X射线诱导光致变色材料(X-ray Induced Photochromic Materials, XP材料)因具有辐射剂量依赖的变色性质, 在国防安全、核能开发利用、工业探伤和医学成像等领域具有广泛的应用前景。近年来, 国内外科学家已发展了多种XP材料, 深入探讨了其辐射变色机制, 并开展了特异性应用研究, 亟需综合论述其变色机理和应用领域。本文综述了X射线辐射变色性质的材料体系, 并归纳其化学组成和变色特点, 对比了各种类型XP材料的优缺点, 讨论了X射线诱导光致变色的机理, 如色心形成和氧化还原反应等过程。最后, 介绍了XP材料在X射线探测器以及医学和工业中的潜在应用, 并展望了其未来的发展方向。本文对发展性质更优异、场景适用性更灵活的XP材料后续研究具有重要意义, 可促进XP材料的商业化应用进程。

可逆金属电沉积器件(Reversible Metal Electrodeposition Device, RMED)的电致变色(Electrochromic, EC)智能窗为动态调节光和热的传输提供了一个极具吸引力的替代方案。本工作通过在氟掺杂氧化锡(Fluorine-doped Tin Oxide, FTO)透明导电玻璃上电沉积WO₃·xH₂O薄膜, 再利用Bi/Cu的可逆金属电沉积来构建电致变色器件(Electrochromic Device, ECD)。电解质由CuCl₂、BiCl₃、KCl和HCl水溶液组成, 为电化学过程和电沉积过程提供必要的成分。该器件可在无色和黑色状态之间快速转换, 在570 nm波长处实现了77.0%的光调制幅度。在黑色状态下, ECD在400~1100 nm范围内呈现出接近零的透过率。此外, 经历60000 s的着色/褪色循环后, 该器件能够维持其初始光调制幅度的96.6%, 展现出良好的循环稳定性。所制备的RMED在开路电压下具有相对较高的稳定性, 还拥有出色的隔热性能。这些研究结果为克服RMED循环稳定性差以及提高ECD的光调制幅度提供了一种解决方案。

电致变色智能窗可通过调制电致变色材料的光学透过率来调控室外入射光进而实现节能建筑。由于磁控溅射技术具有大面积和均匀沉积的优势, 利用其所制备的非晶三氧化钨(Tungsten Oxide, WO₃)最有实现商业化的潜力。然而, 磁控溅射制备的WO₃薄膜本征致密原子结构导致较低的离子传输效率, 因此其电致变色性能远低于溶液法。本研究提出了基于埋层多孔电极制备微结构磁控溅射基WO₃薄膜的方法, 从而提高材料的光学调制幅度和响应时间。实验结果表明, 与致密WO₃薄膜相比, 通过该方法制备的多孔WO₃薄膜展现出显著提升的电致变色性能。当多孔WO₃薄膜厚度增加到300 nm时, 获得了高达79.08%的光学调制幅度, 2.6 s的着色时间和2.0 s的褪色时间, 以及高达52.5 cm²/C的着色效率。性能提升主要归因于多孔氧化铟锡(Indium Tin Oxide, ITO)电极和多孔WO₃薄膜的协同作用。多孔ITO电极可增加与WO₃组分的接触面积, 使更多电荷注入WO₃薄膜中, 进而促进氧化还原反应过程。此外, 多孔WO₃薄膜也增加了与电解液的接触面积, 随之增加了反应活性位点以及缩短了离子扩散路径, 进而加速了离子扩散和迁移过程, 实现了高效的氧化还原反应和快速的离子传输。本工作为制备高性能微纳结构磁控溅射电致变色薄膜提供了一种有效的方法。

