中科院苏州纳米所张学同

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张学同，中科院苏州纳米所研究员，博士生导师，中科院“百人计划”学者。2002年博士毕业于北京理工大学材料学院，随后依次在北京大学化学学院、英国Brunel University、英国University of York从事博士后研究，2008年4月加入北京理工大学材料学院任教，先后被聘为教授、博士生导师；2013年3月加入中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，任“百人计划”研究员。作为第一作者或通讯作者在相关领域的顶级杂志如Scientific Reports、Advanced Materials、ACS Nano、Energy & Environmental Science、Small、Chemical Communication、Macromolecules等上发表学术论文50余篇，其中影响因子超过10.0的论文5篇，影响因子超过3.0的论文40余篇，论文SCI总引用次数超过2200次，单篇SCI引用超过100次的论文7篇，H因子达到23。研究成果多次得到美国化学会(ACS)、英国皇家化学会（RSC）、Materials Views中国等新闻媒体广泛报道，多次受邀在Small, Journal of Materials Chemistry, Carbon等国际著名杂志发表研究成果。申请了中国发明专利20余项（7项已获得授权），其中10余项中国发明专利已经实现商业化转让。某些研究成果已被一些大型企业（如浙江传化化学集团公司、苏州同玄新材料有限公司等）推广使用。先后获得北京理工大学优秀青年教师资助计划、北京理工大学优秀研究生指导教师、北京理工大学材料学院先进个人、中科院“百人计划”引进人才、江苏省苏州市“姑苏领军”人才、江苏省苏州工业园区“科技领军”人才、江苏省苏州工业园区高层次和紧缺人才等荣誉称号；指导的学生获得“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛二等奖、“挑战杯”北京大学生课外学术科技作品竞赛三等奖、北京理工大学优秀学位论文奖、北京理工大学“材料之星”奖等多种荣誉。


姓 名:张学同        
性    别:男
职 务:
职    称:研究员
学 历:
通讯地址:苏州工业园区若水路398号
电 话:0512-62872821        
邮政编码:215123
传 真:
电子邮件:xtzhang2013@sinano.ac.cn

研究领域：
　　长期开展高性能气凝胶的基础和应用研究，在气凝胶的结构设计与表征、溶胶-凝胶化学、凝胶的功能化改性、凝胶的干燥、气凝胶的应用研究等方面都积累了丰富经验。研究对象涉及：
　　1） 低维碳材料
　　2） 功能高分子材料
　　3） 有机/无机杂化材料
　　4） 纳米复合材料

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苏州纳米所张学同成功制备柔性、自清洁的石墨烯气凝胶智能相变纤维

智能纤维，通常指可感知环境变化或刺激（如光、电、温度、湿度、pH、机械等）并能够做出反应的纤维，是智能可穿戴织物中重要的基本组成单元。智能纤维可通过智能织物形式，整合到臂带、袖套、服装、头盔、腰带等部位之中，并作为可穿戴传感器、制动器、能源器件、调温织物及加热器等功能器件的核心单元应用于柔性可穿戴智能系统中。然而，目前大多数织物纤维以天然高分子或合成高分子为主。这些高分子具有本征的热绝缘及电绝缘性能，使其难以与微型化电路进行有机整合，因而不仅限制织物纤维在传统电子器件中的应用，还束缚着新型可穿戴电子器件及智能机器人的发展。此外，如何实现智能纤维在面对复杂环境及人机交互中多重刺激响应的功能集成，依旧是一个重大挑战，也是未来新型多功能智能可穿戴系统发展的重要机遇。

基于智能纤维多重刺激响应的功能集成这一需求，中科院气凝胶团队将石墨烯气凝胶纤维、相变材料及超疏水涂层巧妙复合，得到一种柔性、自清洁的石墨烯气凝胶智能相变纤维，实现了复合纤维的能源转换与存储、自清洁、智能调温、加热等多重刺激响应功能于一身。具体制备工艺如下：首先通过湿法纺丝工艺，将氧化石墨烯液晶纺入特定凝固浴中，经化学还原-超临界干燥等技术手段制备得到具有规整、连续、多孔的石墨烯气凝胶纤维；然后通过浸渍填充，将有机相变材料（如石蜡、聚乙二醇、高级脂肪酸等）引入到气凝胶纤维的多孔网络结构中，获得石墨烯气凝胶相变复合纤维；最后在复合纤维上包裹氟碳疏水涂层，获得具有自清洁功能、多重刺激响应行为的柔性石墨烯气凝胶智能纤维。

