胡良兵組頻繁發Nature和Science等高水平文章，除了超級木頭還有這么多你不知道的！

胡良兵課題組最近捷報頻傳，聽說很多人都想申請胡老師的Ph.D，那么足夠優秀的你知道Hu's Group都在研究什么么?小編先帶你領略一下胡老師的風采吧！

Liangbing Hu(胡良兵)：美國馬里蘭大學科利奇帕克分校材料科學與工程系副教授，博士生導師，先進材料與紡織中心主任（CAPT）。2017年獲得納米科技杰出青年研究者獎和海軍杰出青年研究獎，2016年獲得ACS能源和石油分會杰出研究獎和杰出青年工程師，2015年獲得馬里蘭大學杰出學者獎和3M分享工程獎，2014年獲得馬里蘭杰出青年工程師和馬里蘭物理科學發明獎等。已在Science,Nature,ACS Nano, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials,Chemical Reviews, Nano Letters等頂級英文期刊上發表學術論文200余篇，被引用超過15,000次。國際會議特邀報告70多次。

? 2002年獲得中國科學技術大學物理學學士學位，從事巨磁電阻（CMR）材料的研究工作

? 在加州大學洛杉磯分校獲得物理學博士學位，師從George Gruner教授，研究納米電子與碳納米管

? 在2006年共同創立Unidym公司，直到2009年，在那里他領導了透明碳納米管薄膜的卷對卷涂覆和器件集成

? 2009-2011年在斯坦福MSE做博士后研究電化學儲能，師從崔屹

? 2011年開始他的職業生涯，擔任馬里蘭大學MSE和能源研究中心的助理教授，在那里他領導一個專注于納米材料和新興器件的小組

目前，胡良兵課題組主要從事木材纖維基的納米纖維和納米微晶的研究；重點研究納米纖維素在光學和電學方面的應用和高性能低成本新能源器件。

胡良兵老師有著物理學和材料兩大研究背景，學科的交叉也使得課題組不斷萌生創新的想法，早在2011年做崔屹的博后時，就顛覆傳統發明了透明的電池。通過改變電極結構的方法顛覆了原先只將電池電極厚度變薄以達透明效果的思路。由于電池中最主要的材料不能做成透明或被透明材料替代，研究團隊便設法讓這種材料變得肉眼看不見。用這種設計的電池能量密度可達10W·h/L，未來可提升到維持普通手機運行所需的100W·h/L。這種鋰離子電池還具有很高的柔軟度并可以彎曲，在不久的將來，人們或許可以擁有一款透明的手機或電子閱讀器。

離開崔屹團隊，胡良兵老師加入美國馬里蘭大學科利奇帕克分校材料系，開始了職業生涯。這期間胡良兵組有很多成果可謂是令人驚嘆！胡良兵組目前主要圍繞納米纖維做一系列研究，在常人看來，木頭無非就是用到建筑、取火，很少有人會研究它，更別說奇思妙想的把木頭做的千變萬化了。但是胡老師做的可不只是木頭哦，其他工作也相當出色呢，下面小編就帶你領略下胡老師的顛覆性工作！

3D可打印微米級加熱爐

大多數人的第一想法就是，什么？3D打印都能印爐子了？眾所周知，爐子是最常規的加熱裝置，但其可達到的最高溫度有限（一般低于1000度），而且爐子的體積非常龐大，導致其升降溫速率一般低于100度/分鐘。有限的溫度范圍和升降溫速率使得爐子的應用受到限制，不能方便地進行高溫、快速等極限條件材料合成和加工研究。最重要的是，爐子的龐大腔體使其失去了加熱微納米級材料及原位觀察的可能性，完全不能應用于微納米級材料的特定區域加熱以及溫度精確控制。激光加熱是一種新型的加熱技術，可以針對特定微米級區域進行加熱，但是激光設備極其昂貴，且激光加熱只能對吸收激光的材料有效，也只能對表面進行加熱，導致材料有很大的溫度不均。胡良兵課題組發明了世界上首個可以直接3D打印的微米級加熱爐，其最高溫度可以達到3000開爾文（約2700攝氏度），升降溫速率更是可達20000度/秒，即約1000000度/分鐘。此種微米級加熱爐是通過3D打印高濃度氧化石墨烯而制成，其精確的溫度操控來源于電流驅動產生的焦耳熱。

