新聞及香港科大故事

由香港科技大學（科大）綜合系統與設計學部助理教授顧紅曰教授帶領的國際跨學科研究團隊，近日取得一項突破性發現，成功顛覆了三百年來人類對摩擦現象的傳統理解。自阿蒙頓定律提出以來，科學界普遍認為，當兩個表面相互接觸時，施加在其上的載荷越大，摩擦力就會單調地隨之增加。然而，團隊的最新研究首次揭示，摩擦力甚至可以在完全沒有實際物理接觸的情況下產生。這一發現不僅為開發無磨損技術開闢了全新路徑，亦重塑了我們對這個關乎行走以至汽車煞車等日常活動的基本定律之認知。相關研究成果已發表於國際學術期刊《Nature Materials》，論文題為「Nonmonotonic Magnetic Friction from Collective Rotor Dynamics」。是次研究由科大與奧地利因斯布魯克大學及德國康斯坦茨大學的學者聯合開展。研究結果顯示，摩擦力可以在完全沒有任何機械接觸的情況下產生，其驅動機制源自集體磁性動力學。更值得關注的是，摩擦力並非隨載荷持續增加，而是在某一特定距離達到峰值；在該距離下，磁性相互作用呈現受抑狀態並產生磁滯效應。顧教授表示：「這項研究表明，摩擦不僅限於機械接觸引發的現象。即使兩個表面從未實際接觸，摩擦力也可以完全源自身系統內部的集體磁重構。」由磁性引發的摩擦現象

由香港科技大學（科大）物理系許欽教授與機械及航空航天工程系胡文琪教授聯合領導的研究團隊，近日在柔性複合材料領域取得重大突破，研發出一種具高度可編程性且具非對稱力學響應的新型柔性複合材料系統。團隊成功將「剪切─堵塞」相變機制融入高分子聚合物基體，為實現機械智能系統提供了關鍵的材料基礎，邁出了發展新一代智能材料與裝置的重要一步。在軟體機器人、仿生組織及柔性電子等前沿工程領域中，能夠對外部刺激作出特異性響應的材料，是實現智能功能的關鍵。然而，傳統設計多依賴具有非線性結構或複雜幾何構造的超材料，這些離散結構往往對缺陷和斷裂極為敏感，限制了其工程實用性。有別於傳統方式，許教授和胡教授的研究提出了一種全新設計範式，利用「剪切─堵塞」相變物理機制發展出柔性複合材料，展現出獨特的科學優勢與工程潛力。這項研究的主要科學與工程突破包括：•    多維度方向控制：研究團隊製備的柔性複合體在剪切與法向兩個方向上同時展現出非互易性力學行為，實現對不同加載路徑的方向的靈敏響應，並且具備非對稱材料形狀記憶特性，可進行多維度方向控制。•    可編程且高韌：有別於傳統脆弱的剛性超材料，柔性複合材料不僅具有高度可編程的力學特性，同時具備出色的抗斷裂能力，展現出高韌性。透過調控其內在的「剪切─堵塞」相變過程，可以精確控制材料性質，從而自主製訂所需力學響應，以滿足不同應用需求。•    活性智能新材料：研究團隊進一步將「剪切─堵塞」結構與空間調變的磁性分布相結合，創造出能自主運動的「軟體活性固體」。這種活性智能新材料可用作仿生軟體機器人，在狹小環境中靈活移動；也可以作為智能閥門，在微流控系統中實現選擇性流控。從科學角度而言，該研究創新地結合顆粒物理學與高分子材料科學，建立了具有非互易力學性質的新型軟物質體系；在工程應用方面，研究團隊為製備各類具有方向特異性響應的柔性複合材料提供了一種既高效且通用的設計策略，此研究不僅為實現機械智能奠定了基礎，更為新一代智能及節能材料的開發開闢了全新途徑。

