媒体报道:只知道都教授?南科大黄教授的"墨水"能打印电容!
2015年08月20日 媒体 浏览量 :527

用纳米墨水像印刷报纸那样来打印电容,你见过吗?

黄立民教授向记者展示可用于打印电容的“神奇墨水”

南方科技大学实验室内,工作人员在制作用于实验用途的纽扣电池。

用粉末3D打印模具很普遍,但用纳米墨水像印刷报纸那样来打印电容,你见过吗?不久前,45岁的南方科技大学年轻海归教授黄立民,因在纳米领域的卓越成就,获得科学中国人年度人物称号。这位高颜值的教授,不仅是南科大的“创业元老”、树仁书院院长,还担任学校招生组组长多年,到各地为中学生作科普报告,受到许多学生的欢迎。

走进教授的实验室

今年6月26日,由《科学中国人》杂志社主办的“科学中国人年度人物颁奖典礼”在北京举行,146位科学家荣膺科学中国人(2014)年度人物。南科大化学系教授黄立民荣获化工冶金与材料领域“科学中国人2014年度人物”称号,并作为获奖人代表上台发言。评委会认为他在多个领域做出了创新性的工作,其中就包括一种“神奇墨水”———可打印的胶体纳米晶的研发。

这是一项在国际上处于前沿的科技成果。今年7月初,相关研究成果发表在英国皇家化学学会的N anoscale杂志上。该项目受到了深圳市2015年战略性新兴产业和未来产业资金基础研究项目的资助,也已经在国内外获得了专利。这到底是怎样一项突破性成果,引起学界和政府如此高的重视?日前,南都记者走访了黄立民的实验室,一探究竟。

走进黄立民教授的实验室,首先看到的是几个黑色的大家伙,像鼓风机的出风口一样,伸出黑色的塑胶圆筒。科研人员戴着手套的手,在黑色圆筒里鼓捣着。这是可进行无水无氧操作的手套箱,用来进行电池的封装,包括纳米材料合成时用于各化学原料按一定配比进行混合。这套设备价格是30万人民币。

这里有耗资40万人民币的电化学工作站,有价值100万元的阻抗分析仪、电学测量仪及探针平台,也有新鲜出炉的纽扣式电池。还有一台桌面型多功能电子显微镜,散发出红色的光,它的价值近100万元。

当然,亮点和重点所在,并不是这些昂贵庞大的实验器材,而是实验的成果。黄教授从实验室中拿出一支试管,里面有大约5毫升深红色、透明的溶液。这一瓶神奇墨水,很可能在新材料、新能源领域带来革命性的变化。“很快,我们就能用这种神奇墨水,像印报纸那样打印电容了。”

黄立民教授介绍,溶液中漂浮着大量的纳米颗粒--钛酸钡。这种听起来又专业又冷门的材料,事实上跟我们的生活息息相关。

首先,它具有高介电常数和低介电损耗,是电子陶瓷中使用最广泛的材料之一,被誉为“电子陶瓷工业的支柱”。这种化合物还有一个神奇属性,当它被迫变形时,晶子结构产生变化,会向外发电,就如同一个个小型发动机。利用石墨烯、钛酸钡等材料,可以制作植入人体的心脏起搏器。身体的震动会促发一个个纳米发动机,形成可用的电流。

5毫升“墨水”可造千个LED电容

概括而言,这是一种具有革命性的绿色合成方法。之所以说它是“绿色”的,是这种方法可以在较低的温度下,用尽可能简便的程序和最低廉的价格,合成出高分散,无聚集的纳米晶体,形成更为稳定的纳米晶胶体溶液。

黄立民介绍,合成的纳米颗粒能很好地分散在各种溶剂或介质中,形成各种稳定的纳米颗粒胶体溶液(“墨水”),又因为它是一种低温的加工过程,所以可以直接应用于各种低温的液相加工技术中,如喷涂、旋涂或喷墨打印(包括3D打印)等,特别有利于应用在柔性基体上的材料加工和柔性器件的构建。

以我们所看到的钛酸钡纳米墨水为例,它的一个重要应用是作为LE D灯的电源转换器。

与普通的白炽灯不同,LE D灯用的是直流电,从家庭电源插座到LE D灯之间,需要安装一个电源转换器。传统的转换器依赖于笨重又昂贵的变压器和易发生故障的铝电解电容器,“它们对电源的利用率在70%到80%之间,而且容易坏,很多LED灯坏掉,并不是灯本身的问题,而是转换器的问题。”黄立民说。

而钛酸钡纳米墨水打印成的塑料薄膜,可以将电路集成芯片嵌入其中,制作成高效、廉价而又小巧的驱动器。它们的电源利用率在90%以上,而且成本优势非常明显。5毫升纳米墨水成本不过数百元,但却可以打印成大约16平米的薄膜,可以满足约1000个LED所需要的电容数。

现在黄立民教授的实验室可以每批次生产200克这样的纳米材料,已经初步形成量产能力,其前景可想而知。除了用于制作LED的新型电源转换器,还可以应用于太阳能光伏发电系统的微型变流器、移动设备的电源管理和大厦内的直流配电系统。

而且,“我们不光能合成高纯度的钛酸钡,还能合成以钛酸钡为基础(包括各种取代和掺杂)的各种钙钛矿型复合氧化物纳米颗粒及其稳定的胶体溶液(‘纳米晶墨水’),它们同样具有极高的介电常数和介电强度。”在黄立民教授看来,这些神奇墨水,还可用来打印柔性电子器件(如柔性发光二极管、柔性显示器)中所需的介电薄膜层,可降低器件的工作电压,减少能耗;可打印将日常生活中的机械震动能转换为电能的纳米发电机,等等。

“学术大牛”和南科大的缘分

年轻的黄立民教授,儒雅、英俊,颇有都教授之风。

他在复旦大学获物理化学博士学位,专攻物理化学催化专业。2002年,黄教授到美国哥伦比亚大学开始从事单壁碳纳米管的研究。他利用自己最擅长的催化剂设计,成功地合成出厘米级长度的可定位定向,可自由悬空的独立单壁碳纳米管,使得哥伦比亚大学纳米中心成为世界上首批掌握该定向合成技术的研究中心。黄教授也为此先后与人合作发表了3篇Science文章,申请的美国专利2013年获得授权,2014年授权转让给一家美国企业进入产业化。

黄教授说他与南科大颇有缘分。2012年4月加盟南科大不久,学校就去筹成功,拿到教育部的“准生证”;2015年南科大研究生院正式成立。这两个日子恰好都是他的生日。

作为南科大的“创校元老”,黄立民不仅承担了化学系“物理化学”的全英文教学、编写教学大纲和培养方案的工作,也给本科生上“物理化学”和“纳米材料合成与技术”两门课。目前他已辅导毕业的2名南科大教改班学生,其中1名学生将于暑期赴美国哥伦比亚大学化工系深造,另1名联合培养的学生将在南科大进行创业。

此外,黄教授还是南科大树仁书院的院长,并连续三年担任湖北省招生组组长。三年间他走遍了湖北绝大多数的重点中学,除了进行招生宣讲外,还开展对中学生的科普教育活动,担任如“名家进校园”、“博雅讲台”等的主讲嘉宾,作科普报告累计20余次。今年又担任首次招生的重庆市的招生组长。所到之处,备受学生欢迎,是学校人气爆棚的一位“学术大牛”。

(来源:《南方都市报》2015年8月19日,采写:南都记者 庄树雄,摄影:南都记者 霍健斌)

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