纳米磷酸钙(nCaP)在药物递送、生物成像、抗菌、促成骨等纳米医学领域具有潜在的应用前景, 但其体内分布与代谢规律尚未完全明确, 有待深入研究。本研究采用稀土铕离子荧光标记法, 以荷瘤裸鼠为模型, 探究了两种尺寸nCaP(纳米点NDs: (2.53±0.63) nm; 纳米颗粒NPs: (107.76±25.37) nm×(17.66±1.63) nm)在肝、脾、肺、肾、肿瘤中的分布与代谢。结果显示, 裸鼠尾静脉注射200 μL质量浓度为1.5 mg/mL的两种nCaP溶液, 4 h后CaP NPs主要分布在肝脏和脾脏中, 分别占比65.70%和29.32%, 在肺脏中占比3.83%, 而在肾脏和肿瘤中仅占比0.84%和0.32%, 表明大尺寸CaP NPs更容易被网状内皮(RES)系统中的吞噬细胞捕获。与CaP NPs相比, CaP NDs在肝脏、脾脏和肺脏中的积聚显著减少了89.40%、87.00%和88.89%, 而在肾脏和肿瘤中的蓄积分别提升了3.67倍和3.06倍, 表明尺寸减小有利于CaP NDs被肾小球滤出并增强其肿瘤靶向能力。CaP NDs在肝、脾、肺中的清除率(CLz)分别是CaP NPs的6.60倍、4.14倍和2.40倍, 是肾脏的42.29%, 表明尺寸减小有助于CaP NDs被肝脏、脾脏和肺脏内的吞噬细胞迅速代谢, 但存在肾小管的重吸收作用。在肿瘤中CaP NDs的CLz值比CaP NPs降低了91.9%, 表明小尺寸CaP NDs具有显著增强的肿瘤靶向和滞留能力。进一步对荷瘤裸鼠初步建立了包含尺寸因素的nCaP生理药代动力学(PBPK)模型, CaP NDs和CaP NPs在肿瘤部位分布的预测拟合度(R²)分别达到0.925和0.827。本研究揭示了nCaP的体内分布与代谢规律, 为其医学应用提供了支撑。

氨气是一种有害的大气污染物, 对人类健康和生态环境造成严重的危害, 因此开发低能耗、高性能的氨气实时监测系统势在必行。本工作以MoO₃和吡咯单体(Py)为原料, FeCl₃为氧化剂, 对氨基苯磺酸(pABSA)为阴离子表面活性剂, 采用原位化学氧化聚合法制备了pABSA修饰的MoO₃/聚吡咯(PPy)复合材料。通过不同手段对材料的微观结构进行表征, 探究了pABSA修饰对MoO₃/PPy复合材料气敏性能的影响。结果表明: pABSA-MoO₃/PPy复合材料在室温下对质量浓度1×10⁵ µg/L氨气的响应值为188%, 为纯PPy(22%)的~8倍, 并且表现出优异的选择性和稳定性。气敏性能提升归因于MoO₃与PPy之间形成的异质结以及pABSA的修饰使材料表面载流子增多。

具有动态变色和调光特性的电致变色材料在汽车防眩后视镜、智能窗、低功耗显示、电子纸等领域具有潜在的应用价值, 引起了人们的极大兴趣。NiO和MnO₂是为数不多的具有中性色调的阳极着色材料。然而, 单一的NiO和MnO₂薄膜褪色态透过率较低, 导致其光调制幅度较小。本研究以NiCl₂·6H₂O作为镍源、MnSO₄·H₂O作为锰源, 采用溶剂热法直接在氟掺杂氧化锡(FTO)导电玻璃基底上生长多孔镍锰层状双氢氧化物(NiMn-LDH)电致变色薄膜。通过X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电子显微镜(FESEM)表征所制备的NiMn-LDH薄膜的晶相和微观形貌, 并用紫外-可见-近红外分光光度计和电化学工作站研究其电致变色和电化学性能。结果表明: 溶剂热法生长的薄膜是由NiMn-LDH纳米片组成, 表面呈多孔结构, 在550 nm处具有61.9%的光调制幅度, 着色时间和褪色时间分别为15.8和13.2 s, 着色效率为 63.1 cm²·C^-1, 在160次着色和褪色循环后的光调制幅度仍可以保持初始值的87.0%。此外, NiMn-LDH薄膜在0.1 mA·cm^-2电流密度下的面电容为10.0 mF·cm^-2。本研究制备的NiMn-LDH薄膜电极在电致变色和储能领域具有良好的应用前景。

