“石墨烯微结构的精准调控及其应用”首次实现石墨烯单晶量子点和单层石墨烯微结构的精准控制。 一、项目分类 重大科学前沿创新 二、成果简介 近年来，石墨烯领域未获得突破性应用成果，也未找到“杀手锏”应用领域，关键是石墨烯结构调控不到位。一个基本的共识是，对石墨烯材料的结构进行设计和调控，有助于在光电器件、能源转化存储、重大疾病诊疗、污染物治理等领域取得重大突破。上海大学吴明红院士领衔的研究团队聚焦“石墨烯微结构的精准调控及其应用”取得了开创性的研究成果，首次实现石墨烯单晶量子点和单层石墨烯微结构的精准控制，在Nature及其子刊上发表十余篇系列论文，获得国家自然科学二等奖。负责人吴明红是中国工程院院士、俄罗斯工程院和俄罗斯科学院外籍院士，获国家杰出青年基金、教育部长江学者及创新团队发展计划等支持。团队依托有机复合污染控制工程教育部重点实验室，推动基础科研成果向应用转化，在生物医学、环境治理等领域取得了相关应用突破。 一、主要理论突破 聚焦于研究主题，团队在以下三个方面取得重要突破： 1）为解决传统方法制备的石墨烯缺陷多，无法量产的问题，团队在分子水平上首次使用分子融合法实现了高品质单晶石墨烯量子点的可控制备。通过对单晶石墨烯量子点精准的物理化学性质调控实现了不同亚细胞器的定位，有力推动了石墨烯量子点在生物成像、重大疾病诊疗中的应用。 2）为解决单层石墨烯容易聚集的难题，团队通过“原位复合与还原”一步法调控策略，获得单层石墨烯复合催化材料。团队首次在该材料上观测到光生电子空穴对分离的皮秒级超快过程，发现并揭示了单层石墨烯高效抽取和快速传输光电子这一重要规律，为高质量单层石墨烯复合材料在催化等领域的广泛应用奠定了坚实的理论基础。 3）精确调节石墨烯层间距，可以将石墨烯有针对性地应用于离子筛分、污染物选择性吸附等广泛领域。团队通过金属水合离子的层间插入控制氧化石墨烯层间距，在国际上首次实现了层间距在超小尺度上（1 Å）的精确控制。 二、在黑臭水体治理、地表水水质提升上的应用 地表水内源污染治理的关键是削减河道污染负荷，重建水生生态。团队以层间距可控石墨烯为基质，发展了水环境污染生态修复的叠层材料。以石墨烯为基体的复合微生物在其表面生长并形成生物膜，通过石墨烯和生物膜的协同作用，对水体污染物进行高效截留、吸附并降解。该复合技术运行成本低，治理周期短，工艺简单，无需底泥疏浚即可将地表水提升至IV类水以上水质指标，对河水的COD、氨氮和总磷，去除率达到80%以上。目前，团队已与上海宝山区政府建立多个石墨烯治理黑臭水体示范基地，显著提升当地水质环境水平。 三、石墨烯负极材料的钠离子电池储能系统应用 锂资源的匮乏，不足以支撑锂离子电池在储能市场的广泛应用，其成本较高的弊端也逐渐显露。同时国内外化学储能市场需求越来越大，促使研究者们利用资源丰富的钠元素组装得到钠离子电池。 经过对钠离子电池材料体系筛选和研究，本团队核心材料选用普鲁士蓝及其类似物作为钠离子电池正极，碳基材料作为钠离子电池负极。其中普鲁士蓝制备主要采用沉淀法及水热法，能耗更低。此外，普鲁士蓝能够作为一种染料进行使用，其安全性非常高。经过一系列放大，正极普鲁士蓝材料的充放电比容量达到160 mAh/g，碳负极材料的充放电比容量达到300 mAh/g。经过中试线生产预制，单体电池工作电压在3.2 V左右，能量密度在100 Wh/kg以上。单体电池在穿刺、挤压、外部短路、及破坏后浸水测试的情况下，均没有发生自燃和爆炸等情况，安全性高。 目前，拟搭建5条钠离子电池储能全自动生产线及相关配套设施，研发生产低成本、高安全、长寿命钠离子电池关键材料，实现高性能钠离子电池产品产业化，预计至2026年项目达产后，年产值达约22.5亿元；年亩均产值1666万元。 四、石墨烯传感材料在呼吸式血糖仪中的应用 我国糖尿病人数众多，并逐年上升。血糖检测仪与检测试纸市场规模约为460亿元，然而国外品牌却占市场份额大半。现有血糖仪采取长期有创刺血检测，存在很大感染风险，给病友带来巨大的生理和心理上的痛苦。呼吸式血糖检测无创，吹气即可检测，完美解决市场痛点。 糖尿病患者呼吸的气体中，可检测的VOCs较异常，需要高灵敏度的气体传感器进行识别。但是，常规气敏传感材料检测限与响应恢复能力不足，且难以在复杂气体氛围中实现特异性检测。团队通过对石墨烯带隙和表界面特性的精确调控，实现皮秒级载流子空穴的形成，从而实现对气体分子的快速响应，解决气体传感器灵敏度、选择性和响应恢复迅速的关键科学问题。研发的呼吸式血糖仪可满足确诊病友的日常检查、实现医院、公共场所快速筛查、手机APP记录管理以及网上专家互动诊断等功能，具有无创伤、无痛苦、便捷即时（15s）等特点，是首款呼吸式血糖检测产品。目前已二类医疗器械证书，即将已进入临床阶段。

