聚焦科研|工大近期科研成果来啦！
关键词：合肥工大近期科研成果
我校在高分辨率量子精密测量领域
取得研究进展
近日，我校电子科学与应用物理学院量子信息团队利用涡旋光场（空间调制光场）实现了具有纳米级分辨率的免校准矢量磁力计，相关成果以“Calibration-Free Vector Magnetometry Using Nitrogen-Vacancy Center in Diamond Integrated with Optical Vortex Beam”为题于2020年11月5日在线发表于美国化学会（ACS）旗下纳米科学杂志《Nano Letters》。这一成果为纳米尺度的矢量磁场探测提供了可快速实施的有效解决方案，具有重要的应用价值。陈冰副教授为该工作的第一作者，徐南阳教授为通讯作者，合肥工业大学为第一通信单位，中国科学技术大学王亚教授和杜江峰院士为共同通讯作者。
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图1.基于涡旋光场矢量磁探测的实验装置和能级结构图
微观磁场探测技术在凝聚态物理、生物、化学等领域有着非常重要的应用。基于金刚石NV色心的单量子探针可以在室温下实现纳米级分辨率的矢量磁场探测（如图1），然而由于NV色心在金刚石中的分布是随机的，在每次测量以前需要一个复杂的校准过程确定探针自身的方向。这一过程通常需要施加一个精确的磁场并连续改变其方向，导致基于金刚石NV色心的矢量磁探测在应用中较为困难。为解决这一问题，我校量子信息团队提出了一种基于涡旋光场的新方案，该方案利用涡旋光场照射NV色心，通过数值程序解析荧光图案特征来推断NV色心的实际方向，从而避免了通常实验中的校准过程。此后只要选取不同方向的三个NV色心作为量子探针，就可以实现对未知磁场的矢量探测。
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图2.金刚石NV色心在涡旋光场下的荧光成像和磁场方向测量
在实验中，研究人员展示了不同NV色心在涡旋光场照射下的荧光图案以及通过数值解析得到的NV方向信息（角度，如图2），并演示了选取三个方向的NV色心实现矢量磁探测完整过程（如图3）。此外，该工作还通过引入第四个方向NV色心的冗余信息来验证了方案的正确性。
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图3.金刚石NV色心矢量磁场测量
上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等的资助。
我校在碳纤维复材组合结构领域
取得研究进展
近日，我校土木与水利工程学院王静峰教授课题组在碳纤维复材组合结构领域取得研究进展，其论文Performance and design of partially CFRP-jacketed circular CFT column under eccentric compression发表在国际期刊Journal of Constructional Steel Research上，并被国际著名工程学科技网站Advances In Engineering（简称AIE）作为关键科学文章进行了专题报道。土木与水利工程学院2016级博士生沈奇罕为论文第一作者，王静峰教授为通讯作者。
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图1.AIE专题报道图片
碳纤维及其复合材料是一类具有重大战略意义的高性能新型材料，在航空航天宇宙空间事业、海洋开发以及土木、机械、运输等工程工业领域有着广泛应用，特别是在建筑结构、道路交通和海洋工程中具有巨大的性能优势和应用潜力。然而，碳纤维在建筑结构中使用至今仍面临着如碳纤维布界面粘结强度、提升效果和混凝土约束特性影响等一些关键难题。如何揭示结构构件在碳纤维复材的不同布置方式下的约束机理，对性能化设计和应用具有重要意义。
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图2.约束应力三维传递机理、混凝土约束状态分布特征
王静峰教授课题组通过开展21根碳纤维间隔包裹圆钢管混凝土柱的偏压性能试验，研究了不同材料强度和碳纤维复材布置对钢管混凝土柱的破坏形态、承载力和延性等约束效果影响。基于有限元法建立了考虑碳纤维断裂失效特性和混凝土约束状态分区的理论分析模型，用试验结果验证了分析模型的准确性。研究对碳纤维的侧向包裹工作机制、约束应力三维传递机理以及混凝土约束状态分布规律进行了深入的分析和阐释，提出了碳纤维复材在受压构件中的优化布置方法，建立了碳纤维复材环向约束钢管混凝土受压构件的计算方法。研究发现，环向布置碳纤维复材与钢管混凝土受压柱的协同工作性能良好，碳纤维复材显著提高了钢管混凝土柱的受压承载力，且限制了钢管向外屈曲，提升了构件变形能力。该研究成果对碳纤维复材在建筑工程中的发展和应用具有指导性意义，受到美国、英国和澳大利亚等国际著名学者的一致好评。
