新聞及香港科大故事

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。

香港科技大學(科大)的研究團隊研發了一種極薄的聚合物納米薄膜。這塊薄膜不僅較同一質量(mass)的不銹鋼堅固二十五倍1 ，同時亦具備透明、透氣及防水特質，更可調教當中的氣孔大小，適用於製造可穿戴式裝置、醫療防護產品、海水淡化濾膜、太陽能電池及應用於其他前沿科技上。 自新型冠狀病毒病疫情出現以來，由科大化學及生物工程學系教授及科大(廣州)先進材料學域署理主任高平教授所帶領的團隊，便已積極研究如何利用他們的高性能新物料，製造一個既透明亦透氣的口罩。經過數月的努力，研究團隊終於製成一個原模，並透過進行與NIOSH NaCI (N95呼吸器測試標準) 同等水平的測試，證明口罩對病毒、細菌以及其他粒子的過濾效率高達百分之九十九2。 高教授說﹕「這種納米材料擁有龐大的潛力，但由於疫情肆虐，我們近月集中研究將納米薄膜應用到製作一款不僅透氣度高、且有高效隔菌功能的透明口罩。據我們了解，現時尚未有一款口罩能同時兼備三個條件。雖然市面流行的不透明口罩能保護配戴者減低感染機會，但對透過讀唇或面部表情溝通的聽障人士，以及依賴面部表情輔助教學的老師、照料小朋友的保育員或演藝人員等，卻造成不便和影響。」 除口罩以外，研究團隊亦已就納米薄膜在其他範疇的應用申請了六項專利，當中包括用於海水化淡的納米濾膜。納米薄膜可調教氣孔大小的特性，令有關產品成為目前全球最強效的膜蒸餾法（membrane distillation）海水淡化聚合物濾膜，化淡效率不僅較市面現存產品高出十倍，亦是世界記錄近三倍。 納米薄膜貼服、防菌、透明而堅韌的特質，令其成為不同生物醫學應用的理想材料。例如用作製造無需每天替換、並可在傷口上直接塗藥的新一代傷口敷料。高教授指﹕「這種敷料對於大範圍燒傷的病人尤其有效，能暫時成為他(她)們皮膚的替代品，醫生可於敷料上直接塗藥，藥物便會滲透至傷口底層。加上敷料具備良好防水性能，病人貼上敷料後即使洗澡亦無須擔心傷口會碰到水。」 納米薄膜也可成為更佳的感應器(motion sensor)，用作感測人體動作或設計機械人動作等。除了生物醫學及環境範疇，納米薄膜亦可用於電子儀器上，例如經納米薄膜傳聲的高音質喇叭器材、超薄電池以及高能高儲量的電容器等。

玻璃是一種隔音材料，但香港科技大學（科大）的研究人員近日卻發現新方法，令玻璃也可以傳聲。有關發現不但為研發可於水底使用的手機及其他電子產品帶來新機遇，亦為不同需求的建築設計提供更大彈性。 新型可傳聲玻璃的設計示意圖。 由科大物理學系溫維佳教授領導的研究團隊利用共振原理，發現在兩片玻璃之間有規律的挖出一個個空腔(見左圖)，會改變聲波的振動模式，讓聲音得以穿越。

香港科技大學（科大）研究團隊近日在新材料領域取得重要進展，結合二維材料與拓撲材料的特性，首次發現一種具有「第二類狄拉克錐」的新材料的普適產生機制並在聲學實驗中實現了該材料的許多奇特性質，改變了過往只能在苛刻條件下零星獲得該材料的窘況。該機制可指導製備對外界信號例如電場、磁場、光波、聲波等具有特定方向性響應的新二維材料，將為現代電子通訊、量子計算、光學通信、甚至隔音減噪材料等方面帶來重大應用價值。 香港科技大學科研團隊用超冷原子解密三維拓撲材料

複雜的拓撲材料，尤其是具有不同內部和表面性質的材料，使得量子計算免於噪聲干擾而更加健壯，近年來成為工業和學術界研究焦點。目前的量子計算機仍然脆弱，提高量子信息抗噪性是重要的研究方向。在噪聲下保持功能容錯量子計算的需求，促使了對於複雜拓撲材料的探索。 香港科技大學物理系的曹圭鵬教授與北京大學物理系的劉雄軍教授合作首次實現三維拓撲材料。此材料由超冷原子構成，製備在接近絕對零度的億分之三度。它為研究新型拓撲材料，甚至那些固體中無法製備的材料提供了途徑。這些利用超冷原子實現的新型人工合成材料使得物理學家可以去研究非凡的物質態，進而研發新型量子器件。 材料的拓撲屬性意味著材料在實際系統中可以含有一定缺陷，這也為探索材料的新奇特性提供了可能。拓撲材料研究局限於低維，因為超冷原子難以實現三維拓撲材料。三維材料的實現全面開啟拓撲材料在超冷原子中的研究，包括絕緣態，半金屬和超流在內的高維的非凡拓撲態。 在物理學家構造的人工合成晶格結構中，超冷原子的行為如同在固體中電子。實驗中，研究員們將原子的自旋與原子的運動關聯起來，形成合成拓撲材料，並且通過新的觀測手段觀測其能譜。這個合成量子材料就是三維自選軌道耦合的結點線半金屬。 這項研究最近於2019年7月29號在自然物理雜誌發表 (DOI:10.1038/s41567-019-0564-y)。 “我們的研究為研發自然界不存在的新奇的拓撲材料提供了可能”，曹教授指出，“此進展也為複雜的三維拓撲材料研究和模擬提供了平台。” 這項研究是Science Advances 4, eaao4748 (2018) 的後續工作。