在化学反应中，量子干涉现象普遍存在。但是，想要准确理解这些干涉产生的根源非常困难，因为这些干涉图样复杂，且在实验上也难以精确分辨这些干涉图样的特征。H+H2及其同位素的反应，是所有化学反应中最简单的。该体系只涉及三个电子，因此比较容易精确计算出这三个原子在不同构型时的相互作用力。在此基础上，通过求解相应的描述化学反应过程的薛定谔方程，就能够实现分子反应动力学过程的计算机模拟，从而做到在微观层次上深入理解化学反应过程。研究团队在2019年先期理论研究

基于导模共振效应的生物检测系统是基于导模共振滤波器共振原理来进行生物样品的检测，具有高灵敏度，高分辨率等优点。主要是依靠检测导模滤滤波器的共振峰值的移动来实现的，当生物分子附着导模共振滤滤波器，就会引起透过或者反射峰值的变化。通过检测峰值的移动量可以分析出生物分子中抗原和抗体的结合度。

实验内容 1、了解 HALL 效应的基本原理； 2、测量 HALL 样品在恒定磁场条件下，霍尔工作电 流与霍尔电压的函数关系； 3、测量 HALL 样品在恒定霍尔工作电流条件下，霍 尔电压与外加磁场的关系； 4、测量变温情况下，温度与霍尔系数，载流子浓度 之间的关系； 5、通过实验得出在不同温度下样品的霍尔系数和载 流子浓度，计算禁带宽

稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩应变比压电陶瓷大4倍以上，而且能量密度比压电陶瓷大10倍以上，但其杨氏仅为压电陶瓷的1/3左右。美国将其列为战略性功能材料，并对我国实行禁运。传统制备技术主要有布里吉曼法(Bridgman法，即下拉法)、丘克拉尔斯基法(Czochralski法，即直拉法)和浮区区熔法(Float Zone法)。上述三种制备GMM工艺都存在共同缺陷：1.生产效率很低，生长一件Æ18´150mm定向凝固GMM需要48-168h；2.生产GMM工序很长，需要合金熔炼、晶体生长、热处理等工序，生产成本高，设备投资大，3.生产GMM成品率只有15-30%。 本项目采用具有自主知识产权的一步法工艺和设备生产稀土超磁致伸缩材料，与传统工艺相比较主要有如下优点：1.质量好、高性能。因一步法工艺是将合金熔炼、晶体生长、热处理三道工序集中于一台设备完成，故减少了过程污染，杂质和氧含量低，合金成分控制准确，提高了材料的性能和产品的一致性；2.效率高、成本低。一步法易于实现自动化控制，操作简单，人为因素少，故产品的合格率高(达80%)；单炉产能达5-10公斤，每天可以生产2-3炉，生产效率比传统工艺提高了100-150倍，成本大大降低；3.易于制备大直径（Æ70mm以上）棒材。一旦形成规模生产，大幅度降低生产成本和产品价格。稀土超磁致伸缩材料在低频、大功率换能器中得到了越来越广泛的应用。此外，可广泛应用到机械、电子、石油、纺织、航天、农业等其他领域，是一种重要的新型功能材料，是许多高技术的物质基础，被誉为是21世纪的战略材料。

