近日，清华大学材料学院朱宏伟教授团队在《先进材料》（Advanced Materials）上在线发表了题为“石墨烯体系中的阳离子-π相互作用”（Cation-π Interactions in Graphene Containing Systems for Water Treatment and Beyond）的长篇综述论文，系统总结了石墨烯体系中的阳离子-π相互作用在水处理（膜分离、吸附）、新材料合成、纳米发电、能量存储及溶液/复合材料分散等应用中所发挥的关键作用，分析了阳离子-π相互作用的影响机理，综述了现阶段相关理论工作进展，讨论了石墨烯体系中的阳离子-π相互作用研究中存在的问题，展望了未来潜在的研究方向。 阳离子-π相互作用是一种非共价相互作用，在自然界，尤其是生命体中普遍存在，在诸多生命反应进程中必不可少。近年来，阳离子-π相互作用在生物学、化学、物理学中的重要性被广泛关注。石墨烯是碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，可被视为一种独特的芳香族大分子。阳离子和石墨烯中离域π电子之间的相互作用会引起阳离子在石墨烯表面的富集、溶液中离子及石墨烯结构中电子的重新分布，进而影响石墨烯材料的本征性质及基于石墨烯的器件的性能。深入理解石墨烯体系中的阳离子-π相互作用，对于石墨烯特性的调控、器件的优化设计具有重要意义。 石墨烯体系中的阳离子-π相互作用及其应用 近年来，朱宏伟教授团队在石墨烯等新型二维材料的可控制备、结构设计及其在能源（太阳能电池、光电探测、光电催化）、环境（水处理、空气净化、土壤治理）、柔性传感器件等领域开展了大量研究工作，取得了一系列重要进展。该综述论文以石墨烯体系中的阳离子-π相互作用为切入点，对相关研究报道进行了梳理和讨论，并对其发展趋势和前景进行了展望。 本文通讯作者为朱宏伟教授，第一作者为清华大学材料学院2016级博士生赵国珂。本研究得到国家自然科学基金委基础科学中心项目和面上项目资助。 论文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201905756

层间转角在层状堆垛的二维材料体系中提供了一个全新的自由度来调控其结构与性质。近几年，相关方面的研究引起了广泛的关注。早在2012年，何林课题组就开始关注转角对双层石墨烯结构和电学性质的影响，测量了不同转角双层石墨烯的两个范霍夫峰的峰间距能量与转角大小的关系[1]，并预言该体系中的准粒子具有可调控的手征性[2]，研究了应变结构在该体系产生的赝磁场和赝朗道能级[3]。2015年，何林团队发现双层转角石墨烯体系费米速度随角度减小而迅速下降，证明在转角为1.1度(第一魔转角)附近时费米速度降为零[4]，并于2017年，在转角接近魔转角的双层石墨烯体系观察到强电子-电子相互作用[5]。2018年初MIT的Pablo课题组在魔角双层石墨烯观察到电子-电子相互作用导致的关联绝缘体态和超导态，魔角双层石墨烯物性研究迅速成为过去两年凝聚态物理研究的最大热点。 近期，何林课题组发展了一套方法，能够可控地制备利于扫描隧道显微镜系统（STM）研究的双层转角石墨烯，并利用STM研究了小角度双层石墨烯的性质，深入探索该体系由于电子-电子相互作用导致的平带简并度解除和新奇强关联量子物态的关联。例如，何林课题组与合作者发现当小转角体系的平带被部分填充时，电子-电子相互作用会解除平带的谷赝自旋简并度，在体系中产生很大的轨道磁矩（每个莫尔约10μ_B），由于轨道磁矩和磁场的耦合，谷极化态的劈裂能量会随着外加磁场线性增大[6]。同样的结果也在应变引起的平带中观察到了，当双层石墨烯的转角接近魔角时，体系中微小的应变结构可以使两个范霍夫峰之间出现一个新的零能量平带（赝朗道能级），何林课题组与合作者发现电子-电子相互作用会解除赝朗道能级的谷赝自旋简并度，产生轨道磁性态[7]。这些结果表明小转角石墨烯体系是研究二维轨道磁性态和量子反常霍尔效应的理想平台。在角度大于魔角的小转角双层石墨烯中，何林课题组与合作者证明电子-电子相互作用依然会起重要作用，并有可能产生完全不同于魔角双层石墨烯的新奇强关联量子物态。例如在1.49度的样品中，他们证明电子-电子相互作用解除了体系平带中的自旋和谷赝自旋的简并度，产生了一种全新的自旋和谷极化的金属态[8]，这一结果进一步拓宽了转角体系新奇强关联量子物态的研究范围。 除了电学性质受层间转角的调制，在双层转角石墨烯体系，由于层间堆垛能与层内晶格畸变引起的应变能的竞争，其原子结构也会随着角度发生改变。最近，何林课题组系统研究了双层转角石墨烯结构随着角度的演化，发现当转角大于魔角时，体系可以看作两个独立的刚性石墨烯层发生扭转，层内晶格畸变几乎可以忽略（定义为非重构结构）；当转角小于魔角时，由于莫尔条纹周期较大，层间堆垛能占主导，从而引起晶格畸变产生堆垛的畴界（domain wall）网格（定义为重构结构）。这种畴界的两边都是Bernal堆垛的双层石墨烯（分别为AB堆垛和BA堆垛），能传输谷极化的电流（图一）。我们利用STM证明非重构和重构的两种结构在魔角附近都能稳定存在。进一步，我们发现利用STM针尖脉冲可对魔角双层石墨烯的非重构和重构结构进行切换，从而开关其二维导电拓扑网格。同时，我们发现在强关联效应中起到重要作用的魔角双层石墨烯平带的带宽也能在这一过程中被调控[9]。相关成果近日刊发在物理学期刊《Physical Review Letters》上。何林教授课题组博士生刘亦文为第一作者，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的苏赢博士为文章的共同第一作者，何林教授为通讯作者。

