二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物(MXenes)已成为二维材料中一个新兴的热点领域。MXenes材料具有优异的电子传递性能、出色的光热转换性能、较高的比表面积、良好的生物相容性和低毒性等特点, 在肿瘤诊疗中显示出良好的应用前景。本文简要总结了MXenes的制备方法, 包括氢氟酸法、氟盐法、熔融盐法、碱辅助水热法和化学气相沉积法, 及其稳定性、机械性质、光学性质和电学性质。重点综述了MXenes在肿瘤诊疗中的应用, 包括光热治疗、多模式联合治疗、构建MXenes表面介孔材料的联合治疗和MXenes主动靶向联合治疗, 以及建立MXenes诊断-治疗一体化平台。最后简要介绍了MXenes可能辅助肿瘤诊疗的其他特性及其应用, 并阐述了MXenes在肿瘤诊疗中存在的挑战以及未来发展前景。

电卡效应是指电介质材料中由于施加或去除电场导致的材料温度变化的现象, 包括正电卡效应和负电卡效应两种类型。电卡效应作为一种高效率、无噪音、环境友好的制冷效应, 在固态制冷特别是集成电路制冷领域显示出广阔的应用前景, 在过去的几十年中吸引了科研人员广泛的研究兴趣。研究表明, 通过结合正负电卡效应, 可以显著提高电卡效应的制冷能力。与正电卡效应不同, 负电卡效应因其独特的物理起源, 调控手段极为有限。本文以负电卡效应为中心, 重点介绍反铁电材料中负电卡效应的最新研究进展, 具体内容包括以下四个部分: 首先, 从电卡效应的研究历史出发, 介绍了电卡效应的制冷原理, 介绍了一个典型的能将正、负电卡效应结合的双制冷循环; 其次, 介绍了基于Maxwell关系的负电卡效应间接测试方法, 以及几种负电卡效应直接测试方法, 并讨论了不同方法的适用条件和优缺点; 再次, 以典型的负电卡效应材料——反铁电材料为例, 着重介绍了负电卡效应的物理起源, 综述了反铁电薄膜和反铁电块体材料中的负电卡效应, 并对其它铁电材料中的负电卡效应做了简要介绍; 最后, 对负电卡效应的研究进行了总结和展望。

在氧化石墨烯(GO)膜通道内引入离子化基团, 可通过静电作用吸附更多的水分子, 有望实现更高效的水分子渗透。研究采用真空抽滤方法将离子化的碱性氨基酸赖氨酸(Lys)引入GO膜内, 通过共价交联制备出 Lys(Na⁺)-GO复合膜。赖氨酸分子两端的氨基与GO可交联形成C-N共价键, 从而对膜结构进行调控使其更加规整有序, 并将离子化羧酸根引入氧化石墨烯通道中。相比于未离子化的赖氨酸, 离子化的赖氨酸中荷负电的羧酸根通过静电作用提高了与水分子的作用力, 增强了膜的亲水性。通过物理结构和化学结构调控的协同作用, 面向不同的水/醇分离体系, Lys(Na⁺)-GO复合膜的渗透通量和分离因子得到同时提升。在40 ℃下, 对质量分数90%的乙醇/水、正丁醇/水以及异丙醇/水体系进行渗透汽化测试, Lys(Na⁺)(10)-GO膜(抽滤溶液中Lys(Na⁺)与GO的质量比为10)的渗透通量分别达到882、2461和1127 g/(m²·h), 渗透侧水的质量分数分别达到95.38%、99.11%和99.42%。

随着全球核能的开发利用, 铀已成为土壤、地表水和地下水的常见污染物, 从含铀废水中去除铀(VI)已成为迫切需要。本工作以氟化钙、焦磷酸钙、氢氧化钙为反应原料合成氟磷灰石, 系统研究了其对铀(VI)的去除性能并采用不同测试手段对吸附铀(VI)前后的氟磷灰石进行表征, 揭示了其相关去除机理。结果表明: 在温度为308 K, pH=3, 固液比为0.12 g/L, 平衡时间为120 min, 初始铀浓度为100 mg/L的条件下, 氟磷灰石对铀(VI)的吸附容量可达655.17 mg/g, 其吸附过程符合准二级动力学和Langmuir等温吸附模型, 且为自发和吸热过程。氟磷灰石对铀(VI)的去除机理为表面矿化, 吸附铀(VI)的氟磷灰石表面产生了新相准钙铀云母[Ca(UO₂)₂(PO₄)₂·6H₂O], 准钙铀云母在pH≥3水溶液中能保持较高稳定性。因此, 氟磷灰石可以作为一种有前景的矿化剂, 用于含铀废水的净化和固体化处理。