围绕压阻传感器领域对高性能类金刚石(Diamond Like Carbon, DLC)薄膜压阻敏感材料的需求, 针对金属掺杂DLC存在的载流子输运行为和实际多工况(如温度、湿度等)下压阻性能不明的问题, 本工作以Ti-石墨复合拼接靶为靶材, 采用高功率脉冲磁控溅射技术, 高通量制备出4种Ti含量(原子分数为0.43%~4.11%)的Ti掺杂类金刚石(Ti-DLC)薄膜, 研究了Ti含量对薄膜组分结构、电学性能、变湿度环境下压阻性能的影响规律。结果表明: Ti含量(原子分数)在0.43%~4.11%范围内, 掺杂Ti原子均以固溶形式均匀镶嵌于非晶碳网络中, Ti-DLC薄膜电学行为表现为典型半导体特性, 在200~350 K温度范围内, 薄膜电阻率均随温度升高而降低。载流子传导机制在200~ 270 K内为Mott型三维变程跳跃传导, 在270~350 K范围内则为热激活传导。Ti-DLC薄膜压阻系数(Gauge Factor, GF)最大值为95.1, 在20%~80%相对湿度范围内, 所有样品GF均随湿度增加而增大, 这可能是引入的固溶Ti原子缩短了导电相之间的平均距离, 同时吸附表面水分子导致电阻变化。

基于功能油墨的先进印刷技术(打印、涂布), 能够突破传统制造手段的瓶颈, 实现具有复杂结构和特定功能的个性化薄膜及电子器件的快速成型, 在可穿戴智能识别、能源存储、电磁屏蔽及吸波、触摸显示等领域展现出巨大的应用前景。印刷先进能源及电子器件的关键在于, 开发先进功能油墨材料和与之相匹配的先进印刷技术。2011年发现的MXene材料, 是一类由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物所组成的二维大家族的总称, 因其卓越的物理和化学性质(如高电导率、出色的亲水性和丰富的表面化学)而受到广泛关注, 特别适合作为印刷电子器件的油墨材料。探索MXene油墨的印刷行为特征并厘清MXene油墨在印刷关键环节中的机理, 不仅有助于获得高精度的MXene油墨印刷图案, 而且可以为印刷多尺度、多材料的多功能薄膜和电子器件打下了坚实基础。本文首先介绍了MXene的制备及其片层胶体的化学稳定性, 并对其流变学特性、可打印油墨的形成、油墨印刷行为以及与之适配的打印方法进行了讨论, 着眼于MXene油墨在能源、健康监测和传感应用方面的最新进展, 分析了该领域面临的挑战和未来的发展方向, 为该领域的研究者提供新的视角和启示。

近年来, 压力传感器在智能可穿戴纺织品、健康监测、电子皮肤等领域得到了广泛应用。二维纳米材料MXene的出现, 为压力传感带来了全新的突破。Ti₃C₂T_x是压力传感领域研究最多的MXene, 具有良好的机械性能、高导电性、优异的亲水性以及广泛的可修饰性, 是理想的压力传感材料。因此, 近些年研究者们对MXene在压力传感器中的设计和应用进行了大量探索和研究。本文总结了MXene的制备技术和抗氧化方法。同时介绍了基于MXene的微结构设计, 包括气凝胶/多孔结构材料、水凝胶、柔性衬底和薄膜。该类设计有利于提高压力传感器的响应范围、灵敏度和柔韧性, 促进了压力传感器的快速发展。此外, 进一步探讨了MXene压力传感器的工作机制, 包括压阻式、电容式、压电式、摩擦电式、电池式和纳米流体式等。MXene以其优异的特性而在各种机制的传感器中得到了广泛应用。最后, 对MXene材料的合成、性质以及其在压力传感方面的机遇和挑战进行了展望。