层间转角在层状堆垛的二维材料体系中提供了一个全新的自由度来调控其结构与性质。近几年，相关方面的研究引起了广泛的关注。早在2012年，何林课题组就开始关注转角对双层石墨烯结构和电学性质的影响，测量了不同转角双层石墨烯的两个范霍夫峰的峰间距能量与转角大小的关系[1]，并预言该体系中的准粒子具有可调控的手征性[2]，研究了应变结构在该体系产生的赝磁场和赝朗道能级[3]。2015年，何林团队发现双层转角石墨烯体系费米速度随角度减小而迅速下降，证明在转角为1.1度(第一魔转角)附近时费米速度降为零[4]，并于2017年，在转角接近魔转角的双层石墨烯体系观察到强电子-电子相互作用[5]。2018年初MIT的Pablo课题组在魔角双层石墨烯观察到电子-电子相互作用导致的关联绝缘体态和超导态，魔角双层石墨烯物性研究迅速成为过去两年凝聚态物理研究的最大热点。 近期，何林课题组发展了一套方法，能够可控地制备利于扫描隧道显微镜系统（STM）研究的双层转角石墨烯，并利用STM研究了小角度双层石墨烯的性质，深入探索该体系由于电子-电子相互作用导致的平带简并度解除和新奇强关联量子物态的关联。例如，何林课题组与合作者发现当小转角体系的平带被部分填充时，电子-电子相互作用会解除平带的谷赝自旋简并度，在体系中产生很大的轨道磁矩（每个莫尔约10μ_B），由于轨道磁矩和磁场的耦合，谷极化态的劈裂能量会随着外加磁场线性增大[6]。同样的结果也在应变引起的平带中观察到了，当双层石墨烯的转角接近魔角时，体系中微小的应变结构可以使两个范霍夫峰之间出现一个新的零能量平带（赝朗道能级），何林课题组与合作者发现电子-电子相互作用会解除赝朗道能级的谷赝自旋简并度，产生轨道磁性态[7]。这些结果表明小转角石墨烯体系是研究二维轨道磁性态和量子反常霍尔效应的理想平台。在角度大于魔角的小转角双层石墨烯中，何林课题组与合作者证明电子-电子相互作用依然会起重要作用，并有可能产生完全不同于魔角双层石墨烯的新奇强关联量子物态。例如在1.49度的样品中，他们证明电子-电子相互作用解除了体系平带中的自旋和谷赝自旋的简并度，产生了一种全新的自旋和谷极化的金属态[8]，这一结果进一步拓宽了转角体系新奇强关联量子物态的研究范围。 除了电学性质受层间转角的调制，在双层转角石墨烯体系，由于层间堆垛能与层内晶格畸变引起的应变能的竞争，其原子结构也会随着角度发生改变。最近，何林课题组系统研究了双层转角石墨烯结构随着角度的演化，发现当转角大于魔角时，体系可以看作两个独立的刚性石墨烯层发生扭转，层内晶格畸变几乎可以忽略（定义为非重构结构）；当转角小于魔角时，由于莫尔条纹周期较大，层间堆垛能占主导，从而引起晶格畸变产生堆垛的畴界（domain wall）网格（定义为重构结构）。这种畴界的两边都是Bernal堆垛的双层石墨烯（分别为AB堆垛和BA堆垛），能传输谷极化的电流（图一）。我们利用STM证明非重构和重构的两种结构在魔角附近都能稳定存在。进一步，我们发现利用STM针尖脉冲可对魔角双层石墨烯的非重构和重构结构进行切换，从而开关其二维导电拓扑网格。同时，我们发现在强关联效应中起到重要作用的魔角双层石墨烯平带的带宽也能在这一过程中被调控[9]。相关成果近日刊发在物理学期刊《Physical Review Letters》上。何林教授课题组博士生刘亦文为第一作者，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的苏赢博士为文章的共同第一作者，何林教授为通讯作者。