以能源开发(如光解水制氢)及环境保护(如有机物降解)应用为目标, 负载型贵金属催化剂在设计、制备及理论研究方面已取得了长足的发展。本工作以具有特异形貌及结构的树枝状二氧化硅纳米球载体为基础, 通过溶胶-凝胶法在其孔道引入二氧化钛纳米颗粒形成硅钛杂化结构。通过有机改性技术, 在树枝状硅钛杂化纳米球表面接枝氨基官能团。然后, 通过浸渍法和硼氢化钠还原手段, 在杂化纳米球孔道负载超细金纳米粒子。不同手段表征结果显示实验成功制备了树枝状硅钛杂化纳米球负载金纳米颗粒复合材料。在模拟太阳光下, 所得催化剂光解水产氢量及速率为69.08 μmol·g^-1和13.82 μmol·g^-1·h^-1, 约为对比样催化剂(树枝状二氧化硅纳米球负载金纳米粒子)的7倍。在无光条件下, 其降解对硝基苯酚的表观动力学常数为6.540×10^-3 s^-1, 约为对比样的17倍(0.372×10^-3 s^-1)。由此可见, 设计合成的新型催化剂展现出优越的多功能催化活性。

超细亚化学计量比过渡金属氧化物纳米材料的可控制备具有重要应用价值, 但其可控合成仍存在挑战。本研究提出了基于碳纳米管的限域空间合成法, 首先采用溶液法将四硫代钨酸铵((NH₄)₂WS₄)填充至碳管内, 然后真空热分解反应制得产物。通过表征发现: 碳管内限域生长的主要产物为一维亚氧化物W₃O₈纳米线, 其典型线宽为1.23~1.93 nm, 对应4~5列钨氧原子链, 长度可达数十微米。W₃O₈纳米线与碳管内壁之间主要为范德华力相互作用(间距约0.35 nm), 为分离及表征W₃O₈纳米线的本征特性提供了方便, 该方法也有望应用于合成其他亚化学计量比的一维过渡金属氧化物纳米线。

研究针对不同服役环境下2D SiC/SiC复合材料的电阻率特性进行了研究。从1300 ℃降至室温的无氧环境中, 复合材料的电阻率随温度降低而增大; 借助曲线拟合, 建立了电阻率与温度之间的映射关系。在1300 ℃空气环境中氧化20和60 h后, 由于PyC界面层和SiC基体的氧化, 复合材料的导电性显著降低; 以SiO₂的含量定量表征氧化程度, 建立了电阻率与氧化损伤之间的映射关系。复合材料的电阻率和应力随应变的变化趋势相似, 电阻率变化率和刚度随应变的变化趋势相反。在线性阶段, 基体开裂数量极少, 刚度几乎不变, 电阻率缓慢增大; 在非线性阶段, 基体开裂数量增加较快, 造成刚度降低, 电阻率快速增大; 后半段的基体裂纹数量缓慢增多, 刚度和电阻率变化率趋于平稳。

骨修复支架在植入缺损处后出现的炎症与氧化应激有关, 其中过氧化氢(H₂O₂)浓度过高是引起氧化应激的主要原因之一。二氧化锰(MnO₂)能够通过催化分解H₂O₂来消除植入物周围环境过量的H₂O₂, 同时催化H₂O₂分解产生的氧气(O₂)能够缓解骨缺损处因血供不足而导致的缺氧环境, 从而有利于骨组织再生与骨缺损修复。本研究采用简单的氧化还原法在3D打印制备的生物活性玻璃(BG)支架表面原位沉积MnO₂颗粒, 得到BG-MnO₂复合支架(BGM), 赋予BG支架清除H₂O₂的同时提供O₂的能力。研究结果表明, BGM支架表面沉积MnO₂含量随反应溶液中高锰酸钾浓度升高而增加, 其抗压强度随MnO₂含量增加而增强, 但这些支架的孔隙率和降解速度基本保持不变。更为重要的是, BGM支架能够在H₂O₂环境中持续催化分解H₂O₂产生O₂, 当不同Mn含量的BGM (BGM5和BMG9)支架在浓度为2 mmol/L的H₂O₂溶液中催化分解H₂O₂产生的O₂能使溶液中饱和氧浓度分别达到8.4和11 mg/L。细胞实验结果表明, BGM支架对骨髓间充质干细胞的增殖和碱性磷酸酶活性有一定促进作用。因此, BGM支架在骨组织修复领域具有较大的应用潜力。

