物理教学仪器设备(牛这个“透明陶瓷”能让激光“唱歌”青大物理学院打破国外技术垄断……)

Posted 2023-06-02

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物理教学仪器设备(牛这个“透明陶瓷”能让激光“唱歌”青大物理学院打破国外技术垄断……)

青岛新闻网12月10日讯（记者刘文超）陶瓷碗、陶瓷锅比较常见，但是像玻璃一样透明的陶瓷您见过吗？这种陶瓷还能为光赋能，成功实现激光调制！日前，记者在青岛大学物理科学学院见证了这一“逆天”科技成果的神奇。

从国外垄断到自主研发

众所周知，陶瓷通常是不透明的，因为普通陶瓷里存在很多微小气孔和大量晶界，“折射＋散射”双管齐下，几乎所有的光线都无法透过陶瓷，因此制备高透光率的功能陶瓷一直以来是一个较大的挑战。

经过十几年研究，青岛大学物理科学学院张永成博士带领研究生团队，成功制备出高度透明的稀土元素掺杂改性PMN-PT电光陶瓷，并成功打破国外对该项技术的垄断。“这个材料原先是被卡脖子的，国内很难买到。10年前联系国外厂家想购买关键制备设备，报价38万美元，而现在已接近100万美元，由于没有那么多经费支持，没办法只能从零开始。

“张永成介绍道，”由于整个工艺流程的参数比较多，自主研发设备的稳定性差，虽然早期偶尔会做出比较好的样品，但接下来的很长一段时间内，多次实验都无法复制。没办法只能逐一核对数据，逐个工艺参数优化。最终用比较廉价的设备，依靠精准的工艺控制，做出性能非常好的材料。现在我们的PMN-PT材料目前在国内是领先的，在国际上也仅次于美国的波士顿科技公司。”

它能让激光“唱歌”

记者来到张永成团队的实验室看到，10平方米左右的实验室里更像一个“LOFT”，楼上进行理论研究和数据计算，楼下存放着满满当当实验设备，以及他们最重要的电光调制系统，用以展示透明陶瓷的材料性能。如何实现将一首歌曲在自由空间通过激光传输，张永成在现场进行了演示。手机播放的音乐被转换成电源信号施加在透明陶瓷片上，一束未携带任何信息的红色激光，穿过大小为3乘以5毫米的透明陶瓷片后抵达接收器，音乐随之响起。如果用卡片阻挡激光，声音就会消失。

据张永成介绍，这种给光赋能的新技术，可以让激光传输信息拥有无限可能。与通过无线电波通信相比，激光通信具有距离远、速度快、保密性好的优势。张永成团队还基于自主制备的PMN-PT基高性能压电陶瓷设计制作出高频医学超声探头，实现了血管壁的超声成像和检测。

透明陶瓷未来大有用武之地

科研工作绝非一帆风顺，但张永成团队却从没想过更换赛道，十几年来，他们始终在一个材料体系中探索研究。正是凭借着科研人埋头骨干的科研精神，张永成带领团队从无到有，从关键设备研发、到最原始的粉体制备，再经过成型、烧结、性能测量、微结构研究等环节，最后到应用效果的演示，终于在光通信领域核心器件的关键材料取得重大突破，并正在研发高性能电光器件。该团队近期还成功制备出高性能透明压电陶瓷，这种新型材料可以应用与光声成像无损检测技术和水声换能器技术，它兼具光学成像和超声成像的优点，在癌症早期筛查、血液疾病诊断、海洋探测等方面优势突出。

高度透明PMN-PT电光/压电陶瓷的成功制备，为研制高性能电光器件/医疗器件/声呐器件提供了核心材料，解决了原材料卡脖子的问题。与单晶相比，陶瓷材料具有制备周期短、生产成本低、掺杂浓度高、组分均匀、器件加工简单、可制成尺寸大、形状复杂的制品等优点。未来，有助于我国新一代信息技术产业、医养健康产业、现代海洋产业的发展，无论是在我们的日常生活领域，还是在成百上千米深的海底，抑或是在广袤无垠、环境极端的太空，透明陶瓷都有用武之地。

