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1課題組簡(jiǎn)介

華中科技大學(xué)碳納米材料課題組是由華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院共同資助建立的。實(shí)驗(yàn)室整體面積達(dá)334平方米，于2014年底正式建造完成。

課題組成員合影

課題組致力于碳納米材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相應(yīng)制備技術(shù)的研究與開發(fā)。結(jié)合化學(xué)氣相沉積、等離子體處理、分散、鍍膜、微結(jié)構(gòu)處理等多種技術(shù)，可將一維、二維納米材料如碳納米管、石墨烯等，作為“BuildingBlock（積木）”，通過不同的結(jié)構(gòu)搭建以優(yōu)化其三維聚集體的宏觀性能，最終獲得一系列其他傳統(tǒng)材料無法比擬的特性。最近，課題組已在黏附、傳感器、能源轉(zhuǎn)換、能源存儲(chǔ)、復(fù)合材料等領(lǐng)域展示了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在性能優(yōu)化上的重要性，并將此概念推廣至更多的應(yīng)用領(lǐng)域。

2部分研究方向

（1）面向極端高低溫的結(jié)構(gòu)力學(xué)

與傳統(tǒng)材料相比，納米碳材料的C=C共價(jià)鍵提供了優(yōu)越的機(jī)械性能、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的獨(dú)特組合，這使它們成為在極端環(huán)境下構(gòu)建宏觀框架的理想組件。純納米碳材料主要通過CVD和自組裝技術(shù)生產(chǎn)，這些技術(shù)已經(jīng)顯示出各種獨(dú)特的極端環(huán)境性能，如寬溫度范圍內(nèi)的機(jī)械陽(yáng)尼特性、高溫下優(yōu)異的比電導(dǎo)率和熱變形抗力。這些特性有利于在航空航天、極地探索和其他極端高溫和低溫環(huán)境中的應(yīng)用。

納米碳基復(fù)合材料主要是通過材料熔融結(jié)合結(jié)構(gòu)和化學(xué)改性來制備的。通過將納米碳組件與基體材料結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了耐高溫、耐高壓、耐腐蝕和耐輻射的眾多實(shí)例，展示了納米碳在復(fù)雜極端環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用前景。課題組以碳納米管，石墨烯等碳納米材料作為基本結(jié)構(gòu)單元，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備具有優(yōu)異機(jī)械性能，包括粘彈性，蠕變，粘附，拉伸的宏觀碳納米材料。

（2）面向?qū)挏赜虻膬?chǔ)能

在全球變暖的挑戰(zhàn)和化石燃料的衰竭的雙重形勢(shì)下，諸如電池，超級(jí)電容器或納米發(fā)電機(jī)等電化學(xué)能量?jī)?chǔ)存以及能量轉(zhuǎn)化裝置正變得越來越重要。新材料和新結(jié)構(gòu)是這一領(lǐng)域進(jìn)步的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)電池和超級(jí)電容器材料相比，碳納米材料具有極佳的離子傳輸和電子導(dǎo)電性。它們還可以占用顆粒體積中可用的所有插層位點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高比容量和快速離子擴(kuò)散。這些特性使基于碳納米材料的電極能夠承受高電流，為高能量和高功率儲(chǔ)能提供了一種有前途的鍛決方案。

碳材料具有低成本、形式多樣（粉未、纖維、氣疑膠、復(fù)合材料、層狀、管狀當(dāng)易加工性，相對(duì)惰性的電化學(xué)，可控的孔隙度和活性位點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)。課題組致力于通過碳材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提高能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化的性能，特別是能源材料在極端條件下的應(yīng)用，例如抗沖擊能源材料及可在極端溫度下運(yùn)行的能源材。

