻礙鋰離子的有效擴散,這當然會降低電池的壽命和功率輸出。沃里克WM G大學測試的混合物中存在FLG,導致研究人員假設這種現(xiàn)象在減輕電化學硅熔化方面是非常有效的。

WMG研究小組已經開始進一步研究這一技術進步,其中將包括進一步研究和研究,作為由Varta微創(chuàng)新領導的石墨烯先鋒兩年項目的一部分,Warwick大學的WMG與劍橋大學、CIC、Lithops和IIT(意大利理工學院)是合作伙伴。該項目的主要目標是推動硅/石墨烯復合材料的工業(yè)化前生產及其隨后加工成鋰離子電池,用于高能和高功率應用。作為該項目的一部分,Warwick的WMG將優(yōu)化電極研究,擴大和郵袋電池制造的優(yōu)化鋰離子電池。

 

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?石墨烯及其衍生物在骨科的應用 http://acled.com.cn/202004017062/ Wed, 01 Apr 2020 08:37:29 +0000 http://acled.com.cn/?p=7062

石墨烯及其衍生物具有獨特的物理、化學及生物學特性,如具有抗菌性,促進成骨,增加復合材料的耐磨損等,在生物醫(yī)學及組織工程領域具有極大的應用前景。主要介紹了石墨烯及其衍生物在骨科的應用及研究進展,從而為未來它們在基礎及臨床研究提供理論依據。

