導(dǎo)讀
近日，福州大學(xué)化工學(xué)院、氟氮化工新材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鮑曉軍教授、朱海波教授課題組等丙烷脫氫催化劑研究新進(jìn)展在Science上發(fā)表，浙江大學(xué)化學(xué)系黃飛鶴教授團(tuán)隊(duì)Nature發(fā)文，提出了“超分子對(duì)接”概念，創(chuàng)造性地利用“分子捕手”——超分子大環(huán)的金屬有機(jī)框架，特異性識(shí)別長烷基鏈化合物，并系統(tǒng)性地測定其單晶結(jié)構(gòu)，成功為未知的化合物上了“戶口”；浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院謝濤教授和鄭寧研究員團(tuán)隊(duì)在Science發(fā)文，發(fā)現(xiàn)了一種全新熱可逆的光點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，并由此制造了可反復(fù)多次循環(huán)打印且具有優(yōu)異力學(xué)性能的光固化3D打印樹脂；南開大學(xué)汪磊教授課題組、孫紅文教授課題組Nature發(fā)文，證實(shí)大氣微塑料可被植物葉片“吸入”并進(jìn)入食物鏈；上海交大錢小石團(tuán)隊(duì)Nature發(fā)文，發(fā)現(xiàn)極化高熵鈣鈦礦氧化物中的巨電卡效應(yīng)。
福州大學(xué)化工學(xué)院、氟氮化工新材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鮑曉軍教授、朱海波教授課題組與清源創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、中石化（上海）石油化工研究院有限公司、上海高等研究院（上海光源）等單位在“丙烷脫氫催化劑”方面開展合作研究，并取得重大進(jìn)展。2025年4月10日，課題組與相關(guān)合作單位在頂級(jí)期刊Science上以“first release”形式發(fā)表了一篇題為“A self-regenerating Pt/Ge-MFI zeolite for propane dehydrogenation with high endurance”的研究論文。福州大學(xué)博士研究生洪惠真為該篇論文第一作者，鮑曉軍教授、朱海波教授為通訊作者。這是我校再次以第一單位在Science上發(fā)表研究成果。
頁巖氣革命和“雙碳”戰(zhàn)略推動(dòng)了丙烷脫氫（PDH）技術(shù)的迅猛發(fā)展，使其成為定向生產(chǎn)丙烯的主流路線。負(fù)載型Pt團(tuán)簇是PDH技術(shù)的主流催化劑。然而，Pt團(tuán)簇在苛刻服役工況下極易發(fā)生燒結(jié)失活，為此工業(yè)上必須頻繁地在氧-氯混合氣氛中通過氯誘導(dǎo)Pt顆粒再分散，同時(shí)燒除積炭，以恢復(fù)其催化活性。這不僅導(dǎo)致設(shè)備腐蝕和含氯污染物生成，還會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放。
該研究團(tuán)隊(duì)圍繞創(chuàng)制無氯條件下可再生的Pt基催化劑這一重大課題開展研究，發(fā)現(xiàn)Ge-分子篩負(fù)載的Pt催化劑具有獨(dú)特的環(huán)境適應(yīng)能力及Ge-分子篩在氧化氣氛中具有奇特的“捕獲”Pt的能力，據(jù)此提出了一種簡單、高效的PDH催化劑制備方法。該催化劑在“脫氫反應(yīng)-燒炭再生”循環(huán)中表現(xiàn)出“Pt8團(tuán)簇?Pt1單原子”動(dòng)態(tài)可逆轉(zhuǎn)化。尤為重要的是，其在800℃氧化環(huán)境中連續(xù)處理長達(dá)10天后，催化劑孔道內(nèi)的Pt物種依然保持穩(wěn)定，首次實(shí)現(xiàn)了在無氯氧化氣氛中超百次的完全再生。該研究成果不僅為烷烴脫氫Pt催化劑的設(shè)計(jì)和制備提供了科學(xué)基礎(chǔ)，還為高溫抗燒結(jié)金屬團(tuán)簇催化劑的研發(fā)開辟了新途徑。
近年來，福州大學(xué)緊緊圍繞國家“雙一流”建設(shè)、“十四五”規(guī)劃、“1445”戰(zhàn)略工程和百條任務(wù)攻堅(jiān)等戰(zhàn)略目標(biāo)，全面落實(shí)“11個(gè)一流”建設(shè)要求，全力推進(jìn)“八大重點(diǎn)任務(wù)”攻堅(jiān)，穩(wěn)步推進(jìn)高水平科研創(chuàng)新工程，在引領(lǐng)性原創(chuàng)成果產(chǎn)出方面不斷取得突破?！笆奈濉币詠?，福州大學(xué)教師以第一單位（含共同第一作者）或通訊單位發(fā)表CNS主刊論文共8篇。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu6907
