新闻及香港科大故事

由香港科技大学（科大）物理系许钦教授与机械及航空航天工程系胡文琪教授联合领导的研究团队，近日在柔性复合材料领域取得重大突破，研发出一种具高度可编程性且具非对称力学响应的新型柔性复合材料系统。 团队成功将〝剪切─堵塞〞相变机制融入高分子聚合物基体，为实现机械智能系统提供了关键的材料基础，迈出了发展新一代智能材料与装置的重要一步。在软件机器人、仿生组织及柔性电子等前沿工程领域中，能够对外部刺激作出特异性响应的材料，是实现智能功能的关键。 然而，传统设计多依赖具有非线性结构或复杂几何构造的超材料，这些离散结构往往对缺陷和断裂极为敏感，限制了其工程实用性。 有别于传统方式，许教授和胡教授的研究提出了一种全新设计范式，利用〝剪切─堵塞〞相变物理机制发展出柔性复合材料，展现出独特的科学优势与工程潜力。这项研究的主要科学与工程突破包括：• 多维度方向控制：研究团队制备的柔性复合体在剪切与法向两个方向上同时展现出非互易性力学行为，实现对不同加载路径的方向的灵敏响应，并且具备非对称材料形状记忆特性，可进行多维度方向控制。 • 可编程且高韧：有别于传统脆弱的刚性超材料，柔性复合材料不仅具有高度可编程的力学特性，同时具备出色的抗断裂能力，展现出高韧性。 透过调控其内在的〝剪切─堵塞〞相变过程，可以精确控制材料性质，从而自主制订所需力学响应，以满足不同应用需求。 • 活性智能新材料：研究团队进一步将〝剪切─堵塞〞结构与空间调变的磁性分布相结合，创造出能自主运动的〝软件活性固体〞。 这种活性智能新材料可用作仿生软件机器人，在狭小环境中灵活移动; 也可以作为智能阀门，在微流控系统中实现选择性流控。从科学角度而言，该研究创新地结合颗粒物理学与高分子材料科学，建立了具有非互易力学性质的新型软物质体系；在工程应用方面，研究团队为制备各类具有方向特异性响应的柔性复合材料提供了一种既高效且通用的设计策略，此研究不仅为实现机械智能奠定了基础，更为新一代智能及节能材料的开发开辟了全新途径。

香港科技大学（科大）工学院的研究团队成功研制出一款新型弹性合金Ti₇₈Nb₂₂，该材料具备高效固态制热效能，而且在弹性变形过程中所表现的可逆温度变化能力，为普通金属的20倍，为传统的蒸气压缩制冷和热泵技术提供环保的绿色替代方案。 全球近一半的能源消耗用于供热，包括建筑供暖和工业供热。现时，全球主要通过燃烧化石燃料供热，不仅产生大量温室气体，而且消耗大量能源。固态相变热泵是较为环保的替代方案，但其能效却局限于卡诺极限的50%至70%。如何突破这能效瓶颈，一直是全球面临的重大挑战。 为应对这个挑战，科大机械及航空航天工程学系孙庆平教授的研究团队提出利用弹性变形产生的温度变化实现制热。虽然这种热弹效应（Thermoelastic effect）早在19世纪就由著名科学家开尔文、焦耳和杜哈梅尔发现，但常规金属的热弹效应非常微弱，因而无法应用。孙教授的团队研发出具有[100]织构的Ti₇₈Nb₂₂马氏体多晶合金，该材料在弹性变形时表现出4–5 K的可逆温度变化——达到普通金属（通常仅约0.2 K）的20倍。而且，新材料的热能效达到卡诺极限的90%，媲美商用蒸汽压缩制热能效。 团队进一步发现，某种特定的铁弹性马氏体合金具备更佳的热膨胀特性，可实现高达22 K的温度变化。这项研究为绿色热泵产业展现出极具潜力的发展前景，并首次提出基于非相变原理的绿色高效供热解决方案。 孙教授表示：「这项发现从根本上改变了热弹效应过于微弱、难以应用的传统认知。我们的研究证明了仅靠弹性变形就能实现高效固态制热。」

香港科技大学（科大）工学院研究团队持续推动可再生能源电池技术发展，率先透过突破研究钙钛矿太阳能电池纳米结构，成功研发出一款既高效又稳定的电池，可望大幅降低其使用成本及扩大其应用范围，将科研成果落地贡献社会。 相对现行主流使用的传统硅晶太阳能电池，钙钛矿太阳能电池能量转换效率高、生产时材料成本较低及可达至永续製造，属极具发展潜质的前沿技术，是科研界重点研究课题。惟钙钛矿太阳能电池在光亮、潮湿及高温环境下，表现有欠稳定，阻碍它投产。其中，钙钛矿薄膜内部的正离子分布不均，削弱电池性能。 科大化学及生物工程学系副教授周圆圆教授领导的研究团队发现，在钙钛矿薄膜晶粒的三角边界处上，存在内凹几何结构，这些结构产生「陷阱」束缚正离子，令它分布不均。研究团队其后採用了一种化学添加剂「乙酸丁基铵」，浅化晶粒上的内凹，并将其深度降低了三分之一。经此技术所製得的钙钛矿电池，在效能上增长近26%，同时在各项标准稳定性测试中，表现优异。 周教授说：「现时研究大多聚焦于宏观或微观层面去改进钙钛矿电池，甚少研究更细微的纳米级结构。团队利用阴极射线发光显微镜，并结合一系列先进技术，发现这些纳米内凹结构影响薄膜正离子分布，这正正是影响电池光电转换效率与稳定性的关键。」 研究成果已在纳米科技领域的顶尖学术期刊《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）发表，论文题为「Nanoscopic Cross-Grain Cation Homogenization in Perovskite Solar Cells」。 论文的第一作者、科大博士后研究员郝明伟博士补充道：「钙钛矿是一种软晶格材料。团队在实验过程中，观察到钙钛矿薄膜与传统材料结构差异大，已开展下一阶段的研究釐清相关机制，期望扩展钙钛矿太阳能电池的商业应用，以创新产品推动再生能源市场发展。」 本研究的共同通讯作者为美国田纳西大学诺克斯维尔分校的Mahshid AHMADI教授，其他合作伙伴来自美国耶鲁大学、美国橡树岭国家实验室、韩国延世大学，以及香港浸会大学。  

不少人常会选择逗留在自己熟悉的专业领域内发展，即使已经取得显著成就，也未必敢于冲出舒适圈。然而，周圆圆教授拒绝固步自封，为拓展他的研究领域永不停息，更不畏困难，积极推动新型太阳能技术走向商业化。 周教授通过「30周年策略招聘计划」加入科大，现为化学及生物工程学系副教授。他在亲自设计的新实验室中，带领研究团队研发崭新材料，期望可逐步将可持续能源融入日常生活。 在周教授实验室内，研究人员正忙于操作不同精密仪器，全神贯注地研究和仔细分析一种名为「钙钛矿」的先进材料。这种新材料可用于制造如纸般轻薄的薄膜太阳能电池，其生产成本较现时市场常用的硅电池更低，更有潜质展现更高的能量转换效率。 周教授解释：「制造硅电池的实际工艺成本依然高昂且工序繁复，而钙钛矿太阳能电池作为一种薄膜光伏技术，能通过极低成本的溶液涂层技术制备，拥有庞大商机。」   现时可利用低成本的溶液涂层技术，制成钙钛矿太阳能电池。图为钙钛矿薄膜的溶液形成过程。  

米耀荣教授与我们分享了他在断裂和复合力学方面的四十年研究成果。