厚度与阻氧性

当天气变冷时，我们马上就知道多穿几层衣服会让我们更暖和。简单地说，如果你想要更多的保护，你就增加更多的厚度。同样的原理也适用于气体透过率测试。经验法则是，如果你将材料的厚度增加一倍，阻隔水平也会增加一倍，相应的透过率将减少一半。厚度对渗透率的影响有多大？很少有人去了解的是，较厚的样品渗透达到平衡所需的测试时间。典型的假设是，厚度加倍就需要测试时间加倍。这是不正确的。通常情况下，每次材料厚度增加一倍，渗透率达到平衡需要4倍的时间。下面是厚度1mil和5mil PET薄膜及其渗透率水平的比较。选择这些薄膜是因为它们在短时间内WVTR达到平衡。在此示例中，1mil PET薄膜的水蒸气透过率 (WVTR) 为10.1 g/(m2 x day）。达到该值95%所需的时间不到30分钟。5mil PET薄膜的WVTR为2.17 g/(m2 x day)，需要近450分钟才能达到最终值的95%。我们通常看到，对于厚样品特别是在测量更高阻隔材料时，最后5%~10%的渗透率平衡可能需要相对较长的时间。通过测试得出结论当测试较厚材料的阻隔时，整体渗透率会成比例下降。材料厚度增加5倍，测得的WVTR从10.1 g/(m2 x day)下降至 2.17 g/(m2 x day)。 随着材料厚度的增加，需要更多的时间（超过5倍）来测试样品以达到平衡。如图所示，渗透率水平和达到平衡的时间都受到材料厚度的影响。当您优化测试条件（例如WVTR和CO2TR的流速）和测试持续时间以确保平衡值时，需要牢记这一点。适用于薄样品的标准测试设置可能会为厚样品产生不准确或过早的结果。

柔性压力传感器是得到关注最多的一类柔性传感器，在生物医学、脑机工程、智能制造等众多领域得到了应用。近日，大连理工大学研究员刘军山团队与李明教授等团队合作，独辟蹊径地提出了一种纳米工程策略，首次制造出了亚微米厚度（0.85μm）的柔性压力传感器。相关成果发表在Small上，并被选为封面文章。封面图片。大连理工大学供图柔性压力传感器通常由上下两层柔性电极层和中间的功能软材料层组成，外界压力会导致功能软材料层产生压缩变形，从而引起传感器输出信号的改变。而这种以功能软材料层压缩变形为主导的传感机理，要求电极层具有相对较大的抗弯刚度，电极层厚度一般要比功能软材料层大1~2个数量级。因此，现有的柔性压力传感器厚度只能在百微米甚至毫米量级，严重影响了传感器的轻质性、变形性和共形性。团队通过纳米工程策略，将柔性压力传感器的传感机理，由功能软材料层的压缩变形为主导，转变为柔性电极层的弯曲变形为主导，从根本上解除了对于传感器厚度的限制。并且，由于超薄的柔性电极层拥有极强的变形能力，使得传感器具有优异的检测性能。传感器的单位面积重量只有2.8 g/m2，相当于普通办公打印纸的1/29，能够承受曲率半径小至8.8μm的面外超大弯曲变形，并且能够与皮肤表面实现完全共性贴合。另外，传感器的灵敏度为92.11 kPa-1，检出限为0.8 Pa，均处于目前公开报道的最高水平。纳米工程策略可以成数量级地减小传感器的厚度，从而突破性提升传感器的轻质性、变形性和共形性，同时还能够使得传感器具有超高的检测性能，为柔性压力传感器的设计和制造提供了一种全新的思路。

