新春新气象，奋进正当时。近日，深圳校区科研团队脚步“不停歇”，一起来看看，他们取得的创新成果吧！

高性能热电器件领域

　　近日，材料科学与工程学院张倩教授团队在高性能热电器件领域研究取得重要进展，提出了一种基于CALPHAD（CALculation of PHAse Diagram）方法与纳米银低温烧结技术的热电器件全链条制备方案，突破了热电器件连接瓶颈。该研究成果以“CALPHAD accelerated design of advanced full-Zintl thermoelectric device”为题发表于《自然•通讯》(Nature Communications)上。

　　热电器件可以实现热能与电能之间直接相互转换，是一类重要的能量转换器件。接触层是热电器件的重要组成部分，在热电材料和金属电极之间起到隔离、防止扩散的作用。目前接触层材料的设计选择主要基于实验法，即通过重复实验或高通量实验制备多种异质界面、筛选可用的金属元素或者合金。

　　然而，这类试错法筛选范围有限、耗时耗力，难以形成指导理论推广到其他热电材料体系中。而基于密度泛函理论计算筛选接触层材料的方法，由于仅描述材料在理想状态下的性质，与实际应用往往存在较大差异。

　　CALPHAD方法不同于密度泛函理论相图计算，是基于热力学理论建立材料体系各相的Gibbs自由能模型，通过拟合实验、第一性原理计算以及经验公式获得的不同类型数据来优化模型参数，最终为多元多相材料构建完备的热力学数据库。采用CALPHAD方法获得的热力学数据库可以准确描述宽成分、温度和压力范围内的热力学性质，由此获得的平衡相图能够广泛地指导新型接触层材料的设计与研制。

　　针对上述研究现状，张倩教授团队提出基于CALPHAD方法筛选热电器件接触层材料的策略，阐明了两相平衡区域与热电接头界面结构的对应关系。以Zintl相器件为例，团队成功应用CALPHAD技术建立了Mg-Ni-Sb三元系热力学数据库，筛选出在服役温区内（室温至773 K）与n型Mg3Sb2基材料平衡共处的Mg2Ni作为接触层材料。采用低温纳米银烧结工艺制备的n型单腿Mg3Sb2基器件的效率可达13.3％。在673 K下时效处理800 h后界面形态、界面接触电阻及连接强度均无显著变化，与p型YbZn2Sb2基材料组建的全Zintl相热电器件在430 K的温差下获得了11%的发电效率（为目前全Zintl相器件最高值）。该策略旨在建立热电材料体系完善的相图热力学数据库，极大地拓展了热电器件接触层材料的研究范围，简化了热电器件的开发周期，对于热电领域的发展具有重要意义。

　　该论文第一完成单位为哈工大深圳校区，博士后尹力为第一作者，博士后李孝芳为共同第一作者。张倩教授为本文唯一通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科技计划等项目的支持。

　　图1 高性能Zintl相热电器件的设计与制备。（a）构建Mg-Ni-Sb多元计算相图筛选接触层材料，（b）热电器件的结构示意图，（c）引入纳米银低温烧结技术实现器件的低损耗连接，（d）在不同温度下转换效率对比，（e）在热循环工况下的转换效率稳定性，（f）原料成本与最优转换效率对比

化学驱动微马达

　　在油水界面显著加速的反常现象

　　日前，材料科学与工程学院王威教授团队在《美国化学会会志》（Journal of the American Chemical Society）发表题为“Chemical Micromotors Move Faster at Oil–Water Interfaces”的论文，揭示了化学驱动微马达在油水界面显著加速的反常现象。

　　制造能够在微纳米尺度自主游动的机器人是纳米技术发展的终极目标之一。微纳机器人的核心组件是能够将环境中储存的能量转化为动力的微马达。微马达有两类主要的能量来源：一种是化学燃料释放的化学能，另一种是环境中的声、光、电、热、磁等能量。利用化学反应驱动的微纳米机器人因其能随时随地从环境中提取燃料、无需外界供能而在复杂的环境中具有独特优势。界面是一种在自然界与人工环境中大量存在的复杂环境，微纳米机器人在生物诊疗、环境监测等应用场景中常常涉及油和水组成的液液界面，这样的界面处化学成分、电学性质、流体力学环境等与油或水的体相都不同。目前，对于微马达在这样界面的实验研究非常稀少，且未能揭示马达的行为与在普通的固液界面上的区别。

　　王威团队研究发现，相较于实验室常见的液固界面，化学驱动的微马达在油水界面能够加速3-6倍，在某些情况下甚至能加速10倍以上。而且在多种马达和多种油的实验中都发现了这样的加速现象。更精细的实验表明，马达运动时并没有嵌入油水界面内，而是紧紧贴着界面、漂浮在水层内。此外，研究发现，这种加速现象一旦远离界面就消失了。

　　化学驱动微马达在油水界面显著加速

　　通过对实验现象分析总结，本文提出了5种可能的加速原因，通过一一验证、排除，最终保留了一个最可能的原因：化学反应在油水界面会加速，从而使马达变快。实验结果表明，化学反应在油水界面上加速，但具体加速的原因仍待今后工作厘清。有趣的是，除了利用反应加速来理解马达为什么动得更快，也可以反过来，利用马达速度来作为探针，监测界面处反应速率，从而提供一种原位、可视的测量复杂环境中化学反应速率的方法。

　　化学微马达在油水界面的化学反应速率加快

　　本文报道了化学驱动微马达在油水界面的异常加速现象，揭示了微马达与环境之间复杂的物理化学相互作用，从而为微纳马达在复杂环境中的实际应用打下了基础，也为油水界面处化学反应加速提供了实证，并发展了一种利用马达作为探针的测量界面反应速率的方法。该研究充分展示了微马达丰富的研究内容与多学科交叉的特点，有力地推动了微纳马达的理论和应用发展，也为仿生材料、活性物质、微纳机器人等领域发展提供了新思路。

　　本文第一作者为材料科学与工程学院博士研究生刘佳钰，通讯作者为材料科学与工程学院教授王威，合作者为材料科学与工程学院教授马星及实验与创新实践教育中心实验师况婷。该工作得到国家自然科学基金优秀青年基金和深圳市科技计划等项目支持。

　　文 | 材料科学与工程学院

　　金宝搏188入口 林剑 通讯员 谢梁晖