研究表明，这种新型的智能纤维具有可调的相变焓值（0-186 J/g）、优异的力学/电学性能、自清洁及多重刺激响应（光、电、温度）的热能转换与存储/释放功能，且纤维可被加捻、编织。针对单根纤维、纤维束及织物等形式，分析并探究了复杂环境下的刺激响应行为：当纤维弯曲或打结时，纤维的电热响应行为不受影响，当纤维集结成束时，纤维之间发生热交换，能够减少纤维向环境的热流失，从而表现出更为快速的电热响应及更高的响应温度；纤维织物在室温及低温环境下均具有光-热响应行为，且随着纤维织物的密集程度的增加，光热响应具有更快、更高的温度响应。进一步地，通过热电偶及数据记录仪，详细分析了单根纤维、纤维织物的电热、光热响应历程，并详细研究了纤维种类（不同相变材料的纤维混编织物）、纤维织物的密集程度、外部环境（温度、湿度及应力）对热能捕获及释放的影响，实现智能织物的多温度区间的热能存储、释放及调温功能（如图1所示）。

图1 、石墨烯气凝胶智能纤维的多重刺激响应示意图(a)、其编织图案的光学照片(b, c,)与光-热响应时的红外照片(b1, c1)、及其智能织物（d内插图）在光/电刺激响应下的热能转换与存储/释放的历程(d)。

通过石墨烯气凝胶纤维、相变材料及氟碳树脂巧妙复合得到的石墨烯气凝胶智能纤维实现了多重刺激响应下的多功能集成，且可再现于纤维加捻而成的纱线及编织成的织物之中，在新一代智能可穿戴织物及便携式电子器件领域具有广阔应用前景。相关研究成果以“Multiresponsive Graphene-Aerogel–Directed Phase-Change Smart Fibers”为题，已在线发表在国际著名杂志Advanced Materials（2018, 30, DOI: 10.1002/adma.201801754）上。

博士生李广勇（北京理工大学与中科院苏州纳米所联合培养）为论文第一作者，张学同研究员为论文通讯作者，合作者包括澳门大学洪果教授，英国伦敦大学学院宋文辉教授。该论文工作在国家重点研发计划（2016YFA0203301）、国家自然科学基金（51572285）、英国牛顿高级学者基金（NA170184）和江苏省自然科学基金（BK20170428）的共同资助下完成。

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        3月21日上午，应中-以（美）绝热与节能材料国际实验室邀请，中科院纳米研究所张学同研究员来南京航空航天大学材料科学与技术学院做题为“气凝胶的功能化设计、合成及应用”的学术报告，报告会由我院陈照峰教授主持。


气凝胶自发明以来，一直被公认为是一种可以改变世界的神奇材料，并在热学、光学、电学以及力学等各方面都有广泛的应用。张学同研究员是英国皇家学会Newton Advanced Fellowship，英国皇家化学会会士(FRSC)，国家重点研发计划项目负责人，中科院“百人计划”研究员、博士生导师，江苏省创新创业“双创计划”引进人才，苏州纳米所先进材料部副主任、苏州市“纳米节能技术与低碳建筑应用”重点实验室主任，中科院“气凝胶”团队负责人，美国化学会会员，中国化学会纳米化学专业委员会委员。国家自然科学奖评审专家（会评，材料组），中国气凝胶国家标准编制组成员。


张研究员详细介绍了气凝胶材料的相关背景、新型气凝胶发展和制备技术现状，及目前面临的技术问题和科学问题，主要研究领域集中在低维纳米结构凝胶化控制组装方面的研究，从事气凝胶材料的结构设计、合成及应用研究。同时，张研究员向现场师生展示了他们团队目前主要研究的氮化硼气凝胶、石墨烯气凝胶、聚吡咯/银纳米复合气凝胶等研究成果，为师生们就新型气凝胶未来研究的发展方向提供更多的研究思路和方法。


师生们对张研究员的精彩的报告内容表现出了浓厚的兴趣，针对报告丰富的内容进行了热烈的讨论，并纷纷提出了与气凝胶领域相关的问题，张研究员分别对师生们提出的问题给予了详细的解释和回答。

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众所周知，固固复合材料是以一种固体材料为基体相而以另一种固体材料为增强相形成的复合材料，具有轻质高强特征，已广泛应用于航空、航天、汽车工业、计算机等各个领域；另一方面，液液复合材料，即乳液，也已在日常生活中得到普遍应用，如护肤品、油漆等。固固复合材料以固体状态存在，本质上属于固体材料范畴；而液液复合材料以液体状态存在，本质上属于液体材料范畴。固体材料具有骨架稳定、易成型、可加工、力学性能好等特点，但固体材料往往难以发生快速动态响应；液体具有界面光滑、动态响应、传质效率高、自修复等特征，但液体本身很难自支撑使用。有别于固固复合材料和液液复合材料，近年来，固液主客体复合材料作为新兴材料领域引起了众多研究学者的广泛关注。固液主客体复合材料以固体为主体（连续相）材料，以液体为客体（分散相）材料，弥散分布在固体内或连续填充于固体中，它同时兼具固体的属性和液体的属性，并衍生出丰富的界面性质和各种单一组分所无法实现的优异性能。