石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來,由一層以苯環(huán)結構(即六角形蜂巢結構)周期性緊密堆積的碳原子構成的只有一層原子厚度的二維晶體,其基本結構單元為有機材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán),它可以看做是構成零維的富勒烯、一維的碳納米管及三維的石墨和金剛石的基本結構單元(圖1)[1]。2004年,英國曼徹斯特大學的Novoselo等[2]成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,并證實它可以單獨存在。他們因此也獲得2010年諾貝爾物理學獎。由于單層石墨烯的厚度僅為0.35nm,是世界上已知最薄的新型二維材料,所以具有獨特的物理、化學及生物學特性,因此廣泛應用于藥物傳遞、抗菌、臨床檢測、抗腫瘤、生物工程等生物醫(yī)學領域[3-7]。石墨烯應用于生物醫(yī)學的主要形式是功能化石墨烯,如氧化石墨烯(GO),還原氧化石墨烯(r-GO)等。這些功能化石墨烯表面含有大量的活性基團,比如羰基、羧基、羥基及環(huán)氧基等,這些基團使石墨烯具有良好的水溶性及生物相容性[8]。本文著重介紹了石墨烯及其衍生物在骨科的應用及其相關研究,并為未來其在基礎及臨床研究提供理論依據及物質基礎。
1 石墨烯及其衍生物的生物學性能
1.1 抗菌性
中國科學院上海應用物理所黃慶課題組在2010年首先研究并報道了石墨烯在抗菌方面的研究[9]。他們的研究發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯懸液在與大腸桿菌孵育2h后抑菌率達到90%以上,其抗菌性的主要原理是基于氧化石墨烯對大腸桿菌細胞膜的機械切割破壞。同時,Liu等[10]研究發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯和還原氧化石墨烯都可以氧化細菌體內的還原型谷胱甘肽,因此認為氧化石墨烯及還原氧化石墨烯的抗菌性除了來自對細胞膜的破壞外,還可能來自其引發(fā)的氧自由基進而誘發(fā)的氧化損傷。最近幾年發(fā)現(xiàn)一種新的石墨烯抗菌機理,認為石墨烯不但可以通過接觸切割作用對細菌細胞膜進行破壞,還可以通過大規(guī)模的直接抽提細胞膜上的磷脂分子來破壞細胞膜并殺死細菌[11]。植入物的細菌感染一直是一個很大的臨床問題,這通常和生物材料表面粘附和形成生物膜有關。而Kumar等[12]將聚已內脂(poly-caprolactone,PCL)與PCL/GO,PCL/rGO,PCL/AGO(胺功能化的氧化石墨烯)進行大腸桿菌的抗菌性試驗,發(fā)現(xiàn)PCL/AGO的抗菌性最強,然后分析3種復合物的硬度、促細胞增殖、干細胞成骨分化、生物膜的抑制作用(圖2),得出AGO的作用最佳,更適合在骨科中應用
1.2 促成骨分化性
Keun等[13]將GO-Ti膜植入到大鼠缺損的顱骨中,發(fā)現(xiàn)GO-Ti膜顯著提升了全層缺損顱骨的新骨生成并且沒有發(fā)生炎癥反應。這表明GO-Ti膜可有效地刺激成骨細胞分化并且展現(xiàn)出了優(yōu)秀的生物活性。Elkhenany 等[14]利用石墨烯作為支架促進成年山羊骨髓間充質干細胞增殖、分化為成骨細胞。Aryaei等[15]證明了石墨烯不會對成骨細胞產生毒性,并且可以顯著地提高成骨細胞的粘附和增殖。
1.3 載藥緩釋性
藥物和生物活性分子可以直接轉運至細胞內,但由于機體免疫系統(tǒng),酶及其他因素的影響,通常在到達作用部位前即被降解或吸收,而有效的藥物載體可以實現(xiàn)控制釋放或緩慢釋放,減少藥物的毒副作用,提高療效[16]。
2 石墨烯及其衍生物在骨科中的應用
2.1 用于生物材料
石墨烯及其衍生物利用其獨特的物理、化學及良好的生物相容性,能與其他材料相結合構成新的復合材料。
2.1.1 羥基磷灰石(hydroxyapatite,HAP)?HAP具有特殊的生物活性、生物相容性和骨傳導性,但拉伸強度和斷裂強度較差,限制了其作為骨科材料的實際應用。以石墨烯作為增強材料,可改善HAp的力學性能,提高HA的強度[19]。Lee等[20]發(fā)現(xiàn)rGO和HAp形成的納米復合物(rGO/HAp NCs)可以提高前成骨細胞MC3T3-E1的成骨分化并且促進新骨生成。免疫印跡分析顯示rGO/HAp NCs可以顯著增加骨鈣蛋白和骨橋蛋白的表達水平。Feng等[21]建立了一種由石墨烯納米片(GNSs)-碳納米管(CNTs)-石墨烯納米片(GNSs)構成的納米三明治結構,來提高羥基磷灰石-聚醚醚酮(HAP-PEEK)支架的機械性能,原因為CNTs將兩層GNSs分隔開,增大了支架和基質間的有效接觸面積。并得出CNTs和GNSs最佳的重量比率為2:8,HAPPEEK支架的抗壓強度和系數分別增加了63.58%和56.54%,此外,將支架在模擬體液中浸泡過后,支架表面形成了磷灰石涂層,并且表面細胞都具有很好的粘附和離散性。結果表明CNTs和GNSs增強過的HAPPEEK支架在骨組織工程中可作為一種很有前景的替代物。
2.1.2 超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)眾所周知UHMWPE具有良好的耐磨性、抗腐蝕性和抗沖擊韌性,但UHMWPE的表面硬度偏低,抗蠕變性能較差,會產生聚乙烯磨屑碎片,進而引起骨質溶解,限制了其作為人工骨關節(jié)材料的使用[22](圖3)。而將石墨烯與其構成復合材料,復合材料機械性能和生物相容性均有提高[23-24]。
2.1.3 聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(poly-methyl methacrylate,PMMA)?PMMA目前廣泛用于全關節(jié)置換,但與相鄰骨不能形成很好的骨結合是它的一個顯著缺點[19]。將GO作為增強劑加入PMMA-HA骨水泥中,GO對細胞功能和力學性能的提高產生了重要作用,形成的復合材料有較好的誘導磷酸鈣層生長的能力,這樣不僅提高了材料的力學性能,還使得成骨細胞的存活率顯著提升并在水泥盤表面廣泛生長,所以加入GO的復合骨水泥能顯著增強其骨與骨之間的結合力[25]。
2.1.4 聚乙烯醇(ploy-vinyl alcohol,PVA)?PVA也具有較好的生物相容性、可降解性和機械性能,但細胞親和力很弱,所以一般都是與其他材料組成復合物植入體內。將GO加入到PVA中,不僅可增強PVA的力學性能,還有利于成骨細胞在支架表面生長和黏附[26]。
2.1.5 生物活性玻璃(bioactiveglass,BAG)?BAG能夠在植入部位形成與骨和軟組織都良好結合的HA層。在生物活性玻璃中加入石墨烯不但能增強其電導率且不損害生物活性,同時能提升其力學性能[27]
2.1.6 硅酸鈣( CaSiO3,CS)?CS是骨組織工程的生物活性材料,但在承載條件下CS的韌性較低。將GO與CS通過激光燒結等方法相結合,確實能夠增強CS的力學性能、耐磨性、硬度、彈性模量、斷裂韌性[28-30]
上述物質都為關節(jié)外科常用的材料,將這些物質與石墨烯或其衍生物相結合,可增強性能、彌補不足,為今后人工關節(jié)材料的制作和發(fā)展提供了新的選擇。
2.3 治療骨缺損
Saravanan等[33]發(fā)現(xiàn)將氧化石墨烯(GO)加入殼聚糖(CS)/明膠(Gn)制作的支架中可改進CS/Gn支架的多孔結構并使其更加接近骨的天然結構。當加入GO 濃度為0.25%時CS/Gn支架的蛋白吸附作用、生物礦化作用和可控降解作用得到顯著增強。研究發(fā)現(xiàn)0.25%GO/CS/Gn復合支架對大鼠的骨母細胞有較好的細胞親和力,可促進大鼠間充質干細胞分化成成骨細胞,并可通過增加體內的膠原沉積加速大鼠脛骨骨缺損的修復,而且沒有明顯的細胞毒性。由此可見GO/CS /Gn生物支架在骨組織再生領域有很大的應用潛力。Wang等[34]用化學氣相沉積法在鎳泡沫基底上沉積石墨烯,再旋涂聚己內酯(PCL) 及聚偏氟乙烯(PVDF),最后用氯化鐵將鎳泡沫溶解得到聚合物富集的三維石墨烯泡沫(3DGFs)。3DGFs表現(xiàn)出高導電性、高彈性、高靈活性和可操作性,可應用于骨缺損的治療等生物醫(yī)學領域。
3 總結與展望
綜上所述,盡管石墨烯及其衍生物的研究及應用仍處于初期的階段,但憑借優(yōu)異且獨特的特性成為近年來的研究熱點。石墨烯所具有的眾多特性更是使其成為生物醫(yī)學領域的重點研究對象,尤其將來在骨科具有很好的應用前景。如抗菌性可應用于骨關節(jié)外科,降低或預防關節(jié)置換術后感染的發(fā)生; 而增加復合材料耐磨性并可與生物材料相結合,可應用于關節(jié)假體增加假體的耐磨性并延長假體的使用年限; 載藥緩釋性可將石墨烯與相關藥物相結合(如抗菌、抗結核或抗腫瘤藥物等)置入關節(jié)腔或髓腔內,并且石墨烯自身便具有抗菌性,利用石墨烯的多重特性,從而達到藥物緩釋及治療目的; 促骨組織再生將來可用于治療骨缺損等。但是目前還存在許多尚未解決的問題,如石墨烯及其衍生物潛在的生物毒性,是否有良好的細胞相容性等問題需要通過進一步的動物體內及臨床試驗來研究論證。但憑借其在生物醫(yī)學及組織工程領域極大的應用前景,將來可為骨科的研究和發(fā)展提供理論依據及物質基礎。
本文來自于中國生物工程雜志, 轉載請聯(lián)系原作者
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南開大學Sihui Zhan課題組–用于水處理:基于3D石墨烯的宏觀結構 http://acled.com.cn/202003257054/ Wed, 25 Mar 2020 00:21:04 +0000 http://acled.com.cn/?p=7054 近來,由于在水處理中的巨大應用潛力,基于3D石墨烯的宏觀結構(3D GBM)受到越來越多的關注。獨特的結構特征(例如大表面積和物理互連的多孔網絡),以及出色的特性(例如高電導率、優(yōu)異的化學/熱穩(wěn)定性、超輕度和高的太陽熱轉換效率),使3D GBM成為通過吸附、電容去離子和太陽蒸餾來提純水的有前途的材料。此外,3D GBM可用作固定粉末納米材料的支架,以構建整體式吸附劑和光/電催化劑,這極大地擴展了其在水處理中的潛在應用。在此,突出了其合成和在水凈化應用方面的最新進展。闡述了剩余的挑戰(zhàn)和未來的觀點,以突出未來的研究方向。
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Figure 1. 3D GBM作為吸附劑,用于從水中去除有機污染物。ai–aiii)一滴十六烷的吸收過程,以及a-iv)GA表面上水滴的光學照片。b)rGO氣凝膠對不同有機溶劑的吸收能力,插圖:從水中吸收甲苯的過程(用蘇丹黑B染色)。c)吸附/解吸循環(huán)顯示細胞GA對正己烷具有極好的可回收性(蘇丹紅G染色)。d)不同染料的rGO氣凝膠的吸收能力。