2、給化學(xué)物質(zhì)“上戶口”，浙大“分子捕手”登《自然》
化合物結(jié)構(gòu)測定就像是給化學(xué)物質(zhì)“上戶口”，讓科學(xué)家能清楚地知道它長什么樣、由什么組成。這不僅幫助我們認(rèn)識(shí)藥物和天然產(chǎn)物中的有效成分，還能指導(dǎo)我們?nèi)绾卫?、改進(jìn)它們。目前，測定化合物結(jié)構(gòu)最直接的方法是單晶X射線衍射分析，但該方法通常不適用于長烷基鏈化合物，因?yàn)樯L它們的單晶十分具有挑戰(zhàn)性。針對(duì)這一難點(diǎn)，浙江大學(xué)化學(xué)系黃飛鶴教授團(tuán)隊(duì)提出了“超分子對(duì)接”概念，創(chuàng)造性地利用“分子捕手”——超分子大環(huán)的金屬有機(jī)框架，特異性識(shí)別長烷基鏈化合物，并系統(tǒng)性地測定其單晶結(jié)構(gòu)，成功為未知的化合物上了“戶口”。
相關(guān)研究成果以“Supramolecular docking structure determination of alkyl-bearing molecules”為題，于北京時(shí)間4月9日發(fā)表于《自然》。論文共同第一作者為浙江大學(xué)化學(xué)系博士后吳奕韜、浙江師范大學(xué)特聘教授史樂與南京大學(xué)博士徐磊，浙江大學(xué)化學(xué)系黃飛鶴、華彬、陳志杰和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校教授Jonathan L. Sessler為共同通訊作者。
黃飛鶴團(tuán)隊(duì)在超分子化學(xué)領(lǐng)域深耕二十余載， 團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)柱芳烴對(duì)于長烷基鏈化合物具有一種強(qiáng)烈的“吸引力”——就像磁鐵的南北極，能夠相互特異性吸引，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的絡(luò)合物。當(dāng)把柱芳烴精準(zhǔn)整合到金屬有機(jī)框架（MOF）材料中，長烷基鏈分子可以被柱芳烴絡(luò)合后在MOF內(nèi)部實(shí)現(xiàn)三維有序的排列，就像一條隨意游走、扭曲的“小蛇”被抓住了“身體”，因此長烷基鏈分子的晶體結(jié)構(gòu)可以被解析出來。團(tuán)隊(duì)把這個(gè)能夠特異性識(shí)別長烷基鏈分子的柱芳烴-MOF結(jié)構(gòu)形象地命名為——分子捕手（molecular catcher）。這個(gè)方法實(shí)驗(yàn)操作簡單，測試所需時(shí)間短，適用底物范圍廣，在天然產(chǎn)物、藥物和有機(jī)合成中間體的結(jié)構(gòu)確定方面都具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08833-2
3、3D打印塑料進(jìn)入“零廢料”時(shí)代？浙大新技術(shù)登《科學(xué)》
鑄造模具、醫(yī)療器械、藝術(shù)創(chuàng)作……3D打印技術(shù)憑借其可快速定制化的優(yōu)勢，在工業(yè)制造、生物醫(yī)療、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。然而，在3D打印逐漸成為主流制造技術(shù)的同時(shí)，可以預(yù)見其將產(chǎn)生越來越多的廢棄物，這會(huì)像其他塑料一樣成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院謝濤教授和鄭寧研究員團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種全新熱可逆的光點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，并由此制造了可反復(fù)多次循環(huán)打印且具有優(yōu)異力學(xué)性能的光固化3D打印樹脂。相關(guān)研究成果以“Circular 3D printing of high-performance photopolymers through dissociative network design”為題，于北京時(shí)間4月11日發(fā)表在《科學(xué)》上。論文第一作者為浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院博士生楊博，論文通訊作者為謝濤和鄭寧，浙江大學(xué)是唯一通訊單位。
謝濤團(tuán)隊(duì)長期致力于3D打印技術(shù)的創(chuàng)新研究，在提升制造效率以及高性能樹脂開發(fā)方面取得顯著進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)去年在《自然》上報(bào)道了一種具有超強(qiáng)力學(xué)性能的3D打印材料，能拉伸到自身長度的9倍以上?；谙嚓P(guān)領(lǐng)域的研究積累，團(tuán)隊(duì)一直思考如何有效的降低樹脂的成本。