　　图1. 固液主客体复合材料的设计及其在光学显示、红外隐身、智能响应、柔性电子、气体分离等领域的典型应用

　　苏州纳米所张学同研究员团队长期致力于气凝胶以及气凝胶固液主客体复合材料研究。气凝胶是一种分散介质为气体的凝胶材料，是具有三维网络结构的多孔纳米固体材料，具有低密度、高孔隙率、高比表面积以及低热导率等独特性能。气凝胶独特的多孔固体结构，能够为承载功能液体提供限域空间和强毛细作用力，使其在固液主客体复合材料领域大显身手，从而催生并推动了固液主客体复合材料发展。近年来，该团队在固液主客体复合材料方面开展了一系列代表性研究工作：提出了石墨烯气凝胶/相变材料主客体复合体系，展示了其在智能纤维领域的应用(Adv. Mater. 2018, 30, 1801754)；研究了凯夫拉气凝胶/相变材料主客体复合体系，展示了其在红外隐身、空调纤维等领域的应用(ACS Nano 2019, 13, 2, 2236–2245; ACS Nano 2019, 13, 5703-5711；ACS Nano 2021, DOI: 10.1021/acsnano.1c05693)；开展了氮化硼气凝胶/相变材料主客体复合体系研究，展示了其在5G便携式电子设备中的热控管理多元化应用(ACS Nano 2020, 14, 16590-16599)；开展了聚多巴胺/芳纶纳米纤维气凝胶薄膜与低共熔相变材料的主客体复合体系研究，发展了具有阻燃和低温热管理功能的主-客体复合薄膜(Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2102232)。
　　最近，该团队系统综述了固液主客体复合材料的最新进展和未来研究方向。首先，介绍了固液主客体复合材料的概念、分类、设计策略（包括材料设计、维度设计、连续性设计、尺寸效应和响应性），以及制备方法。其次，阐述了如何借助多孔固体材料和功能液体材料固有属性，来获得固液主客体复合材料的各种优异性能，特别是在光学、热学、电学、机械、吸附和分离等方面的性能，并进一步展示了固液主客体复合材料在光学器件、热管理、电磁屏蔽、柔性电子、气体吸附以及多相分离等领域的应用。此文最后还展望了固液主客体复合材料的未来发展方向，评述了目前所面临的挑战和未来的发展机遇。
　　这篇综述文章以“Solid-Liquid Host-Guest Composites: the Marriage of Porous Solids and Functional Liquids”为题发表在国际期刊Advanced Materials上，中科院苏州纳米所盛智芝副研究员为论文第一作者，张学同研究员为论文通讯作者，该论文工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、英国皇家学会-牛顿高级学者基金等资助。

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2021年12月28～30日，由科技部主办，科技部火炬中心承办的首届全国颠覆性技术创新大赛（领域赛）在山东省青岛市高新区举行。2021年，科技部在第十届中国创新创业大赛中首次设立“全国颠覆性技术创新大赛”专业赛，聚焦集成电路、人工智能、未来网络与通信、生物技术、新材料、绿色技术、高端装备制造以及交叉学科等可能产生重大颠覆性突破的技术领域。青岛领域赛区聚焦于高端装备制造、新材料、未来网络与通信三个方向，该赛区共119个优秀项目团队参赛。  

高分子气凝胶纤维及在服装领域的应用

　　苏州纳米所张学同团队的“高分子气凝胶纤维”项目通过预赛获得“优秀项目”，成功进入本次领域赛。领域赛中，该项目获得评审专家高度评价，并高票荣获“优胜项目”。本次大赛中优胜项目将进入科技部颠覆性技术备选库并晋级全国总决赛。
　　高分子气凝胶纤维是通过溶胶-凝胶纺丝和特种干燥技术直接获得的一种超轻多孔的新型高性能纤维，是气凝胶结构在纤维材料中的完美体现。气凝胶纤维因其具有高孔隙率、低密度和优异的隔热保温性能而受到广泛关注，并被视为下一代保暖纤维，有望颠覆现有隔热材料市场，替代羽绒、超细纤维等现有高效隔热材料，在纺织、环境、能源等诸多领域具有重要应用前景。