本项目根据润滑油精制萃取塔改造的迫切需要，利用先进的测试手段，系统地研究了金属Intalox等国外引进的新型填料用于低界面张力体系时的两项流动，轴向返混，传质特性和设计方法：/line针对高孔隙率新型填料用于低界面张力体系的特点，提出了新的填料萃取塔液泛速度的计算方法，可用于润滑油精制生产装置的核算和设计；/line用光导纤维探针式比色计和计算机在线数据采集系统，可靠地测定单项和两项流动情况下的轴向扩散系数，并用随机模型成功地进行了关联；/line通过拟合实测的两项浓度剖面，求得了文献中罕见的“真实”体积传质系数，为在扩散模型的基础上，比较准确地模拟填料萃取塔的传质性能提供了依据；/line突破了长期沿用气-液传质设备液体分布器的设计方法的局限，研究了对工业填料萃取塔性能具有重要影响的液液分配器的性能和设计方法，编制了优化设计的计算机程序；首次建立了复合型填料萃取塔诊断专家体统，具有一定的实用价值

项目简介本项目创新点在于首次在纯盐溶液的均相介质中采用等离子体引发技术完成自由基的聚合反应，同时让亲水性聚电解质产物与盐溶液介质相分离，从而解决了亲水性聚电解质在制备过程中直接提纯分离的科学问题，最终获得直接合成纯净态亲水性聚电解质的新技术。该项目技术成果经过河北省科技厅组织的专家鉴定，其技术水平达到国际先进。项目该技术成果已经在贵州六盘水煤矿煤泥厂、四川攀枝花煤矿煤泥厂等单位应用一年，均取得了良好的经济效益。二、市场前景纯净态聚电解质具有分子量分布窄，电荷聚集密度高等分子结构优势，特别适合于洗煤污水净化，处理后中水完全达到循环应用，处理成本仅为0.15～0.25元/方污水，对于高浓度煤泥脱水也具有很好的应用效果。该产品在洗煤场具有很好的推广应用前景，不仅符合国家环境保护政策，同时通过节约洗煤用水和提高精煤回收率，给企业带来良好的经济效益和社会效益。三、规模与投资按照月生产50吨产品计算，需要投资10万元固定资产和100万元流动资金。四、生产设备反应精混设备一套。五、效益分析应用本技术生产的产品税前利润为1500～1800元/吨。六、合作方式考虑到等离子体引发技术的复杂性，该项目技术合作主要在合成中间体的基础上，进一步深化反应、调和配方与应用方面。项目负责人：黎钢联系电话： 022-60202443