硫醇與芳香醛的可逆光點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)
3D打印的原材料由光敏樹脂液態(tài)單體構(gòu)成，“實(shí)驗(yàn)中一次意外的硫醇試劑添加，導(dǎo)致了與預(yù)期完全相反的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?！睏畈┗貞浾f。通過深入分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致材料“異常”聚合的關(guān)鍵因素——醛基和巰基的光點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)?！傲虼寂c芳香醛的縮合反應(yīng)是經(jīng)典的化學(xué)反應(yīng)?！编崒幗忉尩?，這類反應(yīng)通常需要長時(shí)間加熱才能完成?！斑@個(gè)實(shí)驗(yàn)中的小意外，讓團(tuán)隊(duì)首次證實(shí)該反應(yīng)可以在光誘導(dǎo)下快速高效的進(jìn)行?！贝蜷_了制造高性能、可循環(huán)3D打印材料的大門。
團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了基于醛基/巰基反應(yīng)的逐步聚合3D打印體系，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑，從而開創(chuàng)了3D打印的新策略。“我們利用這類光點(diǎn)擊-熱可逆的動(dòng)態(tài)化學(xué)構(gòu)筑起了高分子網(wǎng)絡(luò)的‘樂高’，實(shí)現(xiàn)了可循環(huán)3D打印?！敝x濤介紹。
模塊化的聚合物網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
得益于逐步縮聚機(jī)制的優(yōu)勢，以上體系允許其主鏈結(jié)構(gòu)的可以模塊化調(diào)控，而不會(huì)影響其循環(huán)特性?！巴ㄟ^分子設(shè)計(jì)調(diào)控聚合物主鏈的結(jié)構(gòu)，我們成功制備出彈性體、結(jié)晶性聚合物以及剛性聚合物等多種不同的3D打印材料。”鄭寧介紹，這些聚合物在消失模鑄造（如金屬引擎）及正畸牙套生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用空間，且同一樹脂原料能夠重復(fù)使用以制造多個(gè)零部件，減少了對(duì)環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)。
“我們的研究在分子層面成功突破了傳統(tǒng)光固化3D打印材料力學(xué)性能與閉環(huán)回收之間的內(nèi)在矛盾。其構(gòu)建的光響應(yīng)動(dòng)態(tài)二硫代縮醛化學(xué)體系，為實(shí)現(xiàn)高性能光固化3D打印材料的閉環(huán)再生提供了創(chuàng)新性的分子設(shè)計(jì)，對(duì)發(fā)展可持續(xù)先進(jìn)制造技術(shù)具有重要指導(dǎo)意義。”謝濤說。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads3880
4、南開團(tuán)隊(duì)Nature發(fā)文 證實(shí)大氣微塑料可被植物葉片“吸入”并進(jìn)入食物鏈
北京時(shí)間4月9日晚，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院汪磊教授課題組、孫紅文教授課題組與美國麻省大學(xué)阿默斯特分校邢寶山教授課題組，以及中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心、東北大學(xué)和北京市農(nóng)林科學(xué)院的聯(lián)合研究進(jìn)展。該研究題為“Leaf absorption contributes to accumulation of microplastics in plants（葉片吸收促進(jìn)植物對(duì)微塑料的富集）”。團(tuán)隊(duì)針對(duì)植物葉片對(duì)大氣微塑料的潛在吸收行為缺乏有力證明這一問題，利用質(zhì)譜、高光譜、原子力顯微鏡—紅外光譜聯(lián)用等檢測技術(shù)，突破了環(huán)境樣品中微塑料的粒徑尺寸限制及生物富集水平難以定量表征的研究瓶頸，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)環(huán)境中植物葉內(nèi)被吸收微塑料顆粒的成功觀測，揭示了葉內(nèi)富集微塑料與大氣微塑料的關(guān)聯(lián)，并在模擬暴露實(shí)驗(yàn)中闡明了微塑料可由葉片氣孔吸收、通過質(zhì)外體途徑進(jìn)入維管束，且會(huì)在毛狀體中積累的吸收和富集機(jī)制。
