理化所一三五季报

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1、理化所一理化所一三三五五季报季报 2017 年第年第二二季度季度 1 理化所一理化所一三五三五季报季报 2017 年第年第二二季度季度 突破一突破一 先进激光技术的创新与应用先进激光技术的创新与应用 概述：本方向本季度在研项目 18 项，其中新增 1 项；引进光学专业博士 1 名；共召开 7 次调度会议。 （一）本方向本季度重要进展 本季度在大功率固体激光及系统、 中红外变频固体激光和皮秒固体激光等方面取得重要进展。 （略） （二）下一步工作计划（二）下一步工作计划 下一步将继续在大功率固体激光、钠信标、中红外变频固体激光和皮秒固体激光等方面开展相关工作。 （略） 突破二突破二 液氮温区液氮温

2、区 KJ 制冷技术创新及其应用制冷技术创新及其应用 概述：本方向本季度在研项目 5 项；共召开 5 次调度会议。 （一）本方向本季度重要进展（一）本方向本季度重要进展 本季度在 20m 制冷机、型号用制冷机和小型制冷机等方面取得重要进展。 （略） （二）下一步工作计划（二）下一步工作计划 下一步将继续在 20m 制冷机、型号用制冷机和小型制冷机等方面开展相关工作。 （略） 理化所一理化所一三三五五季报季报 2017 年第年第二二季度季度 2 突破突破三三 大型低温制冷系统技术研发及工程应用大型低温制冷系统技术研发及工程应用 概述：本方向本季度在研项目 1 项，即“液氦到超流氦温区大型低温制冷系

3、统研制”项目，是中国科学院国家重大科研装备研制专项计划实施的项目之一，分为 6 个子方向。 （一）（一）本方向本季度重要进展本方向本季度重要进展 1 冷箱：冷箱： 250W4.5K 完成两轮冷箱改造， 开展换热器性能实验，验证了换热器的设计方法和制造工艺。 2500w4k 配合流程进行主流程优化， 开展 2500w4k 换热器、 冷箱的设计和优化。 针对 500w2k系统超流氦负压换热器的测试平台开展两次试验，取得了初步结果。 2集成：集成：250W4.5K 系统冷箱改造完成，进行了系统调试和性能测试， 得到初步结果， 为进一步改造提供方向和依据； 2500W4.5K系统完成廊坊园区集成三维布

4、局图的初步论证。 3流程设计：流程设计：完成了 2500W4.5K 制冷机流程与 PID 设计的内部评审，根据评审意见进行修改完善。在实验验证的基础上，解决了250W4.5K 制冷机温度测量的问题，对其改造后的性能评估起到了重要的作用。配合 250W4.5K 制冷机的改造工程，对制冷机控制系统进行了改进，完成温度计的安装和测试。 4冷压缩机：冷压缩机：与高速电机生产厂家进行技术交流，讨论电机安装工艺和动平衡测量。初步完成高速电机测试平台搭建，实现磁悬浮轴承支撑设计转速的高速电机试运行。 磁悬浮性能测试平台完成组装，正在升速调试。完成整机结构设计和传热计算，初步完成仿真模拟和优化设计，开始准备整

5、机机械制图设计。完成冷压缩机性能测试辅助冷箱的方案设计和加工投标。 5氦螺杆压缩机：氦螺杆压缩机：对 2500W4.5K 滤油器进行了零部件加工清洗处理；豪顿压缩机已经发货；冰轮压缩机开始机组组装；与进行技理化所一理化所一三三五五季报季报 2017 年第年第二二季度季度 3 术交流，确认了机组流程。 6透平膨胀机：透平膨胀机：对 250W4.5K 制冷机上的透平膨胀机进行了热力性能测试，完成了稳定性测试平台的设计和加工、氦透平膨胀机低温性能实验台升级改造的设计及气体轴承实验台的设计。 （二）（二）下一步工作计划下一步工作计划 1 冷箱：冷箱： 2500w4k、 500w2k 各子部件的设计和加

6、工， 500w2k超流氦负压换热器平台完成验收并获取关键参数。 2集成：集成：进一步改造 250W4.5K 制冷机，进行系统调试和 72小时稳定运行实验；250W4.5K 系统验收测试；进一步论证2500W4.5K 系统在廊坊园区集成的三维布局图。 3流程设计：流程设计：确定 2500W 制冷机的流程设计和 PID 参数，配合250W 制冷机的改造和验收工作。 4冷压缩机：冷压缩机：完成冷压缩机组设计和计算以及整机工程图纸，联系冷压缩机加工厂家。 高速电机测试平台和磁悬浮性能测试平台调试验收。 5氦螺杆压缩机：氦螺杆压缩机：2500W4.5K 滤油器完成组装；冰轮压缩机完成机组组装；压缩机开始

7、机组组装。 6透平膨胀机：透平膨胀机：完成 2500W4.5K 氦透平膨胀机的热力设计，完成氦透平膨胀机低温性能实验台的搭建， 完成气体轴承实验台的加工和调试工作。 突破突破四四 仿生智能超浸润界面材料体系构筑与调控仿生智能超浸润界面材料体系构筑与调控 概述：本方向本季度在研项目 51 项。召开协调会议 2 次。本季度在仿生纳米孔道能源材料与能源器件、仿生粘附界面材料、仿生微理化所一理化所一三三五五季报季报 2017 年第年第二二季度季度 4 纳米结构的构筑和加工等方面展开了系统深入的研究， 取得了一系列原创性研究成果，发表 SCI 论文 22 篇，其中包括 1 篇 Sci. Adv.、1篇