“热致水凝胶（ThermogelTM）”是一种新型医用可注射、可植入、可降解的环境响应型的医用水凝胶，其化学组成为一类聚酯（PLGA）-聚醚（PEG）的嵌段共聚物的水溶液，具有常温溶胶/体温凝胶的反向物理成胶特性。该物理特性使得水凝胶具有注射后原位成胶、无原位化学反应、成胶温度可调控（常规25-400C）、体内维持时间可调控（常规2-8周），方便包载各种药物与活性因子，最终可降解代谢无毒害等性能优势。该材料既可作为医疗器械产品运用于手术辅助注射、医疗美容等领域，也可作为药物缓释制剂的药用辅料，以及用于再生医学相关材料等，是一个具有广泛应用前景的材料技术平台。该医用水凝胶的组分均已被国家食药监局（CFDA）批准过用于医疗器械、药辅材料，但将这些组分共价连接后的具有上述新性能的凝胶材料尚未被注册应用，故该项目产业化如若成功，将具有开创性的影响力。

一种斜拉索锚固区磁致伸缩导波检测系统，USB 信号发生采集单元产生的正弦信号依次通过门控单元、功率放大器到达激励单元，激励单元在斜拉索中产生弹性波和磁场，弹性波通过磁场向外传播；接收单元接收来自激励单元的弹性波，将其转换为电信号，电信号依次通过信号预处理单元、程控放大滤波单元、USB 信号发生采集单元到达计算机，计算机将采集的数据进行存储和显示，得到锚固区的检测结果。本发明实现对斜拉索锚固区的快速检测，检测时无需中断交通，可用于斜拉桥的日常检测。

本发明公开了一种基于磁致伸缩导波的检测传感器，包括：中 空壳体，其中心同轴套接有贯穿该中空壳体两端的导杆；环形磁铁， 其内置于壳体中并同轴套装在导杆上，其通过磁铁定位塞轴向固定； 箱体，其固定设置于导杆一端上并通过压紧螺母轴向定位于壳体外， 激励插头和接收插头固定安装在该箱体上；以及套接有激励线圈和接 收线圈的线圈骨架，其中线圈骨架固定在所述导杆的位于壳体外的另 一端上，激励线圈和接收线圈依次套在线圈骨架外周并分别与激励插 头和接收插头电连接。本发明还公开了包括上述检测传感器的系统及 其应用。本发明只需要线圈骨架以及激励接收线圈部位伸入换热管内 即可完成对整根换热管的检测，极大程度的减小了需要清洗的区域， 提高了换热管的检测效率，检测精度高。 

东南大学国际分子铁电科学与应用研究院暨江苏省“分子铁电科学与应用”重点实验室团队发现了具有七个物理通道开关的热致变色铁弹体。相关工作以题为“The First Chiral Thermochromic Ferroelastic with Seven Physical Channel Switches”的学术论文在化学领域顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表。此外，该论文被选为VIP（Very ImportantPaper）。据悉，只有不到5%的已接收论文才能获得如此积极的评价。 在信息化时代，电子智能设备的信号处理和加密显得至关重要，具有多重物理通道双稳态开关特性的多功能材料成为后起之秀。众所周知，一把钥匙对应一个锁，假如我们将财产放进保险柜中，我们就又多了一层防护。类似地，每增加一个物理通道，就是增加一层保障。基于此，我们报道了首例具有七个物理通道的手性化合物，可以对信息进行七层加密处理，使信息安全更加可靠。 (a) 消旋晶体结构中的无序的CTA阳离子和手性有序的S-CTA和R-CTA阳离子 (b) (R-CTA)2CuCl4 (c) (S-CTA)2CuCl4的晶体堆积图 图为变温固体紫外-可见吸收光谱 该工作由博士生陆思祺（第一作者）等人的共同努力下完成，东南大学为第一通讯单位。该成果得到“东南大学十大科学与技术问题”启动培育基金的资助。