該研究首次明確提出葉片吸收大氣微塑料是微塑料進(jìn)入食物鏈和人體的重要途徑，推動(dòng)了微塑料污染研究領(lǐng)域的認(rèn)知進(jìn)步，是我國在新污染物研究領(lǐng)域取得的又一引領(lǐng)性成果，可為污染物的管理政策制定提供科學(xué)依據(jù)。
南開新污染物研究團(tuán)隊(duì)開展植物模擬暴露實(shí)驗(yàn)
植物吸收是很多污染物進(jìn)入食物鏈的重要途徑。植物可通過根系吸收土壤中的微塑料，但其向上運(yùn)輸效率較低，對(duì)地上可食部分的貢獻(xiàn)有限。大氣中的微塑料污染廣泛存在，如能被植物葉片直接吸收，將導(dǎo)致更直接的污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。南開大學(xué)的新污染物研究團(tuán)隊(duì)立足環(huán)境科學(xué)學(xué)科，結(jié)合地學(xué)、生態(tài)學(xué)與分析化學(xué)的方法和前沿技術(shù)，針對(duì)植物葉片對(duì)大氣環(huán)境中微塑料的潛在吸收行為開展野外調(diào)查與實(shí)驗(yàn)室模擬研究。
圖1 天津地區(qū)樹葉、蔬菜和大氣中目標(biāo)微塑料的濃度
研究團(tuán)隊(duì)選擇滌綸生產(chǎn)企業(yè)與垃圾填埋場等典型區(qū)域，采用團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的“化學(xué)解聚—單體化合物質(zhì)譜檢測”等技術(shù)定量表征樹葉中聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚苯乙烯（PS）微塑料及塑料低聚物的污染水平。發(fā)現(xiàn)部分植物葉片中PET和PS聚合物的濃度最高可達(dá)10^4 ng/g，且與葉片生長時(shí)間、葉片氣體交換能力和大氣污染水平具有顯著相關(guān)性。采用高光譜成像（HSI）和原子力顯微鏡—紅外光譜聯(lián)用技術(shù)（AFM-IR），在現(xiàn)場植物葉片中觀測到被吸收的PET、PS、PA（尼龍）以及PVC（聚氯乙烯）微塑料顆粒。
圖2 現(xiàn)場調(diào)查的葉片和實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)的玉米葉片中吸收的PET微塑料
圖3 玉米葉片中吸收的熒光PS微塑料
研究團(tuán)隊(duì)還采用現(xiàn)場采集的微塑料粉塵與熒光標(biāo)記、銪標(biāo)記微塑料顆粒開展多種形式的暴露實(shí)驗(yàn)，利用HSI、激光共聚焦顯微鏡及激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜表征手段，揭示了微塑料被玉米葉片的氣孔吸收，通過質(zhì)外體途徑轉(zhuǎn)運(yùn)至維管組織，以及在葉片毛狀體中積累的行為規(guī)律。
圖4 PS塑料顆粒在玉米葉片中的分布及推測的運(yùn)移路徑
研究還報(bào)道了蔬菜中微塑料的濃度水平，提示了露天種植的葉菜類蔬菜對(duì)于微塑料人體暴露的重要貢獻(xiàn)，揭示了植物對(duì)于環(huán)境微塑料進(jìn)入食物鏈，進(jìn)而引起生態(tài)系統(tǒng)與人體健康潛在風(fēng)險(xiǎn)的重要作用。
南開新污染物研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)質(zhì)譜分析方法
南開大學(xué)為第一通訊單位，汪磊教授、邢寶山教授、孫紅文教授為該論文通訊作者。環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院2021級(jí)環(huán)境科學(xué)專業(yè)博士研究生李燁為該論文第一作者。此研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和亞太氣候組織（APN）國際合作項(xiàng)目的資助。
南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院擁有環(huán)境科學(xué)首批國家重點(diǎn)學(xué)科和環(huán)境污染過程與基準(zhǔn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等科研平臺(tái)，在新污染物研究方面起步較早、積淀深厚。學(xué)院承擔(dān)多項(xiàng)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家重點(diǎn)基金項(xiàng)目等重要科研項(xiàng)目，針對(duì)全多氟化合物、多溴聯(lián)苯醚、有機(jī)磷酸酯、納米污染物、抗生素抗性基因等重要新污染物開展了系統(tǒng)的前瞻性研究，成果在Nature Geoscience、Nature Communications、PNAS、EHP、ES&T 等權(quán)威期刊發(fā)表，先后獲得教育部和天津市科學(xué)技術(shù)研究獎(jiǎng)項(xiàng)十余項(xiàng)。本項(xiàng)研究成果是南開大學(xué)環(huán)境學(xué)科成立五十周年之際在新污染物研究方面取得的重要突破。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08831-4