3D打印技術擁有微型、精確、快速的成型能力，使得此種微米級加熱爐可以被按需設計并快速成型，利用3D打印機的三維成型能力，更可以設計三維加熱爐，以便更細致的進行局域加熱。打印墨水是高濃度的準二維材料-氧化石墨烯的水溶液，相比于其他3D打印墨水，氧化石墨烯制備簡單便宜，同時水溶劑不會造成環境污染，使得大規模生產此種可打印微型加熱爐成為可能。利用3D打印技術制備的微米級加熱爐，其性能優異，成型快速，而且制備價格低廉，為微納米科學和工程研究提供了一種極具優勢的加熱手段，為促進并迸發新的微納米級材料性能尤其熱學相關性能的研究提供了可能。

文獻鏈接：Three-Dimensional Printable High-Temperature and High-Rate Heaters（ACS Nano, 2016, DOI:10.1021/acsnano.6b01059）

全木制超級電容器

超級電容器是重要的儲能器件之一。近來許多研究工作致力于新型材料的開發，如碳基電極、金屬氧化物和過渡金屬氧化物等。而不改變電極材料化學組分，僅通過改良電極材料和整個器件的結構來提升電化學性能的研究工作較少。結構的設計也是同樣的重要，這使得活性材料得到充分利用，并促進電子和離子傳輸。但獲得高負載量，同時保持低彎曲度，并具有良好的離子/電子傳導性和低變形性的厚電極是一個挑戰。打破陳規，胡良兵組發明了一種全木制的非對稱超級電容器。該超級電容器采用活性木炭（AWC）作為負極，木制薄膜作為隔膜，MnO₂/木炭（MnO₂@WC）作為正極。這三個組分均來自天然木材，具有獨特的各向異性結構，沿著生長方向有很多開放的孔道，可供離子直接傳輸。該電極材料不僅具有較大的負載量，而且變形性也小，因此該全木制超級電容器表現出相當高的能量/功率密度和循環穩定性。全木制材料價格低廉還可生物降解，是一種有綠色可再生的儲能器件。

文獻鏈接：All-wood, Low Tortuosity, Aqueous, Biodegradable Supercapacitors with Ultra-High Capacitance (Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/C6EE03716J)

超強超硬纖維素納米纖維

雖然諸如植物木質纖維素和動物蛋白纖維等天然纖維已經存在千年之久，但由于相對較差的機械性能期，其應用受到了限制。這在很大程度上受制于相對較弱的機械性能。因此，提高材料的機械性能是緊迫的問題，提高天然纖維機械性能以擴大其應用范圍，并且減少對基于石油的合成纖維的依賴也成為了當務之急。胡良兵課題組通過革蘭氏陰性細菌醋桿菌可以沿著縱向細胞表面的線性纖維素合成TC將葡萄糖聚合成纖維素鏈，產生≈1.5nm寬的16-鏈亞元素原纖維，然后結晶成30-50nm寬和4-5nm厚的帶狀細菌纖維素細絲。細菌纖維素具有≈1-9μm的納米纖維，聚合度高達14000-16000和高結晶度（84-89％），使其成為制造大型纖維的構件材料的理想選擇。通過簡便且可伸縮的濕法拉伸和濕法扭曲法可制備超細細菌纖維素納米纖維制成的超強超硬纖維素纖維。所得的細菌纖維素大分子纖維由于納米纖維沿纖維軸線的長度和取向而產生高抗拉強度（826MPa）和楊氏模量（65.7GPa）。超細纖維的比拉伸強度高達598 MPag^-1cm³，甚至比新型輕質鋼（227MPag^-1cm³）更強。

文獻鏈接：Super-Strong, Super-Stiff Macrofibers with Aligned, Long Bacterial Cellulose Nanofibers（Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201702498）

