配位键

p 　　在光能转化为电能方面，全高分子太阳能电池采用p型高分子半导体(给体)和n型高分子半导体(受体)的共混物作为活性层，与传统的无机太阳能电池相比，具有柔性、成本低、重量轻的突出优点，已成为太阳能电池研究的重要方向之一。但是，n型高分子半导体的种类和数量远远少于p型高分子半导体，因此开发n型高分子半导体材料是发展全高分子太阳能电池的核心。 /p p 　　中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室刘俊课题组，提出采用硼氮配位键(B←N)降低共轭高分子的LUMO/HOMO能级，发展n型高分子半导体的策略，并发展出两类含硼氮配位键的n型高分子半导体受体材料，其全高分子太阳能电池器件效率与经典的酰亚胺类n型高分子半导体相近。 /p p 　　该课题组首先阐明了硼氮配位键降低共轭高分子LUMO/HOMO能级的基本原理，首次将硼氮配位键引入到n型高分子半导体的分子设计中(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 3648)。进而提出了两种用硼氮配位键设计n型高分子半导体受体材料的分子设计方法：一是在共轭高分子的重复单元中，用一个硼氮配位键取代碳碳共价键，使共轭高分子的LUMO/HOMO能级同时降低0.5–0.6eV，将常见的p型高分子半导体给体材料转变为n型高分子半导体受体材料(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 5313) 二是先设计基于硼氮配位键的新型缺电子单元——双硼氮桥联联吡啶，再用于构建n型高分子半导体受体材料(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 1436)。 /p p 　　研究表明，硼氮配位键n型高分子半导体具有LUMO轨道离域、LUMO能级可调的特点(Chem. Sci., 2016, 7, 6197)。基于该独特的电子结构，在得到全高分子太阳电池器件效率6%的同时，实现了光子能量损失0.51 eV，突破了传统有机太阳能电池光子能量损失最小值0.6eV的极限，也是已知文献报道的最低值(Adv. Mater., 2016, 28, 6504)。 /p p 　　该工作获得了科技部“973”项目、国际自然科学基金、中组部“青年千人计划”和中科院先导计划等项目的资助。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201611/insimg/4e516292-452d-47ca-ae56-f629db3e32c9.jpg" title=" 1_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　长春应化所在全高分子太阳能电池领域取得系列进展 /p p br/ /p

【科学背景】应变传感器是一种关键技术，用于在多种应用中实现高灵敏度的机械感知，如人形机器人的指尖控制和皮肤贴合健康监测设备。然而，现有的应变传感器普遍依赖于裂纹生成机制，这限制了它们在灵敏度、应变范围、稳定性和时间空间分辨率上的综合性能。传统裂纹导电材料在小传感面积与高性能之间存在固有的权衡，其裂纹易于扩展并难以控制，导致传感器在应对大应变和长期稳定性方面的表现有限。为解决这些挑战，天津科技大学生物基纤维材料国家重点实验室刘阳教授、国家重点实验室主任程博闻教授、南开大学Jiajie Liang课题组联合提出了一种分子级裂纹调制策略，采用逐层组装技术在MXene和银纳米线复合薄膜中引入了强、动态和可逆的硫-银（S-Ag）配位键。这种创新策略不仅在传感器中实现了极小的感测面积（仅0.25 mm² ），同时提供了超宽的工作应变范围（0.001-37%）、极高的灵敏度（在0.001%时的增益因子超过500，在35%时超过150,000）、快速的响应时间、低滞后和优异的长期稳定性。此外，基于这种高性能传感元件，研究团队成功实现了每平方厘米100个传感器的可拉伸传感器阵列，展示了高时间空间分辨率的实际应用，如多通道脉冲信号监测系统。【科学亮点】（1）本研究首次采用分子级裂纹调制策略，在MXene和银纳米线复合导电薄膜中引入强、动态和可逆的硫-银（S-Ag）配位键。这一策略通过逐层组装技术，实现了裂纹生成和传播的精确控制。（2）实验结果表明，所制备的基于裂纹的可拉伸应变传感器（S-M/A）具有多重优异的性能特征：传感面积极小（仅0.25 mm² ），但具备超宽的工作应变范围（0.001-37%），高灵敏度（在0.001%应变下的增益因子超过500，35%应变时超过150,000），快速的响应时间（约5毫秒），低滞后和长期稳定性。此外，通过S-Ag配位键的动态调控，传感薄膜能有效地能量耗散，防止裂纹间隙的扩展，从而保持了纳米级别的裂纹结构和传感性能的稳定性。（3）这一研究突破了传统裂纹调制策略的限制，克服了传感面积和性能之间的固有权衡，为高密度、高分辨率的可拉伸应变传感器阵列的实现提供了新的思路和方法。通过高效的组装工艺，作者实现了每平方厘米100个传感器的集成，展示了该传感器阵列在多通道脉冲感测系统中的实际应用，具备优异的时间空间分辨率和监测精度。【科学图文】图1：引入S-Ag配位键到S-M/A感测薄膜中。图2：S-MXene和S-M/A薄膜的表征。图3：S-M/A传感器的应变感测性能。图4：应变感测性能比较。图5：S-M/A感测薄膜的裂纹调制行为。图6：S-M/A传感器阵列在脉冲信号测量中的应用。【科学结论】本文开发了一种基于分子级裂纹调制策略的新型应变传感器，通过引入强、动态和可逆的S-Ag配位键，有效地解决了传统裂纹型传感器中传感面积与性能之间的权衡问题。此技术不仅在传感面积极小的情况下实现了超高灵敏度和广泛的应变范围，还通过动态调控裂纹形态和能量耗散机制，提高了传感器的稳定性和可靠性。通过分子级的设计和制备过程，将有机和无机材料有效地结合在一起，为高性能应变传感器的设计提供了新的思路和方法。此外，本文展示了简便且可扩展的制造工艺，为实现高密度、高分辨率的传感器阵列奠定了基础。这种基于分子级裂纹调制的策略不仅有助于推动应变传感器技术的进步，还为未来在可穿戴设备、健康监测和智能机器人等领域中需求高精度、高稳定性传感器的开发提供了新的理论和实践基础。原文详情：Liu, Y., Xu, Z., Ji, X. et al. Ag–thiolate interactions to enable an ultrasensitive and stretchable MXene strain sensor with high temporospatial resolution. Nat Commun 15, 5354 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49787-9