香港科技大學（科大）工學院的研究團隊成功研製出一款新型彈性合金Ti₇₈Nb₂₂，該材料具備高效固態製熱效能，而且在彈性變形過程中所表現的可逆溫度變化能力，為普通金屬的20倍，為傳統的蒸氣壓縮製冷和熱泵技術提供環保的綠色替代方案。 全球近一半的能源消耗用於供熱，包括建築供暖和工業供熱。現時，全球主要通過燃燒化石燃料供熱，不僅產生大量溫室氣體，而且消耗大量能源。固態相變熱泵是較為環保的替代方案，但其能效卻局限於卡諾極限的50%至70%。如何突破這能效瓶頸，一直是全球面臨的重大挑戰。 為應對這個挑戰，科大機械及航空航天工程學系的孫慶平教授的研究團隊提出利用彈性變形產生的溫度變化實現製熱。雖然這種熱彈效應（Thermoelastic effect）早在19世紀就由著名科學家開爾文、焦耳和杜哈梅爾發現，但常規金屬的熱彈效應非常微弱，因而無法應用。孫教授的團隊研發出具有[100]織構的Ti₇₈Nb₂₂馬氏體多晶合金，該材料在彈性變形時表現出4–5 K的可逆溫度變化——達到普通金屬（通常僅約0.2 K）的20倍。而且，新材料的熱能效達到卡諾極限的90%，媲美商用蒸汽壓縮製熱能效。 團隊進一步發現，某種特定的鐵彈性馬氏體合金具備更佳的熱膨脹特性，可實現高達22 K的溫度變化。這項研究為綠色熱泵產業展現出極具潛力的發展前景，並首次提出基於非相變原理的綠色高效供熱解決方案。 孫教授表示：「這項發現從根本上改變了熱彈效應過於微弱、難以應用的傳統認知。我們的研究證明了僅靠彈性變形就能實現高效固態製熱。」

香港科技大學（科大）工學院研究團隊持續推動可再生能源電池技術發展，率先透過突破研究鈣鈦礦太陽能電池納米結構，成功研發出一款既高效又穩定的電池，可望大幅降低其使用成本及擴大其應用範圍，將科研成果落地貢獻社會。 相對現行主流使用的傳統矽晶太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池能量轉換效率高、生產時材料成本較低及可達至永續製造，屬極具發展潛質的前沿技術，是科研界重點研究課題。惟鈣鈦礦太陽能電池在光亮、潮濕及高溫環境下，表現有欠穩定，阻礙它投產。其中，鈣鈦礦薄膜內部的正離子分布不均，削弱電池性能。 科大化學及生物工程學系副教授周圓圓教授領導的研究團隊發現，在鈣鈦礦薄膜晶粒的三角邊界處上，存在內凹幾何結構，這些結構產生「陷阱」束縛正離子，令它分布不均。研究團隊其後採用了一種化學添加劑「乙酸丁基銨」，淺化晶粒上的內凹，並將其深度降低了三分之一。經此技術所製得的鈣鈦礦電池，在效能上增長近26%，同時在各項標準穩定性測試中，表現優異。 周教授說：「現時研究大多聚焦於宏觀或微觀層面去改進鈣鈦礦電池，甚少研究更細微的納米級結構。團隊利用陰極射線發光顯微鏡，並結合一系列先進技術，發現這些納米內凹結構影響薄膜正離子分布，這正正是影響電池光電轉換效率與穩定性的關鍵。」 研究成果已在納米科技領域的頂尖學術期刊《自然納米技術》（Nature Nanotechnology）發表，論文題為「Nanoscopic Cross-Grain Cation Homogenization in Perovskite Solar Cells」。 論文的第一作者、科大博士後研究員郝明偉博士補充道：「鈣鈦礦是一種軟晶格材料。團隊在實驗過程中，觀察到鈣鈦礦薄膜與傳統材料結構差異大，已開展下一階段的研究釐清相關機制，期望擴展鈣鈦礦太陽能電池的商業應用，以創新產品推動再生能源市場發展。」 本研究的共同通訊作者為美國田納西大學諾克斯維爾分校的Mahshid AHMADI教授，其他合作夥伴來自美國耶魯大學、美國橡樹嶺國家實驗室、韓國延世大學，以及香港浸會大學。

不少人常會選擇逗留在自己熟悉的專業領域內發展，即使已經取得顯著成就，也未必敢於衝出舒適圈。然而，周圓圓教授拒絕固步自封，為拓展他的研究領域永不停息，更不畏困難，積極推動新型太陽能技術走向商業化。 周教授透過「30周年策略招聘計劃」加入科大，現為化學及生物工程學系副教授。他在親自設計的新實驗室中，帶領研究團隊研發嶄新材料，期望可逐步將可持續能源融入日常生活。 在周教授實驗室內，研究人員正忙於操作不同精密儀器，全神貫注地研究和仔細分析一種名為「鈣鈦礦」的先進材料。這種新材料可用於製造如紙般輕薄的薄膜太陽能電池，其生產成本較現時市場常用的矽電池更低，更有潛質展現更高的能量轉換效率。 周教授解釋：「製造矽電池的實際工藝成本依然高昂且工序繁複，而鈣鈦礦太陽能電池作為一種薄膜光伏技術，能通過極低成本的溶液塗層技術製備，擁有龐大商機。」   現時可利用低成本的溶液塗層技術，製成鈣鈦礦太陽能電池。圖為鈣鈦礦薄膜的溶液形成過程。  

米耀榮教授與我們分享了他在斷裂和復合力學方面的四十年研究成果。