近日，中科院合肥物质院刘东研究员团队和安徽理工大学唐超礼教授利用近20年卫星数据合作开展气溶胶光学厚度(AOD550)时空分布研究，研究发现：北半球气溶胶光学厚度近20年的长期变化趋势是呈小幅下降趋势，这种下降趋势在中国东南部尤其明显，且全球气溶胶光学厚度以北纬17°为对称轴分布，更多成果发表在中科院二区TOP期刊《Atmospheric Environment》上。 　　大气气溶胶光学厚度(AOD，550纳米波段的气溶胶光学厚度为AOD550)，是表征大气浑浊程度的关键的物理量。它是天气、气候和地球能量收支平衡研究中关注的重要参数，也是确定气溶胶气候效应的重要因素。通常高的AOD值预示着气溶胶纵向积累的增长，因此导致了大气能见度的降低。 　　我国科学家分析了国际地球观测系统(EOS)中的TERRA和Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)探测的近20年AOD550数据，系统地获取了全球气溶胶光学厚度的全球分布和时空变化特性。 　　研究发现：一、北半球气溶胶光学厚度近20年的长期变化趋势是呈小幅下降趋势，这种下降趋势在中国东南部尤其明显(图1)。课题组研究人员利用经验正交函数分析法EOF(Empirical Orthogonal Function)对陆地年平均全球气溶胶光学厚度分析时发现，第一模态(图2)显示近20年来中国东南部、亚马逊平原、美国东部以及欧洲-地中海-里海-非洲东北部区域的气溶胶光学厚度呈下降趋势。与之相反，亚洲北部、印度半岛、阿拉伯半岛南部和东部呈明显上升趋势。 　　二、在中、低纬度地区，气溶胶光学厚度的全球分布并不是关于赤道对称的，而是向北偏移约17°(图3)。全球气溶胶光学厚度在北纬17°达到最大值，然后向南北两极随纬度先显著减小、后逐渐变化平稳。 　　但在同一纬度地区，气溶胶光学厚度随经度的变化是不同的，在中纬度地区，气溶胶光学厚度在北半球随经度变化明显，而在南半球随经度变化平缓。在高纬度地区，南半球气溶胶光学厚度随纬度的升高而增大，北半球气溶胶光学厚度随纬度的升高而减小，并且南半球的气溶胶光学厚度随纬度变化比北半球快。 　　三、气溶胶光学厚度南北半球均呈现季节性变化规律(图4和图5)：北半球气溶胶光学厚度显著高于南半球，且最大值都出现在各自半球的春季，最小值都出现在各自半球的秋季。 　　此外，海洋和陆地上的气溶胶光学厚度季节变化差异也很明显。EOF的月平均海洋气溶胶光学厚度分析结果显示，海洋气溶胶主要是由陆地气溶胶来源主导(图6)。特别值得注意的是，南半球水域上的气溶胶光学厚度的增加与全球气候变化导致的南半球深林火灾频发有密切正相关联系，其增长速率为0.0009/年(通过了95%的置信水平下的显著性检验)。 　　四、陆地来源的沙尘气溶胶峰值出现在七月，谷值出现在一月，陆地生物质燃烧气溶胶峰值出现在九月，谷值在四至五月。另外，陆地EOF分析捕捉到了一些极端气溶胶事件(图2)，如2014/2015年强厄尔尼诺在太平洋赤道附近持续发展引起的东南亚极端生物质燃烧事件。 　　此研究利用卫星长期观测数据获得了全球气溶胶光学厚度全球经纬度分布规律和长期时空变化特性。目前科学家们正在利用数据对其时空分布变化进行更深入的分析，可以预见，气溶胶光学厚度的研究工作将为全球气候的长期变化规律分析、建立和验证全球高空大气模式等工作提供重要参考。 　　该成果论文第一作者是田晓敏博士，通讯作者是唐超礼教授，研究工作得到了国家高技术项目和空间天气学国家重点实验室开放课题基金支持。图1. 2003至2020年的年平均AOD550的空间分布图2. 陆地AOD550经验正交函数分析的前六个模式的空间分布图3. 18年(2003~2021)年平均的AOD550(蓝色点线)和其标准差(品红色线棒)随纬度(a)和经度(b)的变化曲线图4. 2004, 2006, 2008, 2010, 2012, 2014, 2016, 2018, 2020年的季节平均AOD550空间分布图5. 2003.03至2021.02的季节平均AOD550，全球(a)、南半球(b)、北半球(c)、全球海洋(d)、南半球海洋(e)、北半球海洋(f)、全球陆地(j)、南半球陆地(h)和北半球陆地(i)，北半球春季(绿色)、北半球夏季(红色)、北半球秋季(黄色)和北半球冬季(黑色)图6. 海洋上月平均AOD550的经验正交函数分析的前六个模式的空间分布