Figure 2. 3D GBM作為吸附劑,用于從水中去除重金屬離子。a)MoS2/石墨烯氣凝膠作為吸附劑去除Hg2+的過濾器。b)用于吸附去除U(VI)的氧化石墨烯-殼聚糖水凝膠。

Figure 3. 3D GBM作為CDI電極。(a)制備的具有平面內納米孔的rGO水凝膠(NP-3DG)和(b)CDI電極的照片。c)CDI過程的示意圖。

Figure 4. 使用3D GBM構造的整體式光催化劑。a)3D P25/rGO網絡中接口處的充電行為示意圖。b)隨著時間的推移,P25(黑色曲線)和P25/rGO水凝膠(藍色曲線)光催化劑對MB的降解。插圖:光催化過程中給定時間間隔的MB溶液照片。
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Figure 5. 3D GBM作為還原Cr(VI)的電子催化劑。a)聚苯胺/GO水凝膠作為流通電極用于電催化還原Cr(VI)的示意圖。b)聚苯胺/rGO電極的水流(A)和水流(B)的速度-幅度輪廓。
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? ? ? 相關研究成果于2019年由南開大學Sihui Zhan課題組,發(fā)表在Adv. Mater.(DOI: 10.1002/adma.201806843)上。原文:3D Graphene-Based Macrostructures for Water Treatment。

 

本文來自于南開大學新聞,轉載請聯(lián)系原作者

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石墨烯應用新突破 有望實現(xiàn)高效低副作用的無創(chuàng)腫瘤治療 http://acled.com.cn/202003207051/ Fri, 20 Mar 2020 09:08:31 +0000 http://acled.com.cn/?p=7051 近日,在江蘇省石墨烯創(chuàng)新中心名譽主任、江南石墨烯研究院名譽院長、烯旺新材料科技股份有限公司董事長馮冠平先生建議下,南京醫(yī)科大學聯(lián)合烯旺新材料科技股份有限公司等單位研發(fā)出將石墨烯柔性電子器件用作腫瘤治療的新型遠紅外發(fā)生器,實驗證明,其可有效抑制腫瘤生長并延長荷瘤小鼠存活時間,未來有望應用于無創(chuàng)治療腫瘤的聯(lián)合策略。

