孔尺

来自德国法兰克福大学(Goethe University Frankfurt)布赫曼分子生命科学研究所(Buchmann Institute for Molecular Life Sciences)的研究人员使用摩方精密 (BMF)的微尺度3D打印机microArch® S140制造了一种微型培养皿——水凝胶微孔板(hydrowells)的模具，该微孔板可在微重力环境下用于培养3D多细胞球体。此项研究是太空多细胞球体聚集与生存实验(Spheroid Aggregation and Viability in Space, SHAPE)的一部分，该实验由德国航空航天中心(DLR)支持并将在近地轨道上的国际空间站(ISS)上进行。多细胞球体和培养细胞的水凝胶微孔板这种定制的水凝胶微孔板(hydrowells)由琼脂糖(一种多糖)制成，用于替代塑料或玻璃培养皿在微重力环境下培养多细胞球体。多细胞球体是三维的组织模型，特别适合再生医学和癌症等研究。微孔板的孔与孔之间互不连通，可助力简单扩散实现物质交换且可为细胞提供生物相容的环境。细胞悬浮在单独的微孔中生长，逐层堆叠形成多细胞球体。微孔板则可很好地规避多细胞球体生长到不可控尺寸的风险。布赫曼分子生命科学研究所参与的太空多细胞球体聚集与生存实验要求微孔板具有特殊的设计：漏斗形的入口、圆柱形的横截面以及U形/锥形或截去顶部锥形的底部。这些底部的特殊形状有利于多细胞球体的形成和长时间的细胞培养。微孔板是通过阳膜，即具有凸形的模具翻铸而成。微尺度3D打印可以实现超高光学精度、生成光滑表面、可使用高性能材料以及支持快速研发，因此，此研究中被用来制备凸模。漏斗形顶部的微孔板模具圆柱形截面的微孔板模具U形底部的微孔板模具微尺度3D打印设备和材料摩方精密微尺度3D打印机microArch® S140具有10μm的超高光学精度，所制造的零件顶部表面光洁度Ra可以达到0.4~0.9μm，侧面可以达到1.5~2.5μm。microArch® S140基于面投影微立体光刻技术(PμSL)，可以实现高的表面光洁度和精度，优于光学精度约为25~50μm的SLA立体光固化3D打印机。microArch® S140 支持多种高性能3D打印材料，同时也支持工程级的405nm波段光固化树脂。用于制造微孔板模具的材料是摩方精密的HT200树脂材料，这种材料可承受温度高达200°C，同时兼具高强度和耐用性。这些优异的性能使模具可以进行高温高压蒸汽灭菌，使微孔板免受细菌污染。经过高压蒸汽灭菌后，模具并未出现翘曲或分层。这种具有优异热学性能和机械性能的3D打印材料确保了最终产品出色的整体性。microArch® S140 微尺度3D打印机摩方精密HT200树脂材料使用HT200材料制造的微孔板模具微孔板模具的特写模具的精度，表面光洁度和高压蒸汽灭菌法兰克福大学布赫曼分子生命科学研究所的终身科学家、首席研究员——Francesco Pampaloni博士测试了用来生产微孔板的3D打印模具，他评价摩方精密微尺度3D打印的模具具有高的精度和表面光洁度，使用这种模具生产的微孔板可以培养出尺寸一致的多细胞球体。Pampaloni博士还补充道，用于制造模具的3D打印材料完全可以承受121℃和2.1bar的高压蒸汽灭菌条件，确保了微孔板的无菌环境。水凝胶微孔板有多细胞球体和没有多细胞球体的微孔板点击底部“阅读原文”了解更多有关microArch® S140和PμSL(面投影微立体光刻技术)

p 　　在物理与材料研究领域中，众多问题的解决受限于样品质量、尺寸、探测极限等因素制约而搁置，而这些问题是可以通过电子显微学方法来实现突破。近年发展起来的球差矫正等先进电子显微学方法，为在纳米乃至原子尺度对众多物理量及其耦合关系的测量与表征提供了可能，也为实现性能调控的纳米尺度结构设计提供了依据。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/a8bbe64e-d38a-46f2-b984-3ba9190a2d19.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" width=" 450" height=" 325" border=" 0" vspace=" 0" style=" width: 450px height: 325px " / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 田鹤老师科研工作照 /span /p p 　　众所周知，大多数材料在温度变化时呈现热胀冷缩的性质，而有一类特殊的材料因其在温度变化时体积基本保持不变，被称为零膨胀材料。一直以来，零膨胀材料因其在高精度仪器、极端条件元器件等方面极具应用价值而备受关注。然而，目前发现的零膨胀材料仍非常稀少，设计制备宽服役温度范围、低膨胀系数的零膨胀材料是该领域的核心目标。