彭慧勝、長江學者特聘教授、國家有突出貢獻中青年專家、國家重點研發(fā)計劃首席科學家，2023年當選中國科學院院士。
彭慧勝教授課題組主要在高分子纖維器件領域開展研究工作，創(chuàng)制了多尺度螺旋復合纖維，揭示了電荷在高曲率纖維表界面快速分離與傳輸?shù)臋C制，提出了纖維電子器件的設計思想，賦予纖維發(fā)電、儲能等全新功能，提出了高分子纖維電子新方向。在Nature（3）、Nature子刊（8）、Nature Commun./J. Am. Chem. Soc./Angew. Chem. Int. Ed./Adv. Mater./Phys. Rev. Lett.（合計99）等期刊上發(fā)表了300多篇論文。以下為納米人團隊整理的彭慧勝課題組近年來發(fā)表的代表性研究成果，供大家學習和交流~
1. Nature：可擴展生產(chǎn)高性能編織鋰離子纖維電池批量生產(chǎn)柔性、安全和可洗滌的纖維電池，對于其廣泛應用于便攜式和可穿戴電子產(chǎn)品中至關重要。目前，一個主流的方向是制造直徑在幾十到幾百微米的纖維鋰離子電池（FLIBs），它們可以很容易地編織成具有足夠容量的可穿戴和透氣紡織物，從而滿足各種可穿戴電子產(chǎn)品的電力需求（圖1a）。在過去的十年中，人們進行了大量研究以獲得制備具有更佳電化學性能FLIBs的方法。過去人們認為較長的纖維具有較高的內(nèi)阻，這會影響FLIBs的電化學性能。因此，迄今為止，基本只獲得了厘米長尺度的FLIBs，同時基于整個電池質(zhì)量的能量密度（<1 Wh kg?1）也比較低。復旦大學彭慧勝教授，陳培寧意外發(fā)現(xiàn)FLIBs的內(nèi)阻與長度呈雙曲余切函數(shù)關系，隨著長度的增加，內(nèi)阻先減小后趨于穩(wěn)定。系統(tǒng)研究證實，這一意想不到的結(jié)果適用于不同的FLIBs。通過優(yōu)化的可擴展工業(yè)流程，成功生產(chǎn)出數(shù)米的高性能FLIBs。此外，批量生產(chǎn)的纖維電池的能量密度達到了85.69Wh kg?1（基于包括包裝在內(nèi)的鋰鈷氧化物/石墨全電池的總重量）。充放電500次后容量保持率達到90.5%，1 C倍率下容量保持率達到93%（與0.1 C倍率容量相比），可媲美軟包電池等商用電池。此外，纖維彎曲100,000次后仍能保持80%以上的容量。進一步的，研究人員展示了用工業(yè)劍桿織機將FLIBs編織成的安全且可洗的紡織品，對手機進行無線充電，以及為集成了纖維傳感器和紡織品顯示器的保健夾克供電。
He, J., Lu, C., Jiang, H. et al. Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries. Nature 597, 57–63 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03772-02. Nature：與功能系統(tǒng)集成的大面積展示紡織品如何將顯示功能有效集成到電子織物中，同時確保織物的柔軟、透氣導濕、適應復雜形變等特性？這是智能電子織物領域面臨的一大難題。復旦大學高分子科學系教授彭慧勝領銜的研究團隊，成功將顯示器件的制備與織物編織過程實現(xiàn)融合，在高分子復合纖維交織點集成多功能微型發(fā)光器件，揭示了纖維電極之間電場分布的獨特規(guī)律，實現(xiàn)了大面積柔性顯示織物和智能集成系統(tǒng)。
Shi, X., Zuo, Y., Zhai, P. et al. Large-area display textiles integrated with functional systems. Nature 591, 240–245 (2021).https://doi.org/10.1038/s41586-021-03295-83. Nature Nanotechnology：分級螺旋碳納米管纖維作為骨整合前交叉韌帶置換術韌帶損傷率高，經(jīng)常需要進行手術更換；然而，目前的合成材料在骨整合方面存在一定問題，經(jīng)常會導致植入失敗。鑒于此，來自復旦大學高分子科學系彭慧勝等人研發(fā)了一種新型的人工韌帶，它具有所需的機械性能，可以與宿主骨骼結(jié)合，恢復動物的運動。 該研究開發(fā)的這種韌帶由排列整齊的碳納米管組裝而成，形成具有納米和微米通道的分級螺旋纖維，在前交叉韌帶置換模型中觀察到了人工韌帶的骨整合，其中臨床聚合物對照顯示骨吸收；此外，在兔子和綿羊模型中植入13周后，研究發(fā)現(xiàn)了更高的拔出力，動物可以正常奔跑和跳躍，證實了人工韌帶的長期安全性，且研究了整合所涉及的途徑。