此次成果刊登于《Advanced Therapeutics》(《先進醫(yī)療》)第3期的《基于石墨烯柔性器件的非侵入式特殊遠紅外腫瘤治療新方法》,為臨床治療惡性腫瘤帶來了全新思路和研究突破。

癌癥治療一直是世界性的醫(yī)學難題,在人體復雜的環(huán)境中對抗癌細胞,仍然存在很多未知領域。由于腫瘤細胞是向四周侵潤的,邊界模糊,傳統(tǒng)手術方式無法完全切除而又無法避免轉移;放化療法又是無區(qū)別殺傷,對身體存在副作用。如何精準找到癌細胞進行抑制,而又和正常細胞加以區(qū)分治療成了一種僵局對立,亟待醫(yī)學界去打破和解決。

南京醫(yī)科大學的俞婷婷博士和胡克博士一直致力于腫瘤治療領域,不斷探尋新方法、新思路。此次他們聯(lián)合烯旺科技等單位,采用石墨烯柔性器件即純石墨烯發(fā)熱膜,作為紅外發(fā)射源,開展基于該器件發(fā)射的遠紅外波在腫瘤治療中的應用,江蘇石墨烯創(chuàng)新中心則對單層石墨烯器件的紅外輻射輻射功率和發(fā)射率進行標定。

實驗發(fā)現(xiàn),石墨烯柔性器件發(fā)射的遠紅外波能有效抑制癌細胞生長、轉移,促進癌細胞凋亡。而在相同輸入功率下,與現(xiàn)有的碳纖維器件相比,石墨烯器件產生的遠紅外輻射能夠更強地誘導MDA-MB-231乳腺癌細胞和PC3前列腺癌細胞發(fā)生凋亡,顯著抑制MDA-MB-231細胞和LoVo結腸癌細胞形成單克隆的能力。

由石墨烯器件產生的遠紅外輻射處理后的MDA-MB-231細胞和LoVo細胞顯示出明顯被削弱的轉移和侵襲能力。另外, 除抑制腫瘤生長外,該新型石墨烯器件產生的遠紅外線還具有消炎和鎮(zhèn)痛作用,可以延長荷瘤小鼠的存活時間。相較傳統(tǒng)治療手段,基于石墨烯柔性電子器件產生遠紅外線的新型無創(chuàng)腫瘤治療策略目前沒有明顯副作用。

保定市第一中醫(yī)院主任中醫(yī)師、河北省名中醫(yī)、國家中醫(yī)藥管理局特聘中醫(yī)文化科普巡講專家任慧雅說,“石墨烯柔性電子器件的創(chuàng)新研究及應用,為腫瘤患者開創(chuàng)性提供新的聯(lián)合治療手段,具有廣闊的臨床應用前景和推廣價值,為腫瘤患者帶來福音?!?/p>

“這個工作表明,石墨烯中自由電子在電場驅動下運動、碰撞等過程產生的紅外輻射,和金屬或其他碳材料產生的輻射可能具有不同的特征,對其進一步研究可望展現(xiàn)更豐富的物理現(xiàn)象、衍生更多應用?!盨copus“青年科學之星”獎獲得者、中國科學技術大學教授朱彥武說。

“這篇工作的發(fā)表,是石墨烯應用在醫(yī)療器械方面尤其是癌癥治療和康復方面的一大突破,將對石墨烯產業(yè)發(fā)展有巨大推動作用。”江蘇省石墨烯創(chuàng)新中心主任、第六元素科技董事長瞿研說。

《Advanced Therapeutics》認為這篇論文帶來了一種高效能低副作用的無創(chuàng)腫瘤治療新策略,對腫瘤治療具有突破性的意義。

據悉,烯旺科技2019年4月臨床實驗研究發(fā)現(xiàn),通過石墨烯溫熱療法可以明顯縮小良性甲狀腺結節(jié)的最大直徑和最大橫截面面積,而另一項臨床試驗顯示其研發(fā)的石墨烯發(fā)熱護腰(護膝)對慢性腰腿痛的愈顯率高達87.8%。未來,烯旺科技將繼續(xù)聯(lián)合江蘇省石墨烯創(chuàng)新中心等業(yè)內單位及跨行業(yè)科研機構、企業(yè)堅守科技創(chuàng)新,加快石墨烯在醫(yī)療器械等各領域的應用突破。

 