东南大学国际分子铁电科学与应用研究院暨江苏省“分子铁电科学与应用”重点实验室团队发现了具有七个物理通道开关的热致变色铁弹体。相关工作以题为“The First Chiral Thermochromic Ferroelastic with Seven Physical Channel Switches”的学术论文在化学领域顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表。此外，该论文被选为VIP（Very Important Paper）。据悉，只有不到5%的已接收论文才能获得如此积极的评价。 在信息化时代，电子智能设备的信号处理和加密显得至关重要，具有多重物理通道双稳态开关特性的多功能材料成为后起之秀。众所周知，一把钥匙对应一个锁，假如我们将财产放进保险柜中，我们就又多了一层防护。类似地，每增加一个物理通道，就是增加一层保障。基于此，我们报道了首例具有七个物理通道的手性化合物，可以对信息进行七层加密处理，使信息安全更加可靠。 图1. (a) 消旋晶体结构中的无序的CTA阳离子和手性有序的S-CTA和R-CTA阳离子；(b) (R-CTA)2CuCl4和(c) (S-CTA)2CuCl4的晶体堆积图。 早在1999年，Wataru Fujita等人在《Science》上就已经报道了磁双稳态（Science1999, 286, 261–262）。在1,3,5-trithia-2,4,6-triazapentalenyl（TTTA）分子中观测到一个明显的磁双稳态回线发生在230 K到305 K温度范围内。它的高温相为顺磁相，低温相在二聚作用的影响下具有抗磁性。三年后，M. E. Itkis等人在《Science》上报道了在非那烯基中性自由基产物中发现了电、光、磁三个物理通道的双稳态特性（Science2002, 296, 1443–1445）。直到2014年，熊仁根教授团队在《Advanced Materials》上报道了高碘酸咪唑（IPI）化合物具有介电、压电、SHG和铁电和机电耦合等五个物理通道的双稳态（Adv. Mater.2014, 26, 4515–4520）。由此可见，每增加一个物理通道都面临着巨大的挑战，在分子铁电“似球-非球”原理和手性引入的指导下，我们利用手性配体进行合成，将手性开关引入其中，成功组装得到了(R-CTA)2CuCl4和(S-CTA)2CuCl4(CTA = 3-Chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium) （图1），这两个化合物在介电、电导、二阶非线性、压电、铁弹性，手性和热致变色这七个物理通道上具有开关特性。其中热致变色特征尤为耀眼，区别于传统的相变材料，这为双稳态开关提供了光谱加密的新灵感。 图2. (a) DSC曲线；(b) 介电，电导，压电和二阶非线性光学等多重双稳态示意图。 (Rac-CTA)2CuCl4，(R-CTA)2CuCl4和(S-CTA)2CuCl4的相变点分别在361, 417 和420 K附近(图2)，随着温度变化，相变温度以下的低温相和相变温度以上的高温相的介电常数、电导率、压电系数、SHG信号强度均呈现出可切换的两种稳定的状态。 图3. (S-CTA)2CuCl4和(R-CTA)2CuCl4晶体在293 K下的铁弹畴结构。 此外，这对手性化合物还具有铁弹性，铁弹相变往往伴随着铁弹畴的演化。在正交偏振光下，不同取向的铁弹畴具有不同的双折射特性，从而呈现出明暗不同的结构区域。(S-CTA)2CuCl4和(R-CTA)2CuCl4的晶态薄膜在室温下呈现出清晰的三角形铁弹性结构。当温度高于相变点时，铁弹畴迅速消失，呈现出立方对称的消光特性。在随后的冷却中，规则的铁弹畴又很快显现，表现出明显的开关特性。 图4.变温固体紫外-可见吸收光谱。 除了铁弹性外，这一对手性晶体还展示出可转换的热致变色的性质。室温下，(R-CTA)2CuCl4和(S-CTA)2CuCl4晶体对光的吸收均低于540 nm，与它们呈现的黄色外观一致。随着温度的升高，电子吸收带的吸收边缘发生红移。当温度超过相变点达到423 K时，吸收边移动到580 nm，这也与晶体受热变成橙色一致。利用热致变色特征对光谱加密和信号检测进行特定的处理，这为开发新型加密技术带来新的思路。 该工作由博士生陆思祺（第一作者）等人的共同努力下完成，东南大学为第一通讯单位。该成果得到“东南大学十大科学与技术问题”启动培育基金的资助。