3D打印纖維鋰離子電池助力可穿戴設備儲能

傳統的笨重和剛性的電力系統不能滿足穿戴式設備的柔性和透氣性的要求。盡管在開發具有足夠柔性的各種1D能量存儲設備方面付出了巨大努力，但是在制造的可擴展性，成本和效率上仍然存在挑戰。胡良兵課題組提出用3D打印技術來制造柔性全纖維鋰離子電池（LIB）。使用含有碳納米管和磷酸鐵鋰（LFP）或鋰鈦氧化物（LTO）的高粘度聚合物油墨分別打印LFP纖維陰極和LTO纖維陽極。兩個纖維電極在半電池中表現出良好的柔性和高的電化學性能。全纖維LIB可以通過將打印后的LFP和LTO纖維與凝膠聚合物一起作為準固體電解質進行組裝。全纖維器件在50 mA g^-1的電流密度下表現出≈110mAh g^-1的高比容量，并保持了纖維電極良好的柔性，這可用于未來的可穿戴電子設備。

文獻鏈接：3D-Printed All-Fiber Li-Ion Battery toward Wearable Energy Storage（Adv. Funct.Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201703140）

雙層石榴石固態電解質骨架結構-破解鋰硫電池兩大難題

物理/化學短路和電極體積膨脹引起的安全性問題，是目前鋰電池面臨的兩大主要挑戰。傳統的聚合物隔膜雖能有效地阻止電池內部短路的問題，但其斷裂韌性較低，因而難以抑制鋰枝晶的生長，同樣引起了電池儲能性能的銳減和安全性問題。對于鋰硫電池而言，在充放電過程中，由于硫正極的鋰化和脫鋰而引起的體積改變，還導致了其他問題，如活性物質在界面處的分離和電池整體結構的不穩定。胡等人發現了一種新型三維固態電解質骨架結構，采用該固態電解質制備的混合型固態鋰電池，具備安全性能良好和高能量密度等優點。在先進鋰電池中，研究人員采用雙層致密-多孔石榴石固態電解質骨架結構，同時解決了化學/物理短路和電極體積變化兩大問題。盡管致密層減小到幾微米的厚度，但仍保持良好的機械穩定性，從而保證了鋰金屬電池的安全性。作為薄層物理支撐的厚多孔層可以負載多種正極材料，并提供離子電導通道。實驗發現硫正極負載量可達> 7 mg/cm²，混合Li-S電池在后續循環中，具有高達> 99.8％的初始庫侖效率和> 99％的平均庫侖效率。這種電解質骨架結構展現出了一種新型鋰電池革新策略，為全固態電池的研究提供了理論指導。

文獻鏈接：Three-Dimensional Bilayer Garnet Solid Electrolyte Based High Energy Density Lithium Metal-Sulfur Batteries(Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/C7EE01004D)

“會呼吸的木頭”成就高性能鋰氧電池

鋰氧電池中正極的構造至關重要，它直接決定著鋰離子傳輸動力學、電子傳導、氧氣擴散、放電產物的生長等。鋰氧電池放電過程中，在正極中鋰離子逐漸與氧氣發生反應生成Li₂O₂固體，無法溶解的Li₂O₂固體則會將氧氣與鋰離子的傳輸通道堵塞而降低正極的活性面積。理想的正極結構需要包含開孔型大孔與豐富的微孔，利于氧氣的傳輸和放電產物的積累，從而能夠賦予鋰氧電池優異的電化學性能。胡等人從自然界中擁有層級多孔結構的木頭上獲得啟發，設計了以“會呼吸”的碳化并活性化的木頭為基底，在其多孔微型孔道中負載釕納米顆粒，構筑了鋰氧電池正極材料。微型孔道有利于氧氣擴散傳輸，其中豐富多級孔的存在使得正極材料能夠被電解質完全浸潤，孔道壁上形成的電解質薄層確保了鋰離子的快速傳輸。以碳化活性木頭/釕（厚度約700 μm）為正極的鋰氧電池表現出高的面積比電容（0.1 mA cm^-2 電流密度，8.58 mA h cm^-2）和優異的充放電循環性能；若增加正極的厚度至3.4 mm，鋰氧電池的面積比電容將提高至56.0 mA h cm^-2。

文獻鏈接：Hierarchically Porous, Ultrathick, “Breathable” Wood-Derived Cathode for Lithium-Oxygen Batteries，(Adv. Energy Mater, 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701203)