本文來自于科技日報,轉載請聯(lián)系原作者

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《自然·能源》| 石墨烯電容器:比表面積vs.密度的精確調控 http://acled.com.cn/202003167043/ Mon, 16 Mar 2020 08:56:40 +0000 http://acled.com.cn/?p=7043 ? ? ? ?超級電容器,尤其是雙電層電容器,是一種在電極表面快速存儲和釋放電荷的儲電裝置。由于高比表面積的電極能提升超級電容器的儲電容量(電容),因而超級電容器電極材料需具備高比表面積。最常用的增大電極比表面積方法是將電極材料制備為多孔結構。然而,電極材料孔隙率過高會降低電極密度,并產生應用層面的問題:
(1)低密度使得電極材料蓬松,增大超級電容器體積,不利于應用于微型或便攜式電子器件;
(2)在電極中多余的孔隙會被液態(tài)電解液填充,無儲能能力,卻增加了器件質量。同樣不利于在便攜式電子設備中的應用。
? ? ? 因此,如何調控電極材料的比表面積和密度,而保留電極材料高比表面積的同時盡可能增大其密度成為超級電容器研究的挑戰(zhàn)。
? ? ? 近日,中國科學院金屬研究所李峰研究員課題組、英國倫敦大學學院(University of College LondonIvan P.Parkin教授團隊及香港大學郭正曉教授合作,發(fā)現(xiàn)通過調節(jié)氧化石墨烯(GO)和熱剝離石墨烯(EG)的含量可平衡石墨烯膜電極的比表面積和密度。實驗結果表明,含等質量的?GO和EG組裝成的石墨烯薄膜電極體積比電容超過200F/cm3,高于傳統(tǒng)多孔碳材料(如活性炭)逾兩倍。
作者們通過抽濾含有GO和EG的去離子水溶液制備了多種石墨烯薄膜電極。首先將事先制備好的GO和EG納米片分散到水中,將分散液抽濾使納米片層層堆疊(圖1a),形成自支撐膜(圖1b)。后用氫碘酸處理,將GO還原為還原氧化石墨烯(rGO)以提升電極電導率,獲得石墨烯薄膜電極。該法對于制備純rGO或純EG薄膜電極同樣適用。
1.(a)氧化石墨烯(GO)、熱剝離石墨烯(EG)及二者復合薄膜(EGM-GO)的制備流程示意圖。(b)自支撐EGM-GO薄膜實物圖。圖源:Nat. Energy。
? ? ? 通過調整GO和EG的質量比,作者們實現(xiàn)了精確調控薄膜電極的比表面積、隙孔孔徑(層間距)及體積密度。掃描電鏡圖像顯示,純rGO薄膜由于石墨烯層-層之間的π-π作用而緊密堆積,隙孔?。▓D2a)。而含50 wt.% EG的復合薄膜因EG減弱了rGO之間的吸引,維持了較大隙孔(圖2b)。隨著EG含量的增大,膜的微孔孔徑可在0.6-0.9 nm之間變化(圖2c)、比表面積逐漸增大至~600 m2/g(圖2d,黑實線)、體積密度逐漸減小至0.7g/cm3(圖2d,藍虛線)。電化學測試中,作者們采用了陽離子直徑為0.76nm的離子液體電解液EMIMBF4。因為該離子液體的陽離子大小與膜的隙孔孔徑接近,可充分利用空隙形成的活性表面積,從而增大了電極密度及電極孔的利用率(圖2e)。
2.薄膜電極結構表征。(a)氫碘酸還原的GO(rGO)膜和(b)EG-rGO復合膜(EGM-rGO,含50 wt.% EG)截面掃描電鏡圖(a、b標尺:2 μm)。不同薄膜的(c)孔徑分布及(d)比表面積和密度。(e)孔徑對孔空間利用率的影響示意圖。圖源:Nat.Energy
? ? ? 不同比表面積和密度直接影響了石墨烯薄膜電極在離子液體(EMIMBF4)中的電化學性能。隨著EG含量的提高,電極的質量比電容升高(圖3a,黑實線)(純EG除外)。但由于隙孔增大、增多,電極密度減?。▓D3a,藍虛線)。質量比電容-密度之間的這種此消彼長關系使得體積比電容在50 wt.% EG、密度為0.94 g/cm3時達到峰值,203 F/cm3(圖3a,紅實線),高出許多先前報道的石墨烯超級電容器電極(圖3b)。此外,作者們測試了含50 wt.% EG的復合薄膜電極在不同載量下的質量比電容(圖3c)。實驗結果表明,當載量從1升至15 mg/cm2(商業(yè)應用要求活性物質載量>10 mg/cm2)時,質量比電容僅下降7%。鑒于此,作者們用兩片載量為15mg/cm2的膜電極組裝了對稱超級電容器。得益于電極的高體積比電容和體積分數,該超級電容器的體積能量密度達88.1 Wh/L,比先前報道的碳基超級電容器能量密度高出近10倍(圖3d)。
3.膜電極電容儲能性能。(a)不同膜的質量比電容、體積比電容及體積密度。電容測試電流密度:1A/g。(b)EGM-rGO(含50 wt.% EG)膜的體積比電容、質量比電容及和其他電極材料電容比較。(c)EGM-rGO(含50% EG)膜的質量比電容隨載量變化趨勢。(d)使用兩張載量為15 mg/cm2的EGM-rGO(含50 wt.% EG)膜電極構成的對稱超級電容器的能量密度、功率密度及和其他器件性能比較。圖源:Nat.Energy
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石墨烯氣體通透極限的最新研究成果 http://acled.com.cn/202003137041/ Fri, 13 Mar 2020 08:43:32 +0000 http://acled.com.cn/?p=7041 3月11日,Nature?(《自然》)?在線發(fā)表了物理科學與技術學院袁聲軍教授與國內外研究團隊關于石墨烯氣體通透極限的最新研究成果。

論文題為“Limits on gas impermeability of graphene”,袁聲軍和曼切斯特大學教授、諾獎得主安德烈·海姆(Prof. Sir?Andre Geim)為共同通訊作者。

以單層石墨烯為代表的二維材料,雖然只有一個原子層的厚度,卻被認為不具有氣體和液體透過性。理論計算表明,無缺陷的單層石墨烯對氣體分子的透過性具有非常高的能壘,在常規(guī)條件下任何氣體都不能透過。如在室溫下,一個分子想要透過一張沒有缺陷的石墨烯薄膜,理論計算表明其花費的時間將比宇宙的歷史還要漫長。那么,無缺陷的石墨烯對氣體到底是不是真的不可透過?其極限到底是多少?