8、J. Am. Chem. Soc.、1 篇 Angew. Chem. Int. Ed.和 2 篇 Adv. Mater.。 （一）（一）本方向本季度重要进展本方向本季度重要进展 1仿生纳米孔道能源材料与能源器件：从生物体中不同形状的生物蛋白质通道入手，采用非对称化学刻蚀的方法，制备了一系列结构可精确调控的仿生固态纳米通道，其主要由大口端的锥形区域、中间的柱形区域和小口端的锥形区域等三部分组成。 通过对不同区域进行功能化修饰，改变其表面电荷性质，实现了方向可控的离子整流和大小可调的离子门控功能。进一步借助 Poisson-Nernst-Planck 方程仿真模拟， 这种通道结构和表面电荷协同控制

9、的离子传输机理得到了很好的验证，同时也为未来的应用奠定了良好理论基础(Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 8168)。此外，进一步制备了基于嵌段共聚物的超薄复合离子通道膜， 其有着亚微米级别的厚度以及超高的阴离子选择性；系统地研究了体系渗透能量转换性能与浓度梯度以及膜厚度之间的关系，当混合海水和河水时最大的能源密度可以达到 2.04 W/m2；由于该复合膜的孔利用率比较低，如果提高孔利用率，有望进一步提高输出功率； 该工作为设计高性能的盐差发电薄膜提供了新思路 （J. Am. Chem. Soc.2017, 139, 8905） 。 将基于仿生纳米孔道的能量转换拓展到

10、具有类贝壳结构的二维层状材料中(Adv. Funct. Mater.2017, 27, 1604302; Chem. Sci.2017, 8, 4381)，使用化学修饰的带有正负两种相反电荷的氧化石墨烯膜组取理化所一理化所一三三五五季报季报 2017 年第年第二二季度季度 5 代传统的离子交换膜，通过混合具有不同浓度的离子溶液，实现了0.77 W/m2的功率密度，其性能较目前主流的商用离子交换提高了 54% (Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1603623)； 其转换的能源可以来自人尿液、汗液、酸雨、工业废水、强酸/强碱和果汁等。此外，首次实现了利用仿生二维离子通道膜

11、材料可以驱动实际的用电器，包括计算器、计时器、温/湿度计、各种颜色的 LED 等。从具有(四面体/八面体) 1：1 构型的天然矿物中(如高岭石)液相剥离两面异性的二维纳米晶体，并将之组装成为功能膜材料(Adv. Mater. 2017, 29, 1700177)； 经过化学修饰得到具有 Janus 结构的二维组装单元； 抽滤后形成拥有纳米及亚纳米尺度的通道和近乎完美离子选择性的二维层状膜， 其性能媲美甚至超越石墨烯膜。 原料价格仅为 0.013 元/m2， 比石墨烯膜和商用离子交换膜低 5 个量级。原料高岭石可从矿渣中提取，变废为宝，具有经济和环境双重效益。 2 仿生粘附界面材料： 提出了一种

12、普适性的乳液界面聚合方法，通过将亲、疏水单体同时引入到油水界面体系，构筑了水（亲水单体水溶液）包油（疏水性单体）的油水界面；在聚合过程中，使聚合发生在油水界面的某一位点上， 以这一活性位点为中心进行界面优势生长。调控界面两侧水油组分，通过二元协同的效应，就可以制备拓扑结构和化学组成精确可调的各向异性聚合物 Janus 微球。这种方法为设计制备新型的聚合物材料提供了新的思路， 制备得到的各向异性微球在油水分离、固体表面活性剂、蛋白分离和细菌分离等方面展示出巨大的应用前景(Sci. Adv.2017, 3, e1603203)。 理化所一理化所一三三五五季报季报 2017 年第年第二二季度季度 6

13、 在该体系中， 疏水性的引发剂首先在油滴内部引发疏水性单体的聚合， 生成一个聚合物活性核。 当聚合物活性核运动到油水界面上时，其表面活性位点能够引发水相中的亲水单体发生聚合。 从而将聚合物活性核锚定在油水界面上，进而发生界面锚定聚合。亲水性单体和疏水性单体在界面的优先共聚， 最终形成具有亲水亲油性质的各向异性Janus 微球。通过调节亲疏水单体浓度、聚合时间可实现不同拓扑结构和表面化学的 Janus 微球的可控制备。这种方法具有非常好的普适性，可适用于各种类型的聚合反应体系，例如界面缩聚反应、离子聚合、配位聚合等。同时，基于 Janus 微球独特的月牙结构，利用其亲疏水两面性质的不同，可实现不

14、同粒径微球的分选以及细菌分离。这种方法不仅局限于各向异性的 Janus 微球的合成，还可以扩展到二维Janus 膜材料的制备，基于膜两侧性质的差异，可实现环境响应性形变 (NPG Asia Mater. 2017, 9, e380)。这种方法打破了传统乳液聚合只形成球形微球的限制，开辟了乳液聚合的新方向。 3仿生微纳米结构的构筑和加工：系统研究了双光束激光照射条件下光与银离子的相互作用， 研究发现利用单一波长的激光照射银离子溶液在柔性基底上难以得到紧致的银纳米线条， 但是两束激光同时照射条件下能够得到良好的银纳米线条。 这种柔性的银纳米线条具有良好的导电性、 可弯折性， 有望应用于新型柔性器件中 （Appl. Phys. Lett. 2017,110, 263113）