BUAA学术 | 近期科研前沿盘点
《BUAA学术》向您介绍
北航近期（2018年12月-2019年3月）
主要的科研成果
机械工程及自动化学院仿生与微纳系统研究所蒋永刚教授课题组提出改善P(VDF-TrFE)压电性能的新策略；
材料科学与工程学院水江澜教授课题组在《Nature Catalysis》上报道超高性能铁基燃料电池催化剂；
刘知琪教授课题组在《Nature Nanotechnology》上报道能抵抗60特斯拉超强磁场的反铁磁记忆器件；
可靠性学院李大庆研究员团队在交通拥堵模式研究方面取得的重要进展。
1、机械工程及自动化学院仿生与微纳系统研究所蒋永刚教授课题组提出改善P(VDF-TrFE)压电性能的新策略
近日，机械工程及自动化学院仿生与微纳系统研究所蒋永刚教授课题组研究改善压电聚合物P(VDF-TrFE)的压电性能的方法。
相关研究成果以“Improved Piezoelectric Sensing Performance of P(VDF-TrFE) Nanofibers by Utilizing BTO Nanoparticles and Penetrated Electrodes”为题发表于最新一期国际著名学术期刊ACSAppl.Mater.Interfaces（IF=8.1)DOI:10.1021/acsami.8b19824，胡晓禾和闫兴为论文的共同第一作者。
论文中提出了两种提高聚合物基压电纳米纤维压电传感性能的方法，包括形成具有优良结晶性的钛酸钡（BTO）/P（VDF-TRFE）复合纳米纤维和提高电极与压电纤维间的接触面积。
通过静电纺丝技术将立方相钛酸钡（BTO）纳米颗粒复合成排列良好的P(VDF-TrFE)纳米纤维。采用X射线衍射（XRD）和傅立叶变换红外光谱（FTIR）对纤维毡的结晶度进行了研究。
5 wt% BTO/ P(VDF-TrFE)纳米纤维的压电系数比原始P(VDF-TrFE)纤维高47%。与原始P(VDF-TrFE)纳米纤维相比，5wt% BTO/P(VDF-TrFE)纳米纤维在压缩下的压电电荷和电流输出均得到改善。利用了渗入电极的P(VDF-TrFE)压电薄膜传感器，能检测出质量仅约1mg蚂蚁的爬行信息。
提出的方法可以提高基于压电聚合物的传感器的灵敏度，这些传感器在仿生传感器、智能机器人和基于人类亲和力的设备中具有潜在的应用前景。
论文链接：
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsami.8b19824
水江澜教授课题组自2015年成立以来，致力于氢/氧质子交换膜燃料电池的非铂催化剂开发，围绕如何提高非铂催化剂的活性和稳定性开展深入、系统的研究，取得了一系列重要成果。
开发出Fe-N-C单原子催化剂大规模绿色固相合成方法，并首次将单原子催化剂用于质子膜燃料电池，提高了Fe-N-C催化剂的电池活性（Angew.Chem.Int.Ed.2018, 57,1204–1208）；
发明Pt原子接枝方法改善Fe–N–C催化剂的稳定性使电池稳定性提升一倍（Adv.EnergyMater.2018,8,1701345）；
发现石墨烯纳米带边缘的Zigzag型缺陷碳具有相对金属基催化剂更为稳定的燃料电池性能，为高稳定性非铂催化剂燃料电池开发提供新思路（Nat.Commun.2018,9,3819）。
（引用链接
http://www.mse.buaa.edu.cn/info/1036/3278.htm）
材料科学与工程学院水江澜教授课题组在燃料电池非铂催化剂领域的最新进展“Fe–N–Celectrocatalyst with dense active sites and efficient mass transport forhigh-performance proton exchange membrane fuel cells”（具备高密度活性位点和高效传质的铁-氮-碳电催化剂用于高性能质子交换膜燃料电池）发表于《Nature Catalysis》。
文中报告了一类凹面Fe-N-C单原子催化剂，其具有增强的外表面积和中孔率，达到了美国能源部2018年质子交换膜燃料电池中铂族无金属催化剂（PGM无催化剂）的目标，在1.0bar H2-O2下，0.88vir下的电流密度为0.047A cm^-2。
这种性能来源于活性部位的高密度，通过暴露不可接近的Fe-N4部分（即提高其利用率）和增强催化剂层的质量输送来实现。