安德烈·海姆領銜的實驗團隊和袁聲軍的理論團隊合作,通過實驗與理論計算證實了無缺陷石墨烯的不可透過性,拓展了不可透過性的極限,并揭示了氫氣在石墨烯中的異常透過性機理。研究使用無缺陷單層石墨烯密封的小型單晶容器為實驗裝置,發(fā)現(xiàn)石墨烯對多數氣體確實具有不可透過性,其檢測精度比之前的實驗提高了8-9個數量級。在這樣超高的檢出條件下可探測每小時只有幾個氦原子的通量。并且對幾乎所有其他氣體(氖氣,氮氣,氧氣,氬氣,和氙氣),這一行為均表現(xiàn)一致,只有氫氣除外。

理論上氫分子比氦分子大,直接透過將經歷更高的勢壘,但是氫氣卻表現(xiàn)出更加明顯的透過性。對于這一反常的實驗現(xiàn)象,袁聲軍教授團隊通過對大量不同構型的石墨烯結構進行理論計算,找到了這一異常結果的主要機理:一是石墨烯上如波紋狀的自發(fā)起伏具有催化活性,可大大降低氫氣分子裂解吸附的活化能。這種自發(fā)起伏隨著溫度的升高而增大增多,氫分子裂解活化能可最低降至1電子伏以下;二是被吸附的氫原子以較低能量翻轉到石墨烯薄膜的另一側,接近質子傳遞所需要的能量。

這項研究為二維材料的氣體通透極限提供了重要的實驗數據和理論解釋,也為石墨烯的研究指明了新的方向。這樣的基礎研究,往往都將開辟一個全新的領域。

這項工作的共同作者還包括袁聲軍團隊的博士生熊文奇(武漢大學物理科學與技術學院)和博士后于進(荷蘭奈梅亨大學)。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃(2018YFA0305800)和武漢大學超級計算中心的支持。

 

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石墨烯潛的量子潛力——同時具有超導、絕緣和磁性的神奇材料 http://acled.com.cn/202003117035/ Wed, 11 Mar 2020 01:22:02 +0000 http://acled.com.cn/?p=7035

圖1.在二氧化硅/硅片上的石墨烯器件的光學圖像。發(fā)光的金屬絲連接到金電極上進行電測量。

伯克利實驗室的科學家們發(fā)掘了石墨烯作為一種可電調諧超導體、絕緣體和磁性器件的潛在才能,以推動量子信息科學的發(fā)展。

自從石墨烯在2004年被發(fā)現(xiàn)以來,科學家們就一直在尋找將這種原子般薄的2D材料投入使用的方法。石墨烯比單鏈DNA還薄,但強度是鋼的200倍,是電和熱的優(yōu)良導體,它可以符合任何形狀,從超薄的2D薄片到電子電路。

去年,由伯克利實驗室材料科學系的教授,加州大學伯克利分校的物理學教授王峰帶領的一組研究人員開發(fā)了一種多任務石墨烯器件,該器件可以從有效導電的超導體切換到可抵抗電流的絕緣體。

如今,正如《自然》雜志今天所報道的,研究人員已經利用石墨烯系統(tǒng)的特性來同時兼顧超導、絕緣和一種稱為鐵磁性的磁性,而不僅僅是兩種性質。多任務處理設備可能會使新的物理實驗成為可能,比如對更快的新一代電子電路(如量子計算技術)的研究。

圖2.納米制造過程中夾在氮化硼層之間的三層石墨烯材料的光學圖像(左),以及帶有金電極的三層石墨烯/氮化硼裝置(右)。

到目前為止,同時顯示超導、絕緣和磁性的材料非常罕見。大多數人認為石墨烯很難產生磁性,因為它通常沒有磁性。我們的石墨烯系統(tǒng)是第一個將這三種特性結合在一個樣品中的系統(tǒng)。

用電來打開石墨烯的潛在電勢

石墨烯在電子領域有很大的潛力。其原子薄的結構,加上其強大的電子和導熱性,可以在下一代電子和存儲設備的開發(fā)中提供獨特的優(yōu)勢。

問題是,如今用于電子產品的磁性材料是由鐵磁性金屬制成的,如鐵或鈷合金。鐵磁性材料,像普通的條形磁鐵,有一個北極和一個南極。當鐵磁材料被用于在計算機硬盤上存儲數據時,這些磁極點向上或向下,代表0和1——稱為位。

然而,石墨烯不是由磁性金屬制成的——它是由碳制成的。因此,科學家們想出了一個創(chuàng)造性的解決方案。

圖3.三層石墨烯/氮化硼云紋超晶格的電子和鐵磁性質說明

他們設計了一個超薄的裝置,只有1納米的厚度,有三層原子厚度的石墨烯。當夾在二維氮化硼層之間時,石墨烯層——在研究中稱為三層石墨烯——形成一種重復的模式,稱為莫爾超晶格。