5、上海交大錢小石團(tuán)隊(duì)Nature發(fā)文，發(fā)現(xiàn)極化高熵鈣鈦礦氧化物中的巨電卡效應(yīng)
上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院前瞻交叉研究中心錢小石教授課題組設(shè)計(jì)并合成了一種具有極化高熵狀態(tài)的無鉛鈣鈦礦氧化物，發(fā)現(xiàn)了其中蘊(yùn)藏的巨電卡效應(yīng)，并揭示了其內(nèi)在構(gòu)效關(guān)系。4月9日，錢小石教授課題組與澳大利亞伍倫貢大學(xué)張樹君教授合作在Nature上發(fā)表了題為“Giant electrocaloric effect in high-polar-entropy perovskite oxides”的研究論文。研究人員在原子尺度擾亂極性結(jié)構(gòu)的有序度，創(chuàng)制了具有晶格級(jí)混亂度的“極化高熵陶瓷”，顯著增強(qiáng)了無鉛鐵電陶瓷中的巨電卡效應(yīng)。本文為電卡制冷技術(shù)提供了關(guān)鍵材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，跨尺度制造了集成化的多層電卡制冷新工質(zhì)。機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院博士生杜飛宏和楊天南副教授為論文共同第一作者，錢小石教授和張樹君教授為本文通訊作者。
電卡效應(yīng)描述了極性電介質(zhì)在電場下發(fā)生的、可逆的極化熵變。由于電致熵變，電介質(zhì)材料在充電時(shí)對(duì)外放熱，放電時(shí)吸熱。類比于傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)氣體制冷劑的氣液相變，電卡制冷系統(tǒng)利用電場循環(huán)驅(qū)動(dòng)電介質(zhì)的吸、放熱實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。這種全新的制冷范式具有天然的零溫室氣體排放、高能效、易于輕量化的特點(diǎn)，被認(rèn)為是一條推動(dòng)制冷技術(shù)從電氣化邁向電子化的顛覆性技術(shù)路線。如何從原子尺度設(shè)計(jì)性能更優(yōu)、更易規(guī)模化集成的制冷電介質(zhì)（固態(tài)制冷工質(zhì)），是該領(lǐng)域當(dāng)前的研究重點(diǎn)之一。
圖1. “極化高熵”電卡陶瓷的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵物性
鐵電陶瓷由于具有較高的極化強(qiáng)度，長期以來作為一種主要的電卡制冷材料被廣泛研究。當(dāng)前性能較好的電卡陶瓷含有大量鉛、鈧等元素，其大規(guī)模生產(chǎn)將面臨額外的環(huán)境與成本問題。因此，研究人員針對(duì)無鉛陶瓷開展研究?；趫F(tuán)隊(duì)前期在鐵電材料研究中構(gòu)建的朗道唯象理論模型，研究人員提出一種“極化高熵”的無機(jī)氧化物設(shè)計(jì)方法：通過在鈦酸鋇基鐵電陶瓷的ABO3結(jié)構(gòu)中A和B位同時(shí)進(jìn)行有針對(duì)性的多元素取代，創(chuàng)制了一種極化結(jié)構(gòu)高度無序的無鉛弛豫鐵電體（BSHSZT，Ba0.8Sr0.2Hf0.025Sn0.025Zr0.025Ti0.925O3），有效地誘導(dǎo)了大量可相互轉(zhuǎn)變的極性、非極性區(qū)域。這些原子尺度的極性納米疇區(qū)的存在顯著提高了疇壁的密度，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了陶瓷的極化熵。相比極性結(jié)構(gòu)相對(duì)更有序的鈦酸鋇（BT，BaTiO3）和鋯鈦酸鋇（BZT，BaZr0.2Ti0.8O3）等樣品，極化高熵的陶瓷樣品（BSHSZT）具有更高的電卡效應(yīng)強(qiáng)度和更寬的工作溫度窗口。在10 MV m-1電場驅(qū)動(dòng)下，極化高熵氧化物的熵變約為15 J kg-1 K-1，約為BT的十倍，電卡效應(yīng)的溫度窗口在室溫附近，覆蓋超過60 ℃的溫度范圍（圖1）。這種極化高熵氧化物中分布著超細(xì)分散、多相共存的晶格結(jié)構(gòu)，具有較高的擊穿電場，及超過100萬次的穩(wěn)定循環(huán)壽命。