（3）面向人體健康的診療一體化器件

診療一體化是一種將疾病的診斷和治療有機(jī)結(jié)合的新型生物藥技術(shù)，診療一體化器件的快速發(fā)展，改變了傳統(tǒng)的醫(yī)療模式，由于診療一體化將診斷和治療功能整合為一體，相比于單一的模式具有明顯的優(yōu)勢(shì)。其可在患者精細(xì)化分類及個(gè)性化醫(yī)療、藥物傳遞及實(shí)施藥物反饋等方面擁有巨大的潛力。例如，測(cè)量各種與健康相關(guān)的體征，如身體運(yùn)動(dòng)、肌肉運(yùn)動(dòng)、脈博、心臟和呼吸速率、體溫、皮膚和呼吸濕度、電生理信號(hào)（如心電圖（ECG）、肌電圖（EMG）、腦電圖（EEG）、眼電圖（OG）和胃電圖（EGG）以及生化成分（如代謝物和電解質(zhì)）），并對(duì)其信息進(jìn)行處理后給出綜合性治療建議。

與其他候選材料相比，先進(jìn)的碳納米材料如碳納米管（CNTs），石墨（包括化石（GO）和還原化石（rGO））和其他碳材料（如石墨，炭黑和天然生物材料行生的碳材料）具有導(dǎo)電性好、化學(xué)和熱穩(wěn)定性高、毒性低、易于功能化等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使其在診療一體化器件中具有巨大的應(yīng)用潛力。

4樣品展示

5團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人

徐鳴，1981年2月出生，工學(xué)博士，華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，入選國(guó)家海外高層次人才青年項(xiàng)目（優(yōu)先支持），湖北省杰出人才計(jì)劃。主要從事碳納米宏觀有序體的制備及應(yīng)用開發(fā)。2012年加入華中科技大學(xué)后創(chuàng)建“碳納米材料研發(fā)實(shí)驗(yàn)室”，確立了面向?qū)嶋H應(yīng)用所需，以性能為導(dǎo)向，以碳納米材料為載體，從材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可控制備出發(fā)，開發(fā)有明確應(yīng)用背景的新型有序碳基功能化材料及其復(fù)合材料，揭示其在苛刻環(huán)境中服役的關(guān)鍵科學(xué)問題，實(shí)現(xiàn)性能的顛覆性提升的研究思路。

徐鳴

在Science（2篇）、Nature Catalysis（1篇）、Nature Communications（2篇）等高水平雜志上發(fā)表SCI論文50余篇；授權(quán)專利21項(xiàng)（美國(guó)2項(xiàng)，日本1項(xiàng)，中國(guó)18項(xiàng)）；發(fā)展了可在-196~1000°C溫度范圍穩(wěn)定服役的超級(jí)橡膠，可在-196~1033°C服役的碳基粘附材料，可在海洋環(huán)境中服役的碳基高靈敏度監(jiān)測(cè)器及可在-60~-100°C服役的高性能碳基能量器件等系列原創(chuàng)成果：其中，-196~1000°C溫度范圍穩(wěn)定服役的超級(jí)橡膠將現(xiàn)有橡膠材料的使用溫度拓寬了上千度，獲2011年第七屆“飯島賞”，是該獎(jiǎng)項(xiàng)最年輕的獲得者；所研發(fā)的“自供電式波浪監(jiān)測(cè)及海嘯碩敏裝置”將水下壓力探測(cè)精度提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，獲2019年日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展最高獎(jiǎng)項(xiàng)-評(píng)審團(tuán)特別嘉許金獎(jiǎng)。赴國(guó)際會(huì)議作邀請(qǐng)報(bào)告10余次。

主持國(guó)家自然項(xiàng)目3項(xiàng)，地區(qū)項(xiàng)目5項(xiàng)：自主開發(fā)“催化劑活化-碳管生長(zhǎng)分離”技術(shù)，攻克宏量制備中因亂流嚴(yán)重、溫度不均而導(dǎo)致的碳管結(jié)構(gòu)不可控等難題，實(shí)現(xiàn)同批次碳管生產(chǎn)力3個(gè)數(shù)量級(jí)的提升，獲批“超純陣列式碳管可控生長(zhǎng)及產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)”并任團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人（2017孔雀團(tuán)隊(duì)）。以首席主辦者身份成功由辦了美國(guó)材料學(xué)會(huì)（MRS）碳材料分會(huì)（2015年12月，2022年5月）：第二屆先進(jìn)功能材料大會(huì)（2018年11月）：第十一屆亞洲納米材料國(guó)際會(huì)議（2021）。

參考來源：華中科技大學(xué)碳納米材料課題組

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/昧光）

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