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材料科学系梅永丰课题组在氢气可视化探测方面取得新进展

来源:材料科学系发布时间:2018-05-22

近日,材料科学系梅永丰课题组利用自卷曲纳米薄膜在氢气可视化探测方面取得新进展,4月6日,研究成果以“Stimuli-responsive and on-chip nanomembrane micro-rolls for enhanced macroscopic visual hydrogen detection”为题在线发表于Science Advances

折纸作为一种传统的艺术,可以将二维平面的纸张转变成复杂的三维结构。受折纸的启发,梅永丰课题组利用金属钯在氢气环境中的体积膨胀,通过卷曲纳米技术,成功制备出具有刺激-响应功能的大面积高密度卷曲纳米薄膜触发器阵列芯片。该刺激-响应卷曲纳米薄膜阵列由钛、铬、钯三层纳米薄膜构成,其中钛、铬层作为应变层,钯层作为刺激-响应层,通过电子束蒸发的方法依次沉积到玻璃基片上。其制备的关键是纳米薄膜的质量控制及沉积条件,通过对厚度、密度和整合度等参数的控制保证纳米薄膜的均匀性。

研究人员发现,在氢气环境下,钯层吸附氢气发生体积膨胀,卷曲纳米薄膜展开至平面状态,当氢气的浓度降低至一定程度或为零时,纳米薄膜恢复至卷曲状态。基于弹性力学模型,可以很好地解释纳米薄膜在卷曲和平面状态之间的可逆形状变化。在氢气的吸附和解吸过程中,钯层的应变变化使得卷曲纳米薄膜的直径发生显著变化,在氢气刺激后由于钯层的外部压缩应变,卷曲纳米薄膜的直径减小。在不同浓度的氢气刺激下,卷曲纳米薄膜的直径减小的程度不同,随着氢气浓度的增加,卷曲纳米薄膜的直径减小。

为了更加直观的表现刺激-响应卷曲纳米薄膜阵列在氢气环境下的刺激-响应行为,课题组设计了一个“FUDAN”图案的大面积卷曲纳米薄膜阵列,在低浓度氢气的刺激下,可以观察到非常明显的响应行为和可视化观察。

研究发现,大面积高密度卷曲纳米薄膜阵列的这种均匀的刺激-响应行为具有非常好的宏观视觉检测效果,响应时间最快为3.4s,恢复时间最快为7.6s。在图案设计的优化下,透过率的变化超过了50%;在钯层厚度的优化下,氢气浓度的检测极限低至1%,可用于石油化工行业的无电安全检测。这项研究工作也为开发新型高集成度高密度的三维宏观功能器件与系统提供了新思路。

复旦大学材料科学系博士研究生胥博瑞为本文的第一作者,复旦大学材料科学系教授梅永丰和韩国延世大学教授Taeyoon Lee为本文的共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科学技术委员会、国家科技攻关计划和长江青年学者计划的共同资助,这项工作还得到了韩国国家研究基金会优先研究中心计划的支持。

 

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