胡良兵组频繁发Nature和Science等高水平文章，除了超级木头还有这么多你不知道的！

胡良兵课题组最近捷报频传，听说很多人都想申请胡老师的Ph.D，那么足够优秀的你知道Hu's Group都在研究什么么?小编先带你领略一下胡老师的风采吧！

Liangbing Hu(胡良兵)：美国马里兰大学科利奇帕克分校材料科学与工程系副教授，博士生导师，先进材料与纺织中心主任（CAPT）。2017年获得纳米科技杰出青年研究者奖和海军杰出青年研究奖，2016年获得ACS能源和石油分会杰出研究奖和杰出青年工程师，2015年获得马里兰大学杰出学者奖和3M分享工程奖，2014年获得马里兰杰出青年工程师和马里兰物理科学发明奖等。已在Science,Nature,ACS Nano, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials,Chemical Reviews, Nano Letters等顶级英文期刊上发表学术论文200余篇，被引用超过15,000次。国际会议特邀报告70多次。

• 2002年获得中国科学技术大学物理学学士学位，从事巨磁电阻（CMR）材料的研究工作

• 在加州大学洛杉矶分校获得物理学博士学位，师从George Gruner教授，研究纳米电子与碳纳米管

• 在2006年共同创立Unidym公司，直到2009年，在那里他领导了透明碳纳米管薄膜的卷对卷涂覆和器件集成

• 2009-2011年在斯坦福MSE做博士后研究电化学储能，师从崔屹

• 2011年开始他的职业生涯，担任马里兰大学MSE和能源研究中心的助理教授，在那里他领导一个专注于纳米材料和新兴器件的小组

目前，胡良兵课题组主要从事木材纤维基的纳米纤维和纳米微晶的研究；重点研究纳米纤维素在光学和电学方面的应用和高性能低成本新能源器件。

胡良兵老师有着物理学和材料两大研究背景，学科的交叉也使得课题组不断萌生创新的想法，早在2011年做崔屹的博后时，就颠覆传统发明了透明的电池。通过改变电极结构的方法颠覆了原先只将电池电极厚度变薄以达透明效果的思路。由于电池中最主要的材料不能做成透明或被透明材料替代，研究团队便设法让这种材料变得肉眼看不见。用这种设计的电池能量密度可达10W·h/L，未来可提升到维持普通手机运行所需的100W·h/L。这种锂离子电池还具有很高的柔软度并可以弯曲，在不久的将来，人们或许可以拥有一款透明的手机或电子阅读器。

离开崔屹团队，胡良兵老师加入美国马里兰大学科利奇帕克分校材料系，开始了职业生涯。这期间胡良兵组有很多成果可谓是令人惊叹！胡良兵组目前主要围绕纳米纤维做一系列研究，在常人看来，木头无非就是用到建筑、取火，很少有人会研究它，更别说奇思妙想的把木头做的千变万化了。但是胡老师做的可不只是木头哦，其他工作也相当出色呢，下面小编就带你领略下胡老师的颠覆性工作！

3D可打印微米级加热炉

大多数人的第一想法就是，什么？3D打印都能印炉子了？众所周知，炉子是最常规的加热装置，但其可达到的最高温度有限（一般低于1000度），而且炉子的体积非常庞大，导致其升降温速率一般低于100度/分钟。有限的温度范围和升降温速率使得炉子的应用受到限制，不能方便地进行高温、快速等极限条件材料合成和加工研究。最重要的是，炉子的庞大腔体使其失去了加热微纳米级材料及原位观察的可能性，完全不能应用于微纳米级材料的特定区域加热以及温度精确控制。激光加热是一种新型的加热技术，可以针对特定微米级区域进行加热，但是激光设备极其昂贵，且激光加热只能对吸收激光的材料有效，也只能对表面进行加热，导致材料有很大的温度不均。胡良兵课题组发明了世界上首个可以直接3D打印的微米级加热炉，其最高温度可以达到3000开尔文（约2700摄氏度），升降温速率更是可达20000度/秒，即约1000000度/分钟。此种微米级加热炉是通过3D打印高浓度氧化石墨烯而制成，其精确的温度操控来源于电流驱动产生的焦耳热。

3D打印技术拥有微型、精确、快速的成型能力，使得此种微米级加热炉可以被按需设计并快速成型，利用3D打印机的三维成型能力，更可以设计三维加热炉，以便更细致的进行局域加热。打印墨水是高浓度的准二维材料-氧化石墨烯的水溶液，相比于其他3D打印墨水，氧化石墨烯制备简单便宜，同时水溶剂不会造成环境污染，使得大规模生产此种可打印微型加热炉成为可能。利用3D打印技术制备的微米级加热炉，其性能优异，成型快速，而且制备价格低廉，为微纳米科学和工程研究提供了一种极具优势的加热手段，为促进并迸发新的微纳米级材料性能尤其热学相关性能的研究提供了可能。

文献链接：Three-Dimensional Printable High-Temperature and High-Rate Heaters（ACS Nano, 2016, DOI:10.1021/acsnano.6b01059）

