新闻及香港科大故事

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。  

香港科技大学(科大)的研究团队研发了一种极薄的聚合物纳米薄膜。这块薄膜不仅较同一质量(mass)的不锈钢坚固二十五倍 ，同时亦具备透明、透气及防水特质，更可调教当中的气孔大小，适用于制造可穿戴式装置、医疗防护产品、海水淡化滤膜、太阳能电池及应用于其他前沿科技上。 自新型冠状病毒病疫情出现以来，由科大化学及生物工程学系教授及科大(广州)先进材料学域署理主任高平教授所带领的团队，便已积极研究如何利用他们的高性能新物料，制造一个既透明亦透气的口罩。经过数月的努力，研究团队终于制成一个原模，并透过进行与NIOSH NaCI (N95呼吸器测试标准) 同等水平的测试，证明口罩对病毒、细菌以及其他粒子的过滤效率高达百分之九十九。 高教授说﹕「这种纳米材料拥有庞大的潜力，但由于疫情肆虐，我们近月集中研究将纳米薄膜应用到制作一款不仅透气度高、且有高效隔菌功能的透明口罩。据我们了解，现时尚未有一款口罩能同时兼备三个条件。虽然市面流行的不透明口罩能保护配戴者减低感染机会，但对透过读唇或面部表情沟通的听障人士，以及依赖面部表情辅助教学的老师、照料小朋友的保育员或演艺人员等，却造成不便和影响。」 除口罩以外，研究团队亦已就纳米薄膜在其他范畴的应用申请了六项专利，当中包括用于海水化淡的纳米滤膜。纳米薄膜可调教气孔大小的特性，令有关产品成为目前全球最强效的膜蒸馏法（membrane distillation）海水淡化聚合物滤膜，化淡效率不仅较市面现存产品高出十倍，亦是世界记录近三倍。 纳米薄膜贴服、防菌、透明而坚韧的特质，令其成为不同生物医学应用的理想材料。例如用作制造无需每天替换、并可在伤口上直接涂药的新一代伤口敷料。高教授指﹕「这种敷料对于大范围烧伤的病人尤其有效，能暂时成为他(她)们皮肤的替代品，医生可于敷料上直接涂药，药物便会渗透至伤口底层。加上敷料具备良好防水性能，病人贴上敷料后即使洗澡亦无须担心伤口会碰到水。」 纳米薄膜也可成为更佳的传感器(motion sensor)，用作感测人体动作或设计机械人动作等。除了生物医学及环境范畴，纳米薄膜亦可用于电子仪器上，例如经纳米薄膜传声的高音质喇叭器材、超薄电池以及高能高储量的电容器等。

玻璃是一种隔音材料，但香港科技大学（科大）的研究人员近日却发现新方法，令玻璃也可以传声。有关发现不但為研发可於水底使用的手机及其他电子產品带来新机遇，亦為不同需求的建筑设计提供更大弹性。 绿线、红线和虚线显示了隔声玻璃於不同情况下的传声效果。 新型可传声玻璃的设计示意图。 由科大物理学系温维佳教授领导的研究团队利用共振原理，发现在两片玻璃之间有规律的挖出一个个空腔(见左图)，会改变声波的振动模式，让声音得以穿越。透过调整空腔的大小和形状，便可以传送不同的音频，这个概念类似透过调整笛子孔洞的位置，以发出不同强度的音调。

香港科技大学（科大）研究团队近日在新材料领域取得重要进展，结合二维材料与拓扑材料的特性，首次发现一种具有「第二类狄拉克锥」的新材料的普适产生机制并在声学实验中实现了该材料的许多奇特性质，改变了过往只能在苛刻条件下零星获得该材料的窘况。该机制可指导制备对外界信号例如电场、磁场、光波、声波等具有特定方向性响应的新二维材料，将为现代电子通讯、量子计算、光学通信、甚至隔音减噪材料等方面带来重大应用价值。 香港科技大学科研团队用超冷原子解密三维拓扑材料

复杂的拓扑材料，尤其是具有不同内部和表面性质的材料，使得量子计算免于噪声干扰而更加健壮，近年来成为工业和学术界研究焦点。目前的量子计算机仍然脆弱，提高量子信息抗噪性是重要的研究方向。在噪声下保持功能容错量子计算的需求，促使了对于复杂拓扑材料的探索。 香港科技大学物理系的曹圭鵬教授与北京大学物理系的刘雄军教授合作首次实现三维拓扑材料。此材料由超冷原子构成，制备在接近绝对零度的亿分之三度。它为研究新型拓扑材料，甚至那些固体中无法制备的材料提供了途径。这些利用超冷原子实现的新型人工合成材料使得物理学家可以去研究非凡的物质态，进而研发新型量子器件。 材料的拓扑属性意味着材料在实际系统中可以含有一定缺陷，这也为探索材料的新奇特性提供了可能。拓扑材料研究局限于低维，因为超冷原子难以实现三维拓扑材料。三维材料的实现全面开启拓扑材料在超冷原子中的研究，包括绝缘态，半金属和超流在内的高维的非凡拓扑态。 在物理学家构造的人工合成晶格结构中，超冷原子的行为如同在固体中电子。实验中，研究员们将原子的自旋与原子的运动关联起来，形成合成拓扑材料，并且通过新的观测手段观测其能谱。这个合成量子材料就是三维自选轨道耦合的结点线半金属。 这项研究最近于2019年7月29号在自然物理杂志发表 (DOI:10.1038/s41567-019-0564-y)。 “我们的研究为研发自然界不存在的新奇的拓扑材料提供了可能”，曹教授指出，“此进展也为复杂的三维拓扑材料研究和模拟提供了平台。” 这项研究是Science Advances 4, eaao4748 (2018) 的后续工作。