通過在石墨烯器件的門上施加電壓,來自電的力量刺激器件內的電子沿同一方向旋轉,就像微型汽車在軌道上賽車一樣。這產生了強大的動力,將石墨烯裝置轉化為鐵磁系統(tǒng)。

更多的測量結果揭示了一組驚人的新特性:石墨烯系統(tǒng)內部不僅具有磁性,而且具有絕緣性;盡管有磁性,它的外邊緣卻變成了沒有阻力的電流通道。研究人員說,這種特性是一類罕見的絕緣子,稱為Chern絕緣子。

圖4.雙門控三層石墨烯/氮化硼裝置原理圖。插圖顯示了三層石墨烯與底層硼氮化層之間的云紋超晶格圖案。

更令人驚訝的是,來自麻省理工學院的合著者張亞輝通過計算發(fā)現(xiàn),石墨烯器件不僅只有一條導電邊,而且還有兩條導電邊,這使其成為第一個被觀察到的“高階Chern絕緣體”,這是三層石墨烯中強電子-電子相互作用的結果。

科學家們一直在研究一種被稱為拓撲的領域,即研究物質的奇異狀態(tài),以尋找Chern絕緣體。Chern絕緣體為在量子計算機中操作信息提供了潛在的新方法,在量子計算機中,數據存儲在量子位上。量子位可以表示1、0,也可以表示同時為1和0的狀態(tài)。

“我們的發(fā)現(xiàn)表明,石墨烯是研究不同物理的理想平臺,從單粒子物理到超導性,現(xiàn)在又從拓撲物理到研究二維材料中物質的量子相,”陳說。“令人興奮的是,我們現(xiàn)在可以在一個只有百萬分之一毫米厚的微型設備中探索新的物理學?!?/span>

研究人員希望用他們的石墨烯裝置進行更多的實驗,以便更好地了解Chern絕緣體/磁鐵是如何形成的,以及其不同尋常的特性背后的力學原理。

 

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南京大學在石墨烯三維網絡塊體材料研究中獲得重大進展 http://acled.com.cn/202003097030/ Mon, 09 Mar 2020 07:41:55 +0000 http://acled.com.cn/?p=7030 石墨烯由于其高導電性和高表面積等優(yōu)點,在電化學領域得到了廣泛應用。但是,將石墨烯組裝成宏觀塊體的電極時,片層間接觸電阻大、團聚嚴重,導致電化學性能降低。對于這些問題,學者們提出了三維化石墨烯塊體材料的概念,簡稱三維石墨烯,即以石墨烯片層為基本結構單元、具有sp2共價鍵聯(lián)結三維網絡結構的石墨烯多孔塊體材料。目前的液相組裝法、模板氣相沉積法等方法所制備的三維石墨烯,內部聯(lián)結較弱、生產效率較低、雜質較多。最近,南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院王學斌教授課題組報道了一種鋅誘導的分層碳化法,可以在低成本下高效制備優(yōu)質的三維石墨烯塊體材料,其產品稱之為鋅誘導三維石墨烯ZnG。

王學斌教授課題組曾開創(chuàng)性地使用葡萄糖等多種廉價有機物為碳源,發(fā)展出化學發(fā)泡法以制備三維筋撐石墨烯等先進泡沫材料(Nat. Commun., 2013, 4, 2905; Nano Energy, 2015, 16, 81; Bull. Chem. Soc. Jpn., 2019, 92, 245)。發(fā)泡法制備泡沫體產率較高、成本較低、結構完整性較強,但發(fā)泡過程可控性較差。王學斌課題組近來發(fā)展了鋅誘導分層碳化法——即鋅輔助的固態(tài)有機物熱解法(zinc-assisted solid-state pyrolysis,ZASP)。以葡萄糖作為碳源,以鋅粉作為分層劑;在加熱葡萄糖進行熱裂解生成焦的同時,金屬鋅蒸發(fā)滲入焦中。進一步,在表面張力的驅動下,鋅和焦的混合物發(fā)生分層,形成三明治結構;或者形象地說,鋅將焦切割成數個薄層。在后續(xù)加熱過程中,焦薄層轉化為石墨烯,而鋅揮發(fā)完畢。液態(tài)鋅徹底將焦轉化為石墨烯,在產品中沒有實心碳或大塊碳等副產物,消除了此前固態(tài)碳源熱解過程中通常存在的實心碳副產物的問題。這個過程類似高爐煉鐵中的焦炭爐襯溶損現(xiàn)象。鋅對焦的分層效應是一種新型的金屬-碳相互作用,不同于此前的金屬和碳化合反應、合金化等金屬-碳相互作用類型。故此鋅分層效應不同于通常的模板過程。此外,鋅可以催化碳化和石墨化過程;鋅還可以直接揮發(fā)并沉積在尾氣系統(tǒng)中,無需任何處理直接循環(huán)使用,不但避免了其它方法中麻煩的濕處理,而且真正實現(xiàn)了循環(huán)利用,大大降低了成本。鋅法三維石墨烯產品ZnG具有高比表面積、優(yōu)異熱穩(wěn)定性、在空氣中和在電解液中出色的電導率。該工作還演示了ZnG用作雙電層型超級電容器的電極,實現(xiàn)了卓越的能量密度、功率密度、循環(huán)壽命。此工作以“Zinc-Tiered Synthesis of 3D Graphene for Monolithic Electrodes”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上 [Adv. Mater. 2019, 31(25), 1901186]。