Wang, L., Wan, F., Xu, Y. et al. Hierarchical helical carbon nanotube fibre as a bone-integrating anterior cruciate ligament replacement. Nat. Nanotechnol. (2023).10.1038/s41565-023-01394-3https://doi.org/10.1038/s41565-023-01394-34. Nature Review Materials：纖維器件電子系統(tǒng)的設計、制造和組裝具有一維結(jié)構(gòu)的纖維電子器件由于其高度柔性并且可以變形而引起了人們的極大關注。近日，復旦大學彭慧勝、中南大學Liu Ting對纖維器件電子系統(tǒng)的設計、制造和組裝進行了綜述研究。纖維電子器件可以編織成透氣舒適的紡織品，從而用于可穿戴設備。因此，具有各種功能的光纖設備（如能量收集和存儲、傳感和顯示）已被廣泛研究。然而，大多數(shù)光纖設備都是單獨工作的，而不是作為系統(tǒng)工作。作者對光纖電子系統(tǒng)的設計理念、組裝策略和性能改進進行系統(tǒng)概括，然后從材料科學、電氣工程、紡織工程和健康監(jiān)測等多學科的角度分析了它們的實際應用。最后作者總結(jié)了剩余挑戰(zhàn)，以指導學術界和工業(yè)界的未來研究。Kaiwen Zeng et.al Design, fabrication and assembly considerations for electronic systems made of fibre devices Nature Review Materials 2023DOI: 10.1038/s41578-023-00573-xhttps://doi.org/10.1038/s41578-023-00573-x5. Nat. Biomed. Eng: 碳納米管功能化螺旋纖維束用于體內(nèi)多種疾病標記物的長期監(jiān)測植入的電子設備和生物組織之間的機械不匹配會導致讀數(shù)不正確和長期組織損傷。因此，復旦大學彭慧勝教授團隊利用功能化的多壁碳納米管扭曲成螺旋狀的纖維束，以模仿肌肉的分層結(jié)構(gòu)在體內(nèi)監(jiān)測多種疾病生物標記。柔性纖維束是可注射的，其具有低的彎曲剛度并且在壓縮下表現(xiàn)出超低的應力。作為這些纖維束傳感能力的概念證明，實驗結(jié)果表明，當將纖維束植入小鼠的腫瘤中時，它們能夠?qū)2O2進行空間分辨和實時監(jiān)控，并且可以與粘性皮膚貼片上的無線傳輸集成系統(tǒng)結(jié)合，監(jiān)測貓靜脈血中的鈣離子和葡萄糖達28天。因此，作為化學功能化電化學傳感器的螺旋纖維束，其多功能性將適用于多種傳感。Wang, L.; Xie, S.; Wang, Z.; Liu, F.; Yang, Y.; Tang, C.; Wu, X.; Liu, P.; Li, Y.; Saiyin, H.; Zheng, S.; Sun, X.; Xu, F.; Yu, H.; Peng, H., Functionalized helical fibre bundles of carbon nanotubes as electrochemical sensors for long-term in vivo monitoring of multiple disease biomarkers. Nature Biomedical Engineering 2019.https://doi.org/10.1038/s41551-019-0462-86. AM：通過設計對齊的納米通道高度可靠的紡織型憶阻器信息處理設備是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心部件。將它們集成到紡織品中是電子紡織品形成閉環(huán)功能系統(tǒng)不可或缺的需求。具有交叉式配置的憶阻器被認為是設計與紡織品無縫結(jié)合的編織信息處理設備的很有前途的構(gòu)建塊。然而，在絲狀開關過程中，由于導電絲的隨機生長，憶阻器總是遭受嚴重的時間和空間變化。在此，受跨越突觸膜的離子納米通道的啟發(fā)，復旦大學彭慧勝教授，陳培寧副研究員，Lin Chen報道了一種高可靠性的紡織型憶阻器。紡織型憶阻器由具有定向納米通道的鉑/銅鋅記憶光纖制成，在超低的設定電壓(~0.089 V)、高的通斷比(~10~6)和低功耗(0.1nW)下，具有很小的設定電壓變化(<5.6%)。