二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)以其优异的力学和电学性能, 在多个领域展示出巨大的应用前景。近年来, 高性能MXenes纳米复合材料(包括一维纤维、二维薄膜和三维块体)的研究取得了显著进展, 但其力学性能仍远低于MXenes纳米材料的本征力学性能, 这主要归因于MXenes纳米复合材料中存在的孔隙缺陷、MXenes纳米片取向度低以及界面相互作用弱等关键科学问题。针对上述问题, 本文首先讨论了MXenes纳米材料的本征力学性能, 总结讨论了不同类型高性能MXenes纳米复合材料的发展历程, 并介绍了高性能MXenes纳米复合材料的最新研究进展, 包括如何消除孔隙缺陷、提高MXenes纳米片的取向度以及增强界面相互作用。同时, 介绍了高性能MXenes纳米复合材料在电热、热伪装、电磁屏蔽、传感以及储能等领域的应用。最后, 梳理了高性能MXenes纳米复合材料存在的挑战, 并展望了未来的发展方向。

类脑神经形态计算通过电子或光子器件集成来模拟人脑结构和功能。人工突触是类脑系统中数量最多的计算单元。忆阻器可模拟突触功能, 并具有优异的尺寸缩放性和低能耗, 是实现人工突触的理想元器件。利用欧姆定律和基尔霍夫定律, 忆阻器交叉阵列可执行并行的原位乘累加运算, 从而大幅提升类脑系统处理模拟信号的速度。氧化物制备容易, 和CMOS工艺兼容性强, 是使用最广泛的忆阻器材料。本文梳理了氧化物忆阻器的研究进展, 分别讨论了电控、光电混合调控和全光控忆阻器, 主要聚焦阻变机理、器件结构和性能。电控忆阻器工作一般会产生微结构变化和焦耳热, 将严重影响器件稳定性, 改进器件结构和材料成分可有效改善器件性能。利用光信号调控忆阻器电导, 不仅能降低能耗, 而且可避免产生微结构变化和焦耳热, 从而有望解决稳定性难题。此外, 光控忆阻器能直接感受光刺激, 单器件即可实现感/存/算功能, 可用于研发新型视觉传感器。因此, 全光控忆阻器的实现为忆阻器的研究和应用打开了一扇新窗口。

可穿戴设备是能穿在身上, 实时获取人体或环境信息并进行传递和处理的功能设备, 在医疗健康、人工智能、运动娱乐等领域具有广阔的应用前景。随着可穿戴设备的发展, 各类柔性传感器应运而生。基于压电效应的柔性力学传感器因具有感应频率宽、响应快、线性好、自供电等优势而备受关注。然而传统的压电材料多为脆性陶瓷和晶体材料, 限制了其在柔性方面的应用。随着研究的深入, 越来越多的柔性压电材料和压电复合材料不断涌现, 给柔性可穿戴力学器件注入了新的发展活力。本文主要概括了柔性可穿戴压电器件的前沿进展, 包括压电原理、柔性压电材料的制备与性能提升方法。此外, 还详细总结了柔性可穿戴压电设备的主要应用方向, 包括医疗健康和人机交互, 以及遇到的挑战与机遇。

新型冠状病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019, COVID-19)疫情大流行引起全球对此重大突发公共卫生事件的高度关注。新型冠状病毒(SARS-CoV-2)经过多次突变, 出现传染速度加快、免疫逃逸、隐匿性传播等特性, 令防控形势至今仍异常严峻。对患者的早发现、早隔离仍然是目前最有效的防控措施。因此, 迫切需要快速、高灵敏的检测手段来甄别此病毒, 以便及早识别感染者。本文简要介绍了SARS-CoV-2的一般特征, 并针对核酸、抗体、抗原及病原体作为检测靶标的不同检测手段及最新进展进行分类概述; 对一些光学、电学、磁学以及可视化的新型纳米传感器在SARS-CoV-2检测技术上的应用进行了分析。鉴于纳米技术的应用在提高检测灵敏度、特异性以及准确率上具有优势, 本文详细介绍了新型纳米传感器在SARS-CoV-2检测中的研究进展, 包括表面增强拉曼基生物传感器、电化学生物传感器、磁纳米生物传感器以及比色生物传感器等, 并探讨了纳米材料在新型生物传感器构建中的作用和挑战, 为纳米材料研究人员开发各种类型的冠状病毒传感技术提供思路。