小小木材到高性能結構材料的飛躍——超級木頭

天然木材是一種低成本和極具研究價值的材料，被用作建筑和家具的結構材料已有數千年的歷史。然而，天然木材的機械性能（其強度和韌性）不能滿足許多先進的工程結構和應用。用蒸汽，氨水或冷軋預處理，然后致密化，可以使得天然木材機械性能的提高。然而，現有的方法導致致密化程度不足，缺乏尺寸穩定性，特別是對于潮濕環境，并且以這些方式處理的木材可能膨脹和變弱。胡等人研發出了一種簡單而有效的策略，將塊狀天然木材直接轉變成高性能結構材料，其強度，韌性和防彈性提高了十倍，并具有更大的尺寸穩定性。通過在NaOH和Na₂SO₃的含水混合物中的沸騰過程從天然木材中部分去除木質素和半纖維素，隨后進行熱壓，導致細胞壁的完全塌陷和天然木材與高度一致的纖維素納米纖維的完全致密化。這種策略被證明對各種木材都是普遍有效的，該加工木材具有比大多數結構金屬和合金更高的比強度，使其成為低成本，高性能，輕量級的替代品。木頭我見過，但是比鐵還硬的木頭還是頭一次聽說。

文獻鏈接：Processing bulk natural wood into a high-performance structural material（Nature,2018,DOI:10.1038/nature25476）

透明的木頭

木材最顯著的特點是各向異性，這與其內部均勻排布的立式通道有關。這些立式通道用來提供樹木生長所必需的水分、礦物質及養料等。木材細胞壁包含直徑約3-5nm的纖維絲，以及木質素和膠質等物質。此外，纖維素、半纖維素和木質素的交互結構，造就了木材優越的機械性能。胡等人將木材中的木質素去除，代之以聚合物，最終木材透光率達90%，且力學性能大為改觀，強度提升4~6倍。研究人員認為這種新型復合材料可作為結構材料應用于同時要求機械性能和透光性能的場合下。比起玻璃，這種透明木材在受到一般程度的擠壓時不會碎裂。但是，這種新材料離實際運用還有很長一段路要走。目前，最多只能處理1厘米厚的小木塊。

文獻鏈接：Highly Anisotropic, Highly Transparent Wood Composites（Adv.Mater.,2016,10.1002/adma.201600427）

合成八種元素的高熵合金

多金屬納米粒子（NMNPs）有著廣泛的應用領域，包括催化，能量儲存和生物/等離子體激元成像等。將多種金屬元素合金合成單個納米級產品提供了可能會超過單一元素（或一元）納米粒子材料性能的前景。制備NMNPs的當前和主要途徑來自濕化學合成，可以獲得各種粒度，形狀和相。然而，大多數通過濕化學方法的研究報告中合金組成不超過三種元素，這限制了組成空間。此外，更多的合成技術，包括基于印刷和光刻的方法，已經將組元向四元甚至五元納米結構轉移。胡團隊通過熱沖擊負載在碳載體上的前體金屬鹽混合物[溫度?2000K，55毫秒的持續時間，?10⁵K每秒的速率]。提出了通過將八種不同元素合金化成單相固溶體納米顆粒（通常稱為高熵合金納米顆粒（HEA-NP）。通過控制碳熱激發（CTS）參數（底物，溫度，沖擊持續時間和加熱/冷卻速率）來合成具有期望的化學（組成），尺寸和相（固溶體，相分離）的寬范圍的多組分納米顆粒。為了證明實用性，實驗人員合成了五元HEA-NPs作為氨氧化催化劑，其具有?100％轉化率和> 99％的氮氧化物選擇性。

文獻鏈接：Carbothermal shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles（Science,2018,DOI:10.1126/science.aan5412）

胡老師出色的工作實在太多太多，光這兩年的都令人嘆為觀止，看來胡老師這么多樣性的工作肯定有很多人想去課題組學習，小編認為也不是沒有可能，趁著年輕白天多睡一會兒做個好夢還是可以的（開玩笑啦，哈哈）。

本文由材料人Allen供稿，材料牛整理編輯。

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