實驗研究表明，具有豐富的活性S缺陷的納米通道可以錨定銀離子并限制其遷移，形成有序而高效的導電絲。這種記憶性能使所得到的紡織型記憶阻器陣列具有高的器件到器件的一致性，并處理復雜的生理數(shù)據(jù)，如腦波信號，具有高識別精度(95%)。紡織型憶阻器陣列在機械上經(jīng)久耐用，可承受數(shù)百次彎曲和滑動變形，并與傳感、供電和顯示紡織品/纖維無縫結(jié)合，形成用于新一代人機交互的全紡織品集成電子系統(tǒng)。Yue Liu, et al, Highly reliable textile-type memristor by designing aligned nanochannels, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202301321https://doi.org/10.1002/adma.2023013217. Angew：一種基于多股纏繞功能化纖維的高功率密度植入式光纖生物超級電容器能夠收集和儲存化學能的生物超級電容器(BSC)在生物應用的電力輸送方面顯示出巨大的前景。然而，低功率密度仍然限制了它們的應用，特別是作為小型化植入物。在這里，復旦大學彭慧勝教授，孫雪梅等人報道了一種植入式光纖生物干細胞，其最大功率密度為22.6 mW·cm?2，優(yōu)于以往的報道。將生物燃料電池的陰陽極纖維與超級電容纖維通過多股絞合制成纖維BSC。這種扭曲的結(jié)構(gòu)賦予了多個通道內(nèi)部和高電化學活性區(qū)域，以便在不同纖維之間進行有效的質(zhì)量擴散和電荷轉(zhuǎn)移，有利于高功率輸出。所制得的BSC纖維細小、柔韌，植入后能在變形下穩(wěn)定運行，具有良好的生物相容性。最終，將BSC纖維植入大鼠皮下，成功地實現(xiàn)了對坐骨神經(jīng)的電刺激，在體內(nèi)顯示了作為動力源的前景。Zheyan Qian, et al, An Implantable Fiber Biosupercapacitor with High Power Density by Multi-Strand Twisting Functionalized Fibers, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202303268DOI: 10.1002/anie.202303268https://doi.org/10.1002/anie.202303268
個人簡介：
彭慧勝，復旦大學高分子科學系主任、國家杰出青年基金獲得者、長江學者特聘教授、國家有突出貢獻中青年專家、國家重點研發(fā)計劃首席科學家。主要在高分子纖維器件領域開展研究工作，創(chuàng)制了多尺度螺旋復合纖維，揭示了電荷在高曲率纖維表界面快速分離與傳輸?shù)臋C制，提出了纖維電子器件的設計思想，賦予纖維發(fā)電、儲能等全新功能，提出了高分子纖維電子新方向。在Nature（3）、Nature子刊（8）、Nature Commun./J. Am. Chem. Soc./Angew. Chem. Int. Ed./Adv. Mater./Phys. Rev. Lett.（合計99）等期刊上發(fā)表了300多篇論文。SCI他引2萬多次，H指數(shù)84，2018年起連續(xù)入選科睿唯安“全球高被引科學家”。出版了4部專著。獲授權(quán)國內(nèi)外發(fā)明專利78項，其中36項實現(xiàn)了轉(zhuǎn)讓轉(zhuǎn)化，制定了2項纖維器件行業(yè)標準。通過專利轉(zhuǎn)讓和與一批中外企業(yè)合作，開發(fā)出系列纖維材料與器件產(chǎn)品。指導的2名博士生因為博士學位論文獲得國際純粹與應用化學聯(lián)合會（IUPAC）青年化學家獎、4名博士生獲得美國材料研究學會（MRS）優(yōu)秀博士生獎（2名金獎和2名銀獎）、1名博士生獲得全球創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)總決賽亞軍，指導的博士生還多次獲得中國大學生年度人物、中國大學生自強之星、中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會和科萊恩的CPCIF-Clariant可持續(xù)發(fā)展青年創(chuàng)新卓越獎等榮譽稱號。擔任教育部科學技術委員會學部委員、《科學通報》副主編、ChemNanoMat編委會共同主席和Adv. Funct. Mater.編委。作為第一完成人，獲得國家自然科學二等獎。