新冠疫情暴发对全球公共卫生构成了巨大威胁, 病毒的快速、准确诊断对新冠疫情防控具有至关重要的作用。近年来, 以纳米材料为基础的电化学传感技术在快速、高灵敏度/高特异性分子诊断方面显示出巨大的潜力。本文简要介绍了新型冠状病毒（SARS-CoV-2）的结构特征及常规检测方法, 总结了电化学生物检测相关传感特点和机制。在此基础上, 详细评述了金纳米材料、氧化物纳米材料、碳基纳米材料等为基础的电化学传感器用于快速、准确检测新冠病毒的研究进展。最后, 展望了基于电化学传感技术在未来生物分子诊断中的应用。

柔性传感器可以适应各种复杂环境和曲面形状, 在生物医学、环境监测和智能可穿戴设备等领域具有广泛的应用前景。本研究旨在研发高稳定性的荧光淬灭型柔性氧敏感元件。采用硅酸铝纤维作为载体, 聚二甲基硅氧烷(Polydimethysiloxane, PDMS)作为基质, 四(五氟苯基)卟啉铂(Platinum(II)-5,10,15,20-tetrakis-(2,3,4,5,6-penta- fluorophenyl)-porphyrin, PtTFPP)荧光分子作为氧探针, 制备了柔性氧敏感元件。该元件的水接触角高达152°, 显示出超疏水性, 这有助于提升其在潮湿气氛和水溶液中的稳定性。元件对气相氧和溶解氧均表现出荧光淬灭效应, 荧光强度与氧含量之间的关系符合Stern-Volmer方程, 其气相Stern-Volmer常数K_SV为0.020 h·Pa^-1, 水相Stern-Volmer常数K_SV为2.94 L·mmol^-1。该氧敏感元件具有出色的循环可恢复性和响应性能: 从氮气切换至氧气的响应时间为0.9 s, 从氧气切换至氮气为2.7 s。此外, PtTFPP-PDMS膜具有出色的稳定性, 暴露于100 ℃水蒸气15 h、在pH 1~10的水溶液中浸泡和经历400次的弯曲循环后, 其相对荧光强度和水接触角均无明显变化。以硅酸铝纤维为载体的 PtTFPP-PDMS柔性元件具有优异的荧光氧敏感性和稳定性, 有望用于苛刻条件下气相氧和溶解氧的测定。

力致发光材料独特的机械能-光能转换方式使其在应力传感领域具有广泛的应用前景, 并有望成为新一代可视化应变传感材料。目前拓展力致发光材料体系和提高其性能仍然是研究的重点。本研究采用BaSrGa₄O₈基质(六方晶系, 空间群为P6₃, 具有非中心对称结构), 通过高温固相反应法合成了系列Tb³⁺掺杂绿色力致发光荧光粉。材料在不同的力学激励(拉伸、压缩、扭曲)下都可以发出明亮的绿光。用玻璃棒在制备的力致发光弹性体上分别书写B、S、G、O、T、b, 观察到清晰的笔记映射, 通过分析力致发光图像的颜色映射值, 可追溯材料在书写过程中的受力情况, 这是首次在上述基质掺杂体系中观测到的力致发光现象。在254 nm紫外光激发下, BaSr_1-xGa₄O₈: xTb³⁺荧光粉亦呈现发射波长为543 nm的明亮绿光, 这归因于Tb³⁺的⁵D₄-⁷F₅跃迁, 具有和力致发光同样的发光中心, 去除紫外照射后样品仍显示出强烈的余辉发光。通过力致发光、光致发光、长余辉发光结合热释光分析, 进一步阐明了三者之间的内在联系。本研究拓宽了高性能力致发光材料体系的范围, 其在可视化应力传感、信息安全防伪等领域展现出潜在的应用前景。