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图3.AIE检索作者信息图
近年来，王静峰教授课题组连续在土木工程领域Thin-Walled Structures、Engineering Structures、Journal of Constructional Steel Research等多本国际著名期刊上发表了涵盖钢结构与组合结构、智能建造和建筑工业化、工程结构抗震减震等方向的重要研究成果60余篇，研究成果被广泛应用于实际工程。
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图4.偏压试验图
Advances in Engineering于2005年在加拿大成立，其主要目的是及时快速地报道重要的科学研究成果和创新技术。AIE所报道的论文由国际专家顾问组选出，方向包括材料、化学、电子、机械、土木、生物医学工程以及通用工程，中选率为以上领域发表论文总数的1‰。AIE拥有广泛的读者群，每月阅读量高达85万次，除受到全球主要研究机构的关注外，还被全球排名前50位的工程公司所链接，用于跟踪全球最新突破性科技进展。
该项工作得到了教育部新世纪优秀人才支持计划项目资助。
我校在高强度室温自修复聚氨酯材料领域取得新进展
近日，化学与化工学院方华高副教授、丁运生教授等在高强度室温自修复聚氨酯弹性体材料研究领域取得新进展。相关研究成果以“Synergy between Dynamic Covalent Boronic Ester and Boron-Nitrogen Coordination: Strategy for Self-Healing Polyurethane Elastomers at Room Temperature with Unprecedented Mechanical Properties”为题在线发表在材料类国际著名期刊《Materials Horizons》。博士研究生宋楷为该工作的第一作者，方华高副教授，丁运生教授和魏海兵副教授为通讯作者，合肥工业大学为唯一通讯单位。
高强度、高延展性和抗穿刺的聚氨酯弹性体在可穿戴柔性电子器件，软体防护装备等领域具有很好的应用前景。具有自修复功能的高性能聚氨酯弹性体可以防止使用过程中光、电、热和力导致的结构损伤，提高器件的使用寿命和装备的功能可靠性。而实现自修复能力和力学性能的提升是目前该领域研究的难点与挑战。
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图1.超分子聚氨酯弹性体的分子设计策略及硼-氮（B-N）配位作用
针对这一难题，化学与化工学院研究人员通过分子设计，将硼酸酯与可形成配位的含氮电子给体同时引入聚氨酯主链，制备了基于动态硼酸酯和硼-氮（B-N）配位作用的超分子聚氨酯弹性体材料（图1）。B-N配位键在聚氨酯弹性体中构筑了分子内与分子间超分子作用：分子内B-N配位促进了聚合物链的折叠，赋予材料超高的延展性（断裂应变: 14000%）；分子间B-N配位作为物理交联点，显著提高了材料的力学强度（10.5 MPa），其拉伸韧性达到182.2 MJ m-3，远高于目前已报道的其他室温自修复材料。由于B-N配位具有动态特性，弹性体的拉伸行为表现出显著的速度依赖性，可逆断裂与重组的机制有效吸收外界能量，样品缺口断裂能高达72100 J m-2，表现出优异的缺口不敏感性和突出的抗穿刺特性。（图2）
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图2.基于硼酸酯与B-N配位的超分子聚氨酯弹性体的力学性能
该超分子聚氨酯弹性体同时表现出优异的室温自修特性：将切断面接触后经室温放置36小时，拉伸强度恢复至5.2 MPa；断面经水润湿后，修复速度显著加快，经36小时修复，拉伸强度达到8.6 MPa，拉伸韧性升至123.5 MJ m-3。聚氨酯分子链上硼酸酯间的复分解反应、B-N配位键和氢键的可逆断裂与重组是其室温自修复的内在机理，少量水诱导硼酸酯的水解-再酯化反应，加速断面聚合物链的扩散，显著提高弹性体的修复效率（图3）。
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图3.基于硼酸酯与B-N配位的超分子聚氨酯弹性体室温自修复性能及机理
该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。
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内容来源 | 校全媒体中心
编辑 | 李凤至
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