先進材料助解全球能源危機

文│余偉業、校園記者錢詩雲
圖│李向陽

隨著全球能源危機和環境污染日益嚴重,綠色新能源的開發刻不容緩。2014年,澳門大學創建了「應用物理及材料工程研究所」(Institute of Applied Physics and Materials Engineering,IAPME),為澳門目前唯一專門探索新能源、光電電光轉換等應用物理學相關的材料和技術的研究所,協助解決全球能源危機。

年輕科研團隊

自成立以來,IAPME匯聚了一支創新意識強烈的年輕精英科研團隊,他們來自美國、歐洲、日本、新加坡、香港等世界知名大學和研究機構,具豐富的科研經歷、深厚的物理和材料專業背景,以及廣闊的國際化視野。其中,IAPME創所所長湯子康講座教授,更是國際知名的納米光電子材料領域領軍人物。在湯教授的帶領下,IAPME的研究實力、創新力在短短數年內迅速增長,獲國家自然科學基金重大集成項目、澳門科學技術發展基金、澳大科研基金等資助;開展70多個研究項目,發表SCI 論文300多篇,國際學術影響力正穩步提升。

湯子康教授(中)引領IAPME的研發取得多項突破

新能源材料研發

湯子康教授表示,IAPME以物理和化學為基礎,以材料為載體,從材料模擬設計出發,探索新材料、新工藝、新功能。以工程應用為導向,針對澳門及大灣區發展所需的科學技術,發展具澳門特色的新型應用物理及材料工程學科。目前,IAPME的研究重心放在太陽能、電能儲存(電池、氫存儲、燃料電池)及節能(高效光電子以及固體照明器件)等領域的關鍵材料製備和技術開發。

湯子康教授說:「材料是個廣泛的概念,不可能甚麼都做,而IAPME注重新能源材料以及光電電光材料的開發和科技創新。結合納米科技,研發出高效的清潔能源以及光電電光技術應用。這些研究將推動澳門新能源學科及相關產業的革新與發展,有望使之成為澳門未來的新科技支柱產業之一。」

半導體膠體量子點

鈣鈦礦太陽能電池

綠色清潔能源的研究是IAPME的主導方向之一,其中,鈣鈦礦太陽能電池的研發備受國際矚目。湯子康教授介紹,目前市場上的太陽能電池主要以多晶矽為原材料,提煉過程會造成高污染和高耗能,且技術昂貴。相反,目前 IAPME 主攻的鈣鈦礦太陽能器件,能用低溫印刷的方式大面積製備,成本低廉。主責鈣鈦礦太陽能電池研發的 IAPME 助理教授邢貴川表示,鈣鈦礦材料性能優異,同時具備了無機半導體的光電子特性和有機材料的溶液可加工性能,能高效地把太陽光能量轉換成電能,其最新報道的光電轉換效率高達23.7%,接近單晶矽的26.1%,遠高於染料敏化太陽能電池的11.9%和有機太陽能電池的12.6%。另外,邢教授說:「鈣鈦礦材料柔軟輕便,能用噴霧打印技術,印在背包或衣服上進行太陽能儲電,能大大提高效能。相信在未來建設智慧城市上,將有更多元化的應用。」

下一代LED技術

除了主力開發鈣鈦礦太陽能電池外,邢教授也兼顧研發鈣鈦礦納米晶發光二極管,該項目被譽為「下一代LED技術」,有望把低成本、環保高效的LED顯示屏和LED光源帶進日常生活中。

目前制造氮化鎵LED所需的原料「銦」,是全球儲量非常少的稀缺金屬資源,再過數十年有枯竭的風險,因此鈣鈦礦等量子點材料將會逐漸取代傳統LED材料。邢貴川教授是鈣鈦礦在發光研究領域的先驅者之一,他的研究進一步大幅提高鈣鈦礦型LED的發光效率。「全球約20%的電能是用來照明的,所以研發高效的照明技術對節約能源至關重要。鈣鈦礦溶液的製備過程既簡單又便宜,生產成本低,而且穩定性高,目前,鈣鈦礦的電光轉化效率已經超過20%,接近其它昂貴半導體的效率峰值,因此獲廣泛研究興趣。在不久的未來,這項技術將普及化、商業化,達到節能的目的。」