此外，还建立了结构-性能相关性，为实际应用设计高效无铂族金属催化剂提供了一条途径，在2.5 bar H2-O2下的功率密度为1.18 W cm−2，在1.0 bar H2–空气下为129 mA cm^−2。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0237-3
近年来，反铁磁自旋电子学发展迅速，是磁性材料的前沿研究领域之一。
基于反铁磁（AFM）材料的自旋电子学器件具有开关速度快、抗磁场强等优点。刘知琪教授课题组利用压电材料在多铁异质结构中通过电场来控制磁场，抑制了开关电流引起的焦耳热，从而实现了低能耗的电子器件。
相关研究成果 “A Piezoelectric, Strain-ControlledAntiferromagnetic Memory Insensitiveto Magnetic Fields” 于2019年1月7日发表于《Nature Nanotechnology》。
文中结合了MnPt和PMN-PT两种材料，将MnPt纳米薄膜生长在铁电单晶材料PMN-PT上，改变MnPt薄膜中反铁磁自旋轴的取向，从而引起MnPt合金电阻的变化。
刘知琪教授课题组和华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心的朱增伟教授课题组合作，测试了反铁磁材料MnPt在超强脉冲磁场60T（地球磁场强度的120万倍）下的响应。
研究发现：在室温和零电场条件下，这种器件在60 T的磁场中是稳定的。
此外，应变诱导电阻切换过程对磁场不敏感。集成在隧道结中可以进一步放大电阻。刘知琪教授课题组制备出了反铁磁隧道结器件,在室温下实现了11.2%的电阻调控。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-018-0339-0
虽然城市化的增长预计将对所有交通模式的城市基础设施造成压力，但为应对这一挑战，已提出了不同的智能城市框架。
城市复兴的核心任务之一是建立一个能够有效适应各种干扰和从重大拥挤中恢复的有弹性的交通系统。在这项任务中，一个基本问题是城市交通在接近临界点时将如何中断。
城市交通一般是一个空间-时间系统；因此，不仅要注重公路网的静态结构，而且还要注重城市交通。在一天中，需求在时间和地点上不断变化的动态交通组织。
北航可靠性与系统工程学院李大庆研究员团队与北京交通大学高自友教授团队等紧密合作，成功发现了城市交通流的时空模式切换行为。
相关研究成果以“Switch between Critical Percolation Modes in City Traffic Dynamics”（城市交通流的渗流临界模式切换为题），于2018年12月27日发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（《美国国家科学院院刊》）杂志上。
利用高分辨率实时交通数据对城市交通动态的渗流过渡分类进行了研究。通过对城市交通集群规模分布的分析，发现城市交通的分解过渡可以用两组渗流临界指数来表征。
(A)休息日和(B)工作日高峰时间高速公路的平均速度超过70公里/小时（橄榄色）。
(C)交通网络中公路在休息日（橄榄）和工作日（橘色）的累积速度分布。只关注时速超过60公里的速度。
(D)临界指数τ作为small world模型中渗流的重配线连接分数的函数。
在非高峰时段或休息日期间，组织特点类似高维渗流，整个城市交通流组织均匀，不同层次具有较好的衔接。而在工作日的高峰时间，临界渗流指数接近2d格渗流，城市交通被“降维”，导致交通资源的配置被割裂，“模块化”明显，模块之间的通行能力大幅下降。
研究发现表明：影响交通动力学临界指数的一个关键点是高速道路连接所代表的有效远程连接的分数。
因此，借助动态交通管理方法，可以通过调整有效的远程连接量，将系统转移到所需的临界通用类。有效的远程连接是城市公路结构的产物，但其管理还需要在设计相应的管理策略和信号控制或道路定价方面作出很大努力。
研究可能对智能城市实现中的交通适应力建模和设计有一定的参考价值。此外，研究方法具有一般性，可适用于旨在转移不同类型流量的其他关键基础设施。
论文链接：
https://www.pnas.org/content/116/1/23
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科研前沿信息来源于“各院系官网”及相关论文
文案 | 夹心
编辑 | Chauncey
责编 | 都行都行
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