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/84763b66-77b5-492c-be61-1be8b29b18d9.jpg" title=" 2.jpg" alt=" 2.jpg" width=" 600" height=" 281" border=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 281px " / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 研究图a /span /p p 　　针对这一问题，张泽院士带领下的田鹤团队进行了系统的原位实验及微结构研究，表明铁电材料中，封闭介孔内存在着正负铁电极化表面，这些表面分别由氧离子、氧空位的聚集而被屏蔽。这一特殊的自发铁电极化屏蔽机制使得介孔微区附近的铁电性消失，从而显示出正膨胀性能。这一特性与钛酸铅本征的负膨胀性质相协同，从而使单晶介孔钛酸铅纤维表现出零膨胀的特性。成功将大量纳米尺度的封闭介孔引入到单晶钙钛矿钛酸铅中，这有效地调制了热膨胀性能，其晶胞体积在极宽的温度范围内基本保持不变。这一研究揭示了铁电体内部表面微结构的构建及其铁电极化屏蔽机制对材料热膨胀性能起到了显著调控作用，为设计、制备性能优异的新一类单相零膨胀材料提供了新思路。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/45816567-b796-4776-9c9f-f02335703bfd.jpg" title=" 3.jpg" alt=" 3.jpg" width=" 600" height=" 455" border=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 455px " / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 研究图b /span /p p 　　另一方面，由于尺寸、表面和界面效应以及量子效应等因素，材料中的有序结构，如铁磁有序、铁电有序等，通常在极限尺寸下被显著抑制。由于长程有序的尺寸限制，到目前为止，在室温下实现具有垂直于表面极化的原子厚度铁电薄膜仍然是一个艰巨的挑战，严重制约了高密度非易失性存储器件的发展与小型化。针对这一问题，我们团队利用球差矫正电子显微镜，在一个单位晶胞厚的BiFeO3薄膜中直接观察到了面外的强自发极化，并且实现了高达370% 的隧道电流变效应。这一发现证实了BiFeO3薄膜中的铁电临界厚度可以通过结构设计以实现突破，这对于高密度数据存储显示出巨大的应用前景，将为铁电基器件的小型化突破开辟可能性。 /p p 　　借助先进电子显微学方法，在纳米乃至原子尺度对众多物理量及其耦合关系进行研究的能力，可以为探索材料性能与微结构关系提供依据，为设计、优化功能性材料特性，实现纳米尺度结构设计调控宏观性能提供新的途径。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/59832007-ec42-4212-85c3-242933457bcf.jpg" title=" 4.jpg" alt=" 4.jpg" width=" 600" height=" 275" border=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 275px " / /p p 　　在此工作基础上，田鹤负责的“实现性能调控的纳米尺度结构设计”成功入围浙江大学“2018年度十大学术进展评选”活动。以下为该项目具体情况： /p p 　　 strong 项目名称 /strong ：实现性能调控的纳米尺度结构设计 /p p 　　 strong 申报单位 /strong ：材料科学与工程学院 /p p 　　 strong 负责人 /strong ：田鹤 /p p 　　 strong 项目简介 /strong /p p 　　在过渡族金属氧化物这类强关联电子体系中，电子表现出的不仅是电荷，还有自旋、轨道这些复杂的属性，相互耦合诞生了如高温超导、庞磁电阻、多铁性等诸多具有重要应用前景的特性。但对电荷、轨道、自旋间的耦合关系，及其有序性与晶格的耦合、相互作用理解的依然不足，制约了对此类功能性材料性能有效调控的探索。 /p p 　　项目的主要特色是摆脱性能测试宏观、平均的限制，在纳米乃至原子尺度通过对各物理量间耦合关系的研究，直接构建微观结构对宏观性能的影响。通过纳米尺度结构设计，探索调控宏观性能的途径，为设计新型的功能性材料与器件提供了新的机遇。证实了针对性纳米尺度结构设计，对宏观性能的有效调控。成功研制了一种具有宽温度服役范围(低温、室温与高温区)的单相零膨胀系数材料，为航天、航空等领域，精密载荷关键部件的高精度、高稳定性需求提供了新的解决方案 在常温下实现了具有原子级别厚度，面外铁电极化的高密度纳米器件，打破了铁电薄膜临界厚度的认知。 /p p 　　 strong 项目团队 /strong /p p 　　张泽院士领导的田鹤团队利用自主发展的电子显微学方法，在纳米乃至原子尺度对各物理量间耦合关系开展研究，有针对性的探知耦合本质与性能的依存关系，并探索性能调控的途径。