圖2. “極化高熵”電卡陶瓷材料中超細(xì)分散、高度混亂的極化結(jié)構(gòu)
通過透射電子顯微鏡和X射線衍射等結(jié)構(gòu)表征，研究人員揭示了BSHSZT的確比BT和BZT具有更混亂無序的極性結(jié)構(gòu)。隨著A或B位元素取代給鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)帶來的擾動(dòng)加劇，BT中大塊的鐵電疇首先會(huì)破碎分裂成BZT中更小的交錯(cuò)的疇域，并進(jìn)一步在極化高熵BSHSZT陶瓷中退化成僅由數(shù)個(gè)晶格組成的極性團(tuán)簇。這些極性團(tuán)簇尺寸遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)意義上的極性納米微區(qū)，且彼此極化方向不同。相場模擬揭示了極性團(tuán)簇間的界面具有較強(qiáng)電場響應(yīng)活性，因此在電場下貢獻(xiàn)了巨大的極化熵變，成為了BSHSZT陶瓷中大電卡效應(yīng)的來源（圖2）。
圖3. 無機(jī)鐵電陶瓷材料極化結(jié)構(gòu)在電場下的演化
這種針對(duì)無機(jī)材料的極化高熵策略能夠有效增大電致熵變的同時(shí)，降低電致相變的能壘。團(tuán)隊(duì)在原位電場作用下進(jìn)一步表征了無機(jī)鐵電陶瓷材料極化結(jié)構(gòu)的演化。透射電子顯微鏡圖像表明，BSHSZT極化高熵陶瓷中混亂的極性團(tuán)簇在電場作用下更容易出現(xiàn)極化疇的合并與極化方向的趨同翻轉(zhuǎn)。在施加相同電場前后，發(fā)生在極化高熵材料表面的X射線散射（GISAXS）和光學(xué)二次諧波產(chǎn)生（optical-SHG）的信號(hào)都表現(xiàn)出比BT和BZT更大的下降，驗(yàn)證了極化高熵陶瓷中極化翻轉(zhuǎn)能壘的降低（圖3）。
圖4. 電介質(zhì)物性與多層電卡制冷工質(zhì)的跨尺度制造
高熵BSHSZT的介電常數(shù)遠(yuǎn)高于BT和BZT，佐證了其具有更高的電場調(diào)制活性。其在較高電場下的極化強(qiáng)度并未發(fā)生顯著變化，意味著其電卡效應(yīng)的增強(qiáng)源自零電場下極化熵的增加，而并非有限電場下極化強(qiáng)度的提高。研究人員進(jìn)一步基于BSHSZT高熵陶瓷原料制造了陶瓷多層電容器，降低了驅(qū)動(dòng)電壓，顯著提高了該類材料作為電卡制冷工質(zhì)的制冷容量。BSHSZT陶瓷的電卡效應(yīng)強(qiáng)度為BT的1000%，BZT的250%，并可穩(wěn)定循環(huán)高達(dá)100萬次；其電卡效應(yīng)在室溫附近具有良好的溫度穩(wěn)定性，可在15 ℃到75 ℃的溫度窗口穩(wěn)定工作（圖4）。
研究工作獲上海硅酸鹽研究所傅正錢副研究員、上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鐘圣怡教授、物理學(xué)院錢冬教授、張江高等研究院原亞焜副教授、武漢理工大學(xué)材料學(xué)院郝華教授等研究團(tuán)隊(duì)的支持；上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院朱向陽教授、孟光教授、陳江平教授、陳昕副教授為本文提供了重要指導(dǎo)；美國賓州州立大學(xué)陳龍慶教授、武漢理工大學(xué)劉韓星教授、中科院上硅所王根水研究員、陳學(xué)鋒研究員、上海交通大學(xué)物理學(xué)院向?qū)Ы淌跒榇搜芯刻峁┝酥匾獛椭?/p>
研究工作獲得科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃變革性技術(shù)與關(guān)鍵科學(xué)問題專項(xiàng)，國家自然科學(xué)基金和上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目，上海交通大學(xué)“交大2030”項(xiàng)目、“思源學(xué)者”項(xiàng)目、重點(diǎn)前瞻布局基金等的資助。上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新中心、上海交通大學(xué)分析測試中心、轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施（上海）和上海同步輻射光源BL16B1線站為研究工作提供了實(shí)驗(yàn)資源。
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08768-8
來源：浙江大學(xué)、南開大學(xué)、上海交通大學(xué)
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