【科学背景】钛碳化物（Ti3C2Tx）MXene纳米片由于其优异的机械性能和电导率，在航空航天和电子器件等领域显示出了广泛的应用前景，成为当前研究的热点。然而，将MXene纳米片有效地组装成宏观薄膜以应用于实际中却面临诸多挑战。现有的组装方法如真空过滤、刮刀涂布和空间限制蒸发法，尽管取得了一定的进展，但MXene薄膜的取向度和孔隙率仍然难以令人满意，导致其力学性能未能完全发挥。针对这些问题，北京航空航天大学的程群峰教授团提出了利用液态金属（LM）和细菌纤维素（BC）依次桥接MXene纳米片的新方法。通过此方法，LM纳米粒子有效地减少了薄膜中的空隙，而BC提供的氢键和LM的配位键显著增强了MXene纳米片之间的界面相互作用。结果表明，所制备的LBM薄膜不仅具有超强的拉伸强度，还具有优异的电磁屏蔽性能。【科学图文】图1：LBM薄膜的制备原理及表征。图2. LBM薄膜的界面相互作用表征。图3. LBM薄膜的力学性能和断裂机理。图4. 电磁干扰屏蔽效能的表现。【科学结论】本研究通过利用液态金属（LM）和细菌纤维素（BC）依次桥接钛碳化物（Ti3C2Tx）MXene纳米片，成功制备了超强的宏观LBM薄膜，为解决MXene纳米片组装中的关键问题提供了新的思路和方法。传统方法中，MXene薄膜常面临取向度不足、空隙多等挑战，限制了其在实际应用中的性能表现。LM纳米粒子的引入显著减少了薄膜的空隙率，而BC提供的氢键和LM提供的配位键则加强了MXene纳米片之间的界面相互作用，进一步提高了薄膜的应力传递效率。此外，新方法不仅改善了MXene薄膜的结构完整性，还赋予了LBM薄膜优异的电磁屏蔽性能，拓展了其在电子器件和航空航天等领域的潜在应用。这一研究不仅为MXene纳米片的可控组装提供了新的科学方法，也为其他二维纳米片材料的高效利用提供了借鉴。未来的研究可以进一步探索LM和BC在其他二维材料组装中的应用潜力，推动这些材料在能源存储、传感器和可穿戴设备等领域的广泛应用。文献信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado4257