Ø 本项目是采用独特的首创工艺—“连续增溶液浆法”在同一条生产线上生产多种高质量的非离子型纤维素醚（主要是混合醚）和其交联产品。

本项目创新开发了基于微生物过程强化关键技术的造纸和发酵废水厌氧资源化处理工艺、创新开发了基于自由基缓释和催化剂固定化的异相催化氧化技术、创新开发了氨浸渍强化吸附及泡沫活性碳变压吸附沼气净化技术，并创新集成了针对造纸和发酵废水的资源化及超低排放处理技术体系，有效解决了造纸和发酵行业典型废水生物质能回收和超低排放的技术问题。 一、项目分类 显著效益成果转化 二、成果简介 本项目属于轻工业科学技术领域的轻工业废物处理与综合利用方向，围绕我国造纸和发酵废水排放量占全国工业废水排放量比例高、处理技术不成熟、处理成本高等问题，按照资源化利用、超低排放或回用的要求，创新开发了基于微生物过程强化关键技术的造纸和发酵废水厌氧资源化处理工艺、创新开发了基于自由基缓释和催化剂固定化的异相催化氧化技术、创新开发了氨浸渍强化吸附及泡沫活性碳变压吸附沼气净化技术，并创新集成了针对造纸和发酵废水的资源化及超低排放处理技术体系，有效解决了造纸和发酵行业典型废水生物质能回收和超低排放的技术问题。项目技术凭借工艺先进、清洁环保、质优价廉等特点打破了国外在该领域近30年的垄断。目前该技术广泛应用于中国、俄罗斯等200多家大型企业，为造纸和发酵行业的典型废水处理提供先进配套技术及装备。项目系统创新性强，社会经济效益显著。本项技术具有完备自主知识产权，获得海内外授权技术专利26项，2016年获国家科技进步二等奖。

南方型杨树不同培育目标的工业用材林定向培育模式 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 围绕我国木材资源短缺的现状，根据黄淮平原和长江中下游的气候、土壤和社会经济条件，针对南方型杨树人工林培育中存在的产量和质量问题，从应用基础和应用技术两方面系统开展了南方型杨树新品种创制、可持续经营的养分机制及地力维护技术、插干造林技术、修枝技术体系、林分结构构建与调控及计算机经营模拟系统的构建与应用等研究，优化组装出了南方型杨树不同培育目标的工业用材林定向培育模式，是一项关键技术集成的创新成果。 1）创制了产量高、质量优、抗性强的南方型杨树新品种和良种各8个，杨树人工林产量和木材质量得到了显著提高，为黄淮流域和长江中下游地区杨树可持续健康发展提供了新种质。特别是所创制的雄性不育泗杨1号新品种（良种），解决了杨树人工林“飘絮”等环境问题。 2）创新研发了特殊立地的土壤改良技术。首次针对退耕还林地等特殊立地，研究了不同覆盖植被种类的养分含量与养分释放规律，阐明了生物覆盖对杨树人工林土壤理化性质、土壤微生物和酶活性的影响机理，提出有利于提高退耕还林地杨树人工林生产力的优化生物覆盖技术措施；首次探索了污水处理厂厌氧消化脱水污泥在杨树人工林上的应用，证明城市污水处理厂污泥在土壤贫瘠、有机质含量低的林地施用具有很大潜力；针对盐碱土杨树造林成活率低的现状，提出了有利于杨树成林的有效措施。 3）针对杨树短轮伐期经营和纯林连作造成地力衰退的现象，系统研究了杨树人工林经营的养分调控机制，阐明了杨树人工林林下植被、凋落物种类与土壤物理、化学和生物学性质的关系，揭示了多代连作杨树人工林土壤退化的原因，丰富了森林培育学理论，为南方型杨树人工林可持续经营及地力维护技术提供了依据。 4）针对不同培育目标（特别是大径材培育），在国内首次提出了采用2-3干大苗插干造林, 配合保水剂应用的造林技术；提出了一种新的杨树修枝方法（年龄轮生枝法）技术体系；优化了南方型杨树优质大径材的林分结构构建和调控技术；筛选出了综合经济效益高的杨树林地链式复合经营技术体系，实现了杨树人工林优质、丰产和高效之经营目标。 5）以南方型杨树为研究对象，采用长期定位研究与野外大量典型样地调查相结合的方法，建立了集经营模拟、经济效益评价、优化决策于一体的南方型杨树人工林经营模型系统，开发了南方型杨树人工林经营模型系统软件，为南方型杨树模式化定向培育理论的实现提供了可靠的工具。 该成果机理研究与应用技术研究相统一，体现出了技术含量高，又能在生产实践中推广应用的技术特点。成果创制杨树新品种和良种各8个；获授权专利6件、计算机软件著作权2件，申请发明专利1件；制定行业和地方标准共6项；出版著作2部，公开发表论文102篇（其中SCI收录25篇）。成果先后在江苏、安徽、湖南、湖北、河南、山东等省大面积推广应用，取得了明显的经济、生态和社会效益。

该成果 2016 年度江苏省教育厅科技进步奖三等奖。成果集成了机械化条件下稻茬小麦机播壮苗抗逆高产栽培技术体系，集成创新出稻茬小麦机播壮苗抗逆高产技术体系，并在技术地方化、区域化、标准化、信息化等方面取得重要进展。