全木制超级电容器

超级电容器是重要的储能器件之一。近来许多研究工作致力于新型材料的开发，如碳基电极、金属氧化物和过渡金属氧化物等。而不改变电极材料化学组分，仅通过改良电极材料和整个器件的结构来提升电化学性能的研究工作较少。结构的设计也是同样的重要，这使得活性材料得到充分利用，并促进电子和离子传输。但获得高负载量，同时保持低弯曲度，并具有良好的离子/电子传导性和低变形性的厚电极是一个挑战。打破陈规，胡良兵组发明了一种全木制的非对称超级电容器。该超级电容器采用活性木炭（AWC）作为负极，木制薄膜作为隔膜，MnO₂/木炭（MnO₂@WC）作为正极。这三个组分均来自天然木材，具有独特的各向异性结构，沿着生长方向有很多开放的孔道，可供离子直接传输。该电极材料不仅具有较大的负载量，而且变形性也小，因此该全木制超级电容器表现出相当高的能量/功率密度和循环稳定性。全木制材料价格低廉还可生物降解，是一种有绿色可再生的储能器件。

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

超强超硬纤维素纳米纤维

虽然诸如植物木质纤维素和动物蛋白纤维等天然纤维已经存在千年之久，但由于相对较差的机械性能期，其应用受到了限制。这在很大程度上受制于相对较弱的机械性能。因此，提高材料的机械性能是紧迫的问题，提高天然纤维机械性能以扩大其应用范围，并且减少对基于石油的合成纤维的依赖也成为了当务之急。胡良兵课题组通过革兰氏阴性细菌醋杆菌可以沿着纵向细胞表面的线性纤维素合成TC将葡萄糖聚合成纤维素链，产生≈1.5nm宽的16-链亚元素原纤维，然后结晶成30-50nm宽和4-5nm厚的带状细菌纤维素细丝。细菌纤维素具有≈1-9μm的纳米纤维，聚合度高达14000-16000和高结晶度（84-89％），使其成为制造大型纤维的构件材料的理想选择。通过简便且可伸缩的湿法拉伸和湿法扭曲法可制备超细细菌纤维素纳米纤维制成的超强超硬纤维素纤维。所得的细菌纤维素大分子纤维由于纳米纤维沿纤维轴线的长度和取向而产生高抗拉强度（826MPa）和杨氏模量（65.7GPa）。超细纤维的比拉伸强度高达598 MPag^-1cm³，甚至比新型轻质钢（227MPag^-1cm³）更强。

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

3D打印纤维锂离子电池助力可穿戴设备储能

传统的笨重和刚性的电力系统不能满足穿戴式设备的柔性和透气性的要求。尽管在开发具有足够柔性的各种1D能量存储设备方面付出了巨大努力，但是在制造的可扩展性，成本和效率上仍然存在挑战。胡良兵课题组提出用3D打印技术来制造柔性全纤维锂离子电池（LIB）。使用含有碳纳米管和磷酸铁锂（LFP）或锂钛氧化物（LTO）的高粘度聚合物油墨分别打印LFP纤维阴极和LTO纤维阳极。两个纤维电极在半电池中表现出良好的柔性和高的电化学性能。全纤维LIB可以通过将打印后的LFP和LTO纤维与凝胶聚合物一起作为准固体电解质进行组装。全纤维器件在50 mA g^-1的电流密度下表现出≈110mAh g^-1的高比容量，并保持了纤维电极良好的柔性，这可用于未来的可穿戴电子设备。

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

双层石榴石固态电解质骨架结构-破解锂硫电池两大难题

物理/化学短路和电极体积膨胀引起的安全性问题，是目前锂电池面临的两大主要挑战。传统的聚合物隔膜虽能有效地阻止电池内部短路的问题，但其断裂韧性较低，因而难以抑制锂枝晶的生长，同样引起了电池储能性能的锐减和安全性问题。对于锂硫电池而言，在充放电过程中，由于硫正极的锂化和脱锂而引起的体积改变，还导致了其他问题，如活性物质在界面处的分离和电池整体结构的不稳定。胡等人发现了一种新型三维固态电解质骨架结构，采用该固态电解质制备的混合型固态锂电池，具备安全性能良好和高能量密度等优点。在先进锂电池中，研究人员采用双层致密-多孔石榴石固态电解质骨架结构，同时解决了化学/物理短路和电极体积变化两大问题。尽管致密层减小到几微米的厚度，但仍保持良好的机械稳定性，从而保证了锂金属电池的安全性。作为薄层物理支撑的厚多孔层可以负载多种正极材料，并提供离子电导通道。实验发现硫正极负载量可达> 7 mg/cm²，混合Li-S电池在后续循环中，具有高达> 99.8％的初始库仑效率和> 99％的平均库仑效率。这种电解质骨架结构展现出了一种新型锂电池革新策略，为全固态电池的研究提供了理论指导。