封闭牙本质小管能有效减轻牙齿过敏症。本研究以不同粒径的微纳米生物活性玻璃球(MNBGs)为分散质、海藻酸钠-磷酸盐缓冲溶液为分散液, 制备了用于牙本质脱敏治疗的MNBGs糊剂(MNBGP)。在牙本质切片表面进行体外矿化并系统评价了糊剂与牙本质的结合性能, 以及糊剂体外诱导牙本质再矿化、封闭牙本质小管的能力。研究结果表明, 不同粒径MNBGs制备的糊剂均能与牙本质界面紧密结合, 粒径较小的MNBGs在脱矿牙本质切片表面分布更加均匀。MNBGP在人工唾液(AS)中能较好地诱导牙本质再矿化形成磷灰石(HA)以堵塞封闭牙本质小管, 脱矿牙本质切片表面形成的HA 层随矿化时间延长而增厚, 矿化28 d HA层的厚度可达到5~10 μm。MNBGs的尺寸影响其诱导牙本质再矿化的效果, 当颗粒大小与牙本质小管直径匹配时, MNBGs可以更好地封闭牙本质小管。因此, MNBGP具有良好的治疗牙本质过敏的应用前景。

发光材料在机密信息保护与防伪领域中发挥着重要作用。钙钛矿纳米晶作为一类高效低成本发光材料可通过两步法原位转换获得, 使其在信息加密、解密领域极具应用前景。本研究探索了“不可见”铅有机框架和发光MAPbBr₃钙钛矿纳米晶间的可逆转换, 以及它们在荧光打印信息存储中的应用。通过铅离子与2-甲基咪唑配位构建新型金属有机框架, 实现铅离子限域分布, 在此基础上通过与甲胺溴原位反应生成钙钛矿纳米晶。利用金属有机框架在可见/紫外光下无光响应的特性, 通过墨水打印对信息进行加密存储。加密信息经甲胺溴喷雾处理, 引发原位反应生成钙钛矿纳米晶, 在紫外光下表现出强光致发光特性, 实现信息解密。利用甲胺溴和水作为解密和加密试剂可实现荧光的多次循环显示与消除。

以Cu-2.67Ni钎料, 采用钎焊工艺获得了SiC/SiC复合材料-哈氏合金异质接头, 并研究了其在800 ℃的FLiNaK熔盐中的腐蚀行为。利用不同手段表征了接头微观结构和氟熔盐腐蚀行为。结果表明, Ni、Cr、Mo等合金元素以及SiC中的Si元素发生互扩散。Cr元素替代Ni元素, 在焊料-复合材料界面富集并形成不连续碳化物层。高温钎焊加速Ni扩散并侵蚀SiC, 低温钎焊导致焊料熔融不充分。钎焊过程中的元素扩散改变了哈氏合金的组成,导致其耐腐蚀性能恶化。Cr与Si的选择性溶出导致钎焊接头及合金的腐蚀损伤, 这与热力学计算结果一致。

构建多孔碳化硅纳米线(SiCNWs)网络并控制化学气相渗透(CVI)过程,可设计并获得轻质、高强度和低导热率SiC复合材料。首先将SiCNWs和聚乙烯醇(PVA)混合,制备具有最佳体积分数(15.6%)和均匀孔隙结构的SiCNWs网络;通过控制CVI参数获得具有小而均匀孔隙结构的SiCNWs增强多孔SiC(SiCNWs/SiC)陶瓷基复合材料。SiC基体形貌受沉积参数(如温度和反应气体浓度)的影响,从球状颗粒向六棱锥颗粒形状转变。SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料的孔隙率为38.9%时,强度达到(194.3±21.3) MPa,导热系数为(1.9 ± 0.1) W/(m∙K),显示出增韧效果,并具有低导热系数。

本研究在ZrO₂基体表面涂覆一薄层Al₂O₃涂层, 利用基体与涂层之间热膨胀系数不匹配, 在Al₂O₃-ZrO₂预应力陶瓷(简称A_CZ_S预应力陶瓷)表层引入压应力。采用维氏压痕法评价残余应力对A_CZ_S预应力陶瓷的表层和基体中裂纹扩展阻力的影响。理论分析结合实验结果表明: 表层的压应力使得A_CZ_S预应力陶瓷的裂纹扩展阻力增大, 最终导致强度和损伤容限提高; 且A_CZ_S预应力陶瓷表层的压应力和裂纹扩展阻力随着基体截面积与涂层截面积比值的增加而增大。当ZrO₂基体表层的Al₂O₃涂层厚度为40 μm时, 表层压应力使A_CZ_S预应力陶瓷的弯曲强度达到(1207±20) MPa, 相比于同种工艺下制备的ZrO₂陶瓷强度提高了32%, 同时也是Al₂O₃强度的3倍。此外, A_CZ_S预应力陶瓷也表现出很好的抗热震性能。