該工作首先研究了鋅誘導分層碳化法ZASP。在典型生產過程中,將葡萄糖和鋅粉混合、壓制成所需形狀、在惰性氣氛下加熱至1200℃,即可直接得到石墨化程度較好的三維石墨烯塊體ZnG。ZASP過程具有較高產率,ZnG產品能夠保持初始的設計外觀。ZnG是一種三維連續(xù)網絡結構,每個泡孔都與五六個泡孔相鄰,整體趨向于緊密有序排列。ZnG泡孔的孔壁為sp2單/寡原子層,平均厚度2.2 nm。在ZnG中沒有此前固態(tài)碳源熱解方法的實心筋、實心顆粒等雜質形貌。相比三維化還原氧化石墨烯3DRGO來說,ZnG具有更高的化學純度、比表面積、電導率、熱穩(wěn)定性。

該工作進一步展示了ZnG組裝的對稱型超級電容器器件。電化學測試表明,ZnG基超級電容器具有卓越的比電容(在0.5 A/g時,達到336 F/g)、最大功率密度(625 kW/kg)、能量密度(11.7 Wh/kg)、循環(huán)穩(wěn)定性(在電位窗口為1.4V時,循環(huán)267000圈;在額定電壓下,可循環(huán)超過1百萬圈)、全壽命周期儲能密度(15 MWh/kg),遠優(yōu)于傳統(tǒng)儲能器件。

鋅分層效應出人意料地創(chuàng)造了全薄膜結構的三維石墨烯,使ZASP方法從眾多制備方法中脫穎而出。產品ZnG具有高化學純度、形態(tài)純度、表面積、電導率、熱穩(wěn)定性。同時,鋅也是一種碳化和石墨化反應催化劑,是一種可在現(xiàn)場回收利用的試劑。ZASP具有良好可靠性和可控性,使用固體碳源,可以進行大量生產。生產過程無需濕處理,工藝流程與現(xiàn)有的粉末冶金、熔模鑄造等工藝設施相兼容,為大規(guī)模工業(yè)化生產開辟了道路。

圖1. 三維石墨烯ZnG的合成方法、結構、形態(tài)和拉曼光譜分析。a-c) 合成過程及光學照片;d-g) SEM、STEM、TEM圖片;h)單個泡孔孔壁——石墨烯膜的HRTEM圖;i) 拉曼光譜。

圖2. 鋅對焦的分層效應。a) TG曲線;b) 700℃中間產物的SEM及EDS mapping圖;c) 700℃中間產物的TEM圖;d) c圖樣品原位生成碳膜(在鋅背景上),即分層過程;e) EELS mapping;f-i) 分層效應示意圖;j-m) 其它類型的金屬-碳相互作用,在使用固態(tài)碳源時這些過程不能避免實心碳或大塊碳的生成。

圖3. ZnG基超級電容器的性能。a) CV曲線;b) 比電容-掃速關系;c) 在1.4V下的循環(huán)穩(wěn)定性;d) 恒電位充電-恒電流放電的端電壓變化;e) 電壓降與放電電流之比;f) 對e圖進行理論擬合得到的直流內阻及其成分;g) Ragone圖;h) 最大功率密度-能量密度的trade-off圖;i) 多種器件的全壽命周期儲能比較。

本文來自于南京大學新聞網,轉載請聯(lián)系原作者

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日本研發(fā)出石墨烯納米帶合成法 或促進計算機小型化 http://acled.com.cn/202003067027/ Fri, 06 Mar 2020 02:43:13 +0000 http://acled.com.cn/?p=7027 據日媒報道,日本名古屋大學的研究小組于日前宣布,他們成功研發(fā)出一種合成碳材料“石墨烯納米帶”的技術。據悉,該技術有可能促進計算機小型化以及高性能化。

報道稱,“石墨烯納米帶”是一種由六邊形的環(huán)狀碳分子連接而成的、納米級別的碳材料,該材料的大小可以影響導電性等性質。因此,該材料有望應用于新一代半導體,但人們一直未能找到高效的合成方法,“石墨烯納米帶”從而被稱為“夢幻物質”。

名古屋大學教授伊丹健一郎領導的研究小組讓擁有環(huán)狀結構的特定碳分子與獨家開發(fā)出的催化劑發(fā)生反應,成功地高效合成出“石墨烯納米帶”,并可通過對原料用量的調整來控制“石墨烯納米帶”的形狀和尺寸。

據報道,使用“石墨烯納米帶”的半導體與以往的半導體相比,尺寸更小,但可以發(fā)揮同等甚至更高的能力。該技術有可能促進計算機小型化以及高性能化,因此備受各方矚目。

 

本文來自于中國新聞網,轉載請聯(lián)系原作者。

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