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解决心脏止血难题，荣获国防科技创新大赛一等奖

近年来，青岛大学物理科学学院科研团队硕果累累，在多个前沿科技领域实现新突破。

龙云泽教授团队在国际上率先成功研制出适用于野外环境的手持纳米止血敷料枪，并提出一种不需要手术缝合的两步法止血新技术，为心脏贯穿性伤口快速止血提供了切实可行的解决方案，该成果荣获国防科技创新大赛一等奖。

在许多外科手术中，止血是一项繁琐且艰巨的任务，特别是面对心脏大出血时，一般会采用纱布填塞、激光灼烧、喷止血凝胶等手段。受伤口形状不规则、跳动时产生的收缩压、心脏组织易损伤等因素制约，常规物理止血手段，效果往往不尽如人意。如何为心脏创伤快速止血，一直是困扰医学界的棘手问题，如今这一难关被龙云泽团队攻克，该团队围绕手持纳米止血敷料枪设计的两步法止血技术，目前已在猪等大型动物上证实了有效性。

“跳动心脏大出血是目前最难止住的出血类型，一般心脏受伤后，生还概率非常低。猪的心脏大小与结构和人的心脏最为接近，在北京实验的实验室里，我们的技术4分钟内就能将出血完全止住，效果非常好。”青岛大学物理科学学院副院长龙云泽介绍道。

在龙云泽团队的实验室里，记者见到了初代产品手持静电纺丝装置，这个和体温枪差不多大小的演示样品，很好诠释了手持纳米止血敷料枪的工作原理。在注入特定液体后，通过静电纺丝技术在针头处产生比头发丝还细的微纳米纤维。这层白色纳米纤维膜，1分钟内就能附着在皮肤上，像一个高配版的“创可贴”，可以快速有效覆盖伤口，十分神奇。据龙云泽介绍，通过静电纺丝技术产生的纳米纤维膜，具有密度小、空隙小、附着力强、贴合性好等特点。“它具备什么功能，取决于他的液体是什么成分。比如液体上具有美容成分，在皮肤上就能产生美容功能；加入促进烧、创伤愈合的成分，就能促进伤口愈合。”龙云泽表示。值得一提的是，该项设备最大的亮点是体积小，方便携带，可适用于野外环境。

在野外环境中心脏大出血，如果不能及时止血，后续救治工作根本无法展开，这无疑是在和死神赛跑。

龙云泽团队研发的手持纳米纤维敷料枪，可以快速修补心脏、动脉等创口，并耐受住血液流动或心脏收缩时产生的压力。龙云泽进一步解释说，第一步相当于用具有良好生物相容性和凝血特性的复合纳米纤维膜（聚乳酸/明胶/可吸收止血微球）制成的锥形心脏止血塞，来快速阻断心脏创口大出血，塞子吸血后迅速膨胀，起到让伤口止血的作用；第二步是利用静电技术，让医用胶纳米纤维膜紧密贴合在不平整的创面，在固定止血塞的同时，解决创面可能存在的渗血问题。纳米纤维膜的孔隙非常细微，可以起到很好的密封作用，同时材料可生物降解，被人体吸收，既保障安全，又可避免取出材料造成二次创伤。

从2014年开始，龙云泽团队就启动了对手持静电纺丝装置和纳米纤维敷料枪的研发。经过多年研究，原位快速精准喷涂纳米纤维敷料的技术已十分成熟，曾荣获国防科技创新大赛一等奖、山东省自然科学二等奖、三等奖等。

龙云泽长期从事静电纺丝纳米纤维、功能纳米材料的制备、性能及应用研究。他告诉记者，该项技术除了用于解决外科手术医学难题，在美容、空气过滤、教学仪器等领域，拥有十分广阔的应用场景。相比于熔喷布作为过滤层的口罩，纳米纤维膜是更为优质的过滤材料，如果用作口罩，PM2.5、PM0.3都能过滤，PM0.3就是许多病菌的尺寸了，可以让人通气更容易，呼吸更顺畅。“与目前大多空气净化器中使用的HEPA（高效过滤膜）相比，相同的过滤效果下，纳米纤维过滤膜的空气通过率