近年来, 碘化铜(CuI)因其较高的本征霍尔迁移率、高光吸收和较大的激子结合能而成为一种新兴的p型宽带隙半导体。然而, 在传统半导体材料表面制备高质量CuI薄膜非常困难, 已有CuI基异质结器件的光谱响应和光电转换效率较低。本研究采用一种简易的金属碘化法制备了一种p-CuI/n-Si结构的光电二极管。虽然获得的CuI是带有明显结构缺陷的多晶薄膜, 但CuI/Si二极管具有很高的弱光灵敏度。其高达7.6×10⁴的整流比表明该光电二极管具有良好的缺陷容忍度, 这与p⁺n型二极管的单边异质结这一特殊结构有关。本研究对该p⁺n型二极管的光电响应进行了较为系统的研究, 选择波长分别为400、505、635和780 nm的不同单色激光器进行光响应测试。在零偏置电压条件下, 该器件为单边异质结, 耗尽层仅在硅一侧, 因此只有可见光被吸收。当施加-3 V的偏置电压时, 光电二极管被切换到“紫外-可见”双波段响应的工作模式。因此, 通过调整偏置电压可以使检测波长在“可见”波段和“紫外-可见”波段之间切换。此外, 本研究所得到的CuI/Si二极管对弱光照非常敏感。在入射光功率密度低至0.5 μW/cm²时, 其具有高达10¹³~10¹⁴ Jones的探测率, 明显优于其他铜基光电二极管。相关研究结果证实了CuI在与传统硅工业集成时的高应用潜力。

近年来, 湿度传感器在食品安全、土壤监测等领域的应用引起了广泛关注。传统湿度传感器具有稳定性好、灵敏度高等优点, 但大部分湿度传感系统通常采用有线连接和外接庞大设备来将湿度信号转换为可识别的波形, 无法对湿度信息的变化进行实时的可视化监测。将湿度信息直接转换为肉眼可观测的颜色信号为上述问题提供了一种理想解决方案。本研究将湿度传感器与电致变色器件集成一体来制备智能可视化湿度指示系统, 通过将湿度信号转换为电压信号来驱动电致变色器件(Electrochromic devices, ECDs), 从而实现系统稳定可逆的颜色变化。采用三氧化钨(WO₃)作为负极、锌箔(Zn)作为正极制备的ECDs会根据湿度传感器的输出电压的变化来转变不同的工作状态, 从而产生肉眼可观测的颜色信号。采用紫外-可见分光光度计与电化学工作站对ECDs的电化学性能以及电致变色性能进行研究和表征。随后, 通过示波器和湿度发生平台对调理电路性能进行分析。结果表明: 智能电致变色型湿度指示器具有良好的稳定性和快速的响应性能, 其中, 着色时间与褪色时间仅为7.5和4.5 s, 并且在300个循环后, 光学调制幅度(ΔT)与初始值相比基本保持不变(保持率可达95%以上)。因此, 这种设计新颖、结构简单的可视化湿度系统在人工智能、智能农业等领域具有广阔的应用前景。

光致变色窗户因结构简单、被动调光和零能耗输入而被认为是一种高效的节能智能窗, 然而有关光致变色智能窗的研究很少涉及中红外(MIR)波段，这限制了节能效率。本研究通过在ITO衬底上生长稀土含氧氢化物(ReO_xH_y)薄膜，实现了宽波段调制的能力。所开发的光致变色智能窗口能够通过感应光强度自动调节发射率，同时保持可见光和近红外(NIR)调制(ΔT_sol=35.1%, ΔT_{l um}=37%, Δε_{8-13 μm}=0.12)。研究还通过优化制备气氛，实现了GdO_xH_y的一步制备并提高了稳定性，通过综合表征分析了光致变色机理。总之，这种跨越可见光-近红外-中红外的被动协同调制方法有望推动光致变色智能窗的发展。