邢貴川(左)是鈣鈦礦在發光研究領域的先驅者之一

破多項世界紀錄

另一項IAPME引以自豪的科研成果是「新型超級水凝膠」,其吸附、溶脹、導電、機械性能大幅度提升,能廣泛應用於多個領域,滿足不同需求。負責該研發的IAPME助理教授孫國星介紹,澳大研發的水凝膠吸水倍數高達至13,600倍,即1克的材料吸水後會變成13,000克以上,其吸水溶脹性能是目前世界紀錄的3至4倍,因此可做成吸濕器、衛生巾、尿不濕、衣櫃除濕等民用產品,也可埋在土壤中用作農田保水、沙漠治理;同時,它對有機色素的吸附能力是目前世界紀錄的2倍,可放於污水中吸附其中的污染物,清潔水源。

孫教授表示,這款水凝膠採用價格低廉的普通水泥作為交聯劑,成本遠低於市面產品。另外,在力學性能方面,由於它比橡膠更軟、回復能力更強,具高彈性和減震功能,可用於電子、建築、機械等領域的緩衝墊材料;在電學性能方面,其表面電導率為目前世界紀錄的5倍,可作柔性電子器件,如柔性電機版、電容器隔膜等;最後,水凝膠和生物細胞具良好的相容性,細胞可在其中完美舒展,舒適存活,因此有望可跨領域做成機械性能優異、生物相容性好的新一代生物醫學組織材料、人造器官等產品。目前,該技術正申請三項中國發明專利。

孫國星研發的「新型超級水凝膠」正申請三項中國發明專利

前沿科技增澳門競爭力

IAPME凝聚著不同領域的物理專家的智慧,走在科研的最前沿,也引領澳門在物理學和化學學科的發展。湯子康教授表示,透過開展多項材料工程研究,不僅為澳門培養科技人才,更有望為澳門的產業結構帶來新變化、注入新動力。目前,IAPME也主攻開發平板顯示材料與技術,積極研究如何將「半導體膠體量子點」(簡稱「量子點」,半導體納米晶材料之一)的性能發揮最大值,以最有效的方式把電變成光。

負責相關研究的助理教授王雙鵬表示,由於量子限域效應,僅通過調節量子點的微粒尺寸,就可以實現量子點的發光波長(顏色)從近紅外到藍紫光的連續可調。量子點發光的色彩純度極高,使得顯示畫面的色彩呈現更貼近人眼所見之真實世界。另外,量子點發光耗能低,成本低,是未來平板顯示技術的主流選擇之一。「可見,科技是第一生產力,新的顯示技術有可能帶動出一個新產業,有機會以核心技術佔領新市場,提高社會競爭力。」

王雙鵬表示,新的顯示技術有可能帶動出一個新產業。

革命性納米光熱生物材料

IAPME研發的納米材料在生物醫藥的應用方面也有令人欣喜的突破性進展。湯子康教授表示,通過量子點把光變熱的效應,不僅僅能有效殺死腫瘤,重要的是,腫瘤經納米光熱效應治愈後,體內會保持著長期的腫瘤免疫記憶。就是說治好過一次之後,再也不會復發。這是一種通過物理的方式激活動物體內腫瘤免疫系統的全新途徑。

目前,IAPME正和健康科學學院、中華醫藥研究院進行跨領域合作,小鼠動物實驗已經取得了非常好的效果。一旦腫瘤疫苗的研製取得成功,將會產生巨大的社會效應和商業價值,並在這領域引起革命性的迴響。

第20期 | 2019年

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2019-11-22T13:11:24+08:00