揭示了在铁电材料内部，引入纳米尺度极化表面，对单相铁电材料宏观热膨胀行为调控的物理机制。与浙江大学韩高荣、任召辉团队合作，设计并制备出一种PbTiO3单相铁电介孔零膨胀系数材料 创新提出了一种调制铁电材料热膨胀系数的新途径，为设计、制备性能优异的单相零膨胀材料提供了新思路。(Nature Communications, 9 (2018) 1638 )进而，发现了晶格调控可突破极限尺寸对铁电极化的抑制作用。与新加坡国立大学陈景生团队合作，实现了四方相BiFeO3薄膜在室温二维极限尺度下的铁电序 证实了极限尺度下(一个单胞厚)的BiFeO3薄膜，所具有的超强铁电性与自发的面外极化 揭示了铁电极化产生、稳定和转化的物理机制 奠定了其作为高密度非易失性存储器的科学基础。(Nature communications 9 (2018) 3319) /p

本期预览 本文利用BAC-420A大型电池绝热量热仪对锂金属负极固态电池进行绝热热失控实验，评估该电芯的热稳定性和热失控危害。前言随着电动汽车的大规模发展，现有锂离子电池体系已不能满足日益增长的续航里程需求，亟须发展更高能量密度的电池体系。在众多的电池材料体系中，层状过渡金属氧化物-石墨负极体系的理论能量密度极限约为300Wh/kg。将纯石墨负极替代为硅基合金，则能量密度理论上限可提升至约400Wh/kg。而金属锂负极具有最低的电位和最高的理论比容量，被认为是电池负极材料的终极选择，锂金属电池能量密度的理论上限可达500Wh/kg以上。然而锂金属负极在传统液态电池体系中难以实现，金属锂和电解液界面副反应多，且负极容易产生锂枝晶，不满足电池循环寿命和安全性要求。将液态电池的电解液与隔膜替换成固态电解质所组成的全固态电池，被认为是解决锂金属负极应用的有效途径。固态电解质稳定性高、不挥发、不泄漏，并对金属锂具有良好的兼容性，因此锂金属全固态电池有望在实现高能量密度的同时解决锂电池本质安全问题，并且还具有成组效率高和模组结构简单等优势，因此中国在国家层面已明确提出了对固态电池的研发和产业化进程要求。图1 液态和全固态锂离子电池结构差异虽然目前固态电池仍然处于商业化早期阶段，但国内许多厂商的产品已接近量产状态。本文利用BAC-420A大型电池绝热量热仪对某厂商提供的锂金属固态电池样品进行绝热热失控实验，以评估固态电池的安全性。实验部分1. 样品准备电池样品: 锂金属全固态锂电池(20Ah)，满电。2. 实验条件实验仪器：BAC-420A大型电池绝热量热仪、电池充放电设备；实验模式：HWS-R模式、温差基线模式；记录频率：1~100Hz；自放热检测阈值：0.02℃/min；热电偶固定位置：电池大面中心点（样品热电偶）、正负极耳。实验结果1. 绝热热失控曲线图2 锂电池热失控温升曲线及温升速率-温度曲线锂金属固态电池的绝热热失控曲线如图2所示，可以发现该电芯的热稳定性与常规的液态高镍三元电芯类似，但热失控剧烈程度明显更高。锂金属固态电池的热失控过程表现出如下的特征：1. 自放热起始温度Tonset低：Tonset温度为74.42℃，与常规三元电芯相当甚至略低。通常认为固态电解质与正负极界面的热力学稳定性要优于液态电池内的SEI膜，因此固态电池的Tonset温度理应较高。上述现象有待明确电池体系后进行进一步探究。2. 热失控起始温度接近锂金属熔点：热失控起始温度TTR约为180℃，该温度下锂金属负极熔化，电解质与熔融锂金属发生界面反应，产生的氧气会诱发锂金属发生剧烈氧化反应，导致热失控发生[1]。根据图2b，到达TTR之前电芯升温速率出现明显下降，与负极熔化过程相对应。3. 热失控剧烈程度显著高于液态电池：该电芯的热失控最高温度Tmax无法有效测定。这是由于热失控瞬间，用于温度采样的N型热电偶迅速发生熔断。考虑到采用的N型热电偶的熔点为1330℃，因此该电芯的Tmax明显超过三元9系液态电池的数值（1100-1200℃）。针对该电芯的检测需求，后续需更换熔点更高的铂基热电偶。同时，估算该电芯热失控瞬间的温升速率达到50000℃/min以上，超过目前已知的所有液态锂电池。图3 样品锂电池热失控过程监控视频另外，从热失控瞬间的监控画面可以看到，该固态电池的热失控爆燃持续时间短，爆炸冲击威力大。随着能量密度的提高，电芯热失控能量释放速率也显著增大。实验结论本次实验利用BAC-420A大型电池绝热量热仪对某型号的锂金属负极固态电池进行了绝热热失控特性评估，相关实验数据表明该电芯的热稳定性与液态高镍三元电芯相当甚至略低，同时热失控剧烈程度明显高于已知液态电池，因此针对该电芯应制定更为严苛的热管理策略。引用文献[1] Vishnugopi B S , Hasan M T , Zhou H , et al. Interphases and Electrode Crosstalk Dictate the Thermal Stability of Solid-State Batteries[J]. 2022..