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

“会呼吸的木头”成就高性能锂氧电池

锂氧电池中正极的构造至关重要，它直接决定着锂离子传输动力学、电子传导、氧气扩散、放电产物的生长等。锂氧电池放电过程中，在正极中锂离子逐渐与氧气发生反应生成Li₂O₂固体，无法溶解的Li₂O₂固体则会将氧气与锂离子的传输通道堵塞而降低正极的活性面积。理想的正极结构需要包含开孔型大孔与丰富的微孔，利于氧气的传输和放电产物的积累，从而能够赋予锂氧电池优异的电化学性能。胡等人从自然界中拥有层级多孔结构的木头上获得启发，设计了以“会呼吸”的碳化并活性化的木头为基底，在其多孔微型孔道中负载钌纳米颗粒，构筑了锂氧电池正极材料。微型孔道有利于氧气扩散传输，其中丰富多级孔的存在使得正极材料能够被电解质完全浸润，孔道壁上形成的电解质薄层确保了锂离子的快速传输。以碳化活性木头/钌（厚度约700 μm）为正极的锂氧电池表现出高的面积比电容（0.1 mA cm^-2 电流密度，8.58 mA h cm^-2）和优异的充放电循环性能；若增加正极的厚度至3.4 mm，锂氧电池的面积比电容将提高至56.0 mA h cm^-2。

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

小小木材到高性能结构材料的飞跃——超级木头

天然木材是一种低成本和极具研究价值的材料，被用作建筑和家具的结构材料已有数千年的历史。然而，天然木材的机械性能（其强度和韧性）不能满足许多先进的工程结构和应用。用蒸汽，氨水或冷轧预处理，然后致密化，可以使得天然木材机械性能的提高。然而，现有的方法导致致密化程度不足，缺乏尺寸稳定性，特别是对于潮湿环境，并且以这些方式处理的木材可能膨胀和变弱。胡等人研发出了一种简单而有效的策略，将块状天然木材直接转变成高性能结构材料，其强度，韧性和防弹性提高了十倍，并具有更大的尺寸稳定性。通过在NaOH和Na₂SO₃的含水混合物中的沸腾过程从天然木材中部分去除木质素和半纤维素，随后进行热压，导致细胞壁的完全塌陷和天然木材与高度一致的纤维素纳米纤维的完全致密化。这种策略被证明对各种木材都是普遍有效的，该加工木材具有比大多数结构金属和合金更高的比强度，使其成为低成本，高性能，轻量级的替代品。木头我见过，但是比铁还硬的木头还是头一次听说。

文献链接：Processing bulk natural wood into a high-performance structural material（Nature,2018,DOI:10.1038/nature25476）

透明的木头

木材最显著的特点是各向异性，这与其内部均匀排布的立式通道有关。这些立式通道用来提供树木生长所必需的水分、矿物质及养料等。木材细胞壁包含直径约3-5nm的纤维丝，以及木质素和胶质等物质。此外，纤维素、半纤维素和木质素的交互结构，造就了木材优越的机械性能。胡等人将木材中的木质素去除，代之以聚合物，最终木材透光率达90%，且力学性能大为改观，强度提升4~6倍。研究人员认为这种新型复合材料可作为结构材料应用于同时要求机械性能和透光性能的场合下。比起玻璃，这种透明木材在受到一般程度的挤压时不会碎裂。但是，这种新材料离实际运用还有很长一段路要走。目前，最多只能处理1厘米厚的小木块。

文献链接：Highly Anisotropic, Highly Transparent Wood Composites（Adv.Mater.,2016,10.1002/adma.201600427）

合成八种元素的高熵合金

多金属纳米粒子（NMNPs）有着广泛的应用领域，包括催化，能量储存和生物/等离子体激元成像等。将多种金属元素合金合成单个纳米级产品提供了可能会超过单一元素（或一元）纳米粒子材料性能的前景。制备NMNPs的当前和主要途径来自湿化学合成，可以获得各种粒度，形状和相。然而，大多数通过湿化学方法的研究报告中合金组成不超过三种元素，这限制了组成空间。此外，更多的合成技术，包括基于印刷和光刻的方法，已经将组元向四元甚至五元纳米结构转移。胡团队通过热冲击负载在碳载体上的前体金属盐混合物[温度〜2000K，55毫秒的持续时间，〜10⁵K每秒的速率]。提出了通过将八种不同元素合金化成单相固溶体纳米颗粒（通常称为高熵合金纳米颗粒（HEA-NP）。通过控制碳热激发（CTS）参数（底物，温度，冲击持续时间和加热/冷却速率）来合成具有期望的化学（组成），尺寸和相（固溶体，相分离）的宽范围的多组分纳米颗粒。为了证明实用性，实验人员合成了五元HEA-NPs作为氨氧化催化剂，其具有〜100％转化率和> 99％的氮氧化物选择性。

文献链接：Carbothermal shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles（Science,2018,DOI:10.1126/science.aan5412）

胡老师出色的工作实在太多太多，光这两年的都令人叹为观止，看来胡老师这么多样性的工作肯定有很多人想去课题组学习，小编认为也不是没有可能，趁着年轻白天多睡一会儿做个好梦还是可以的（开玩笑啦，哈哈）。

本文由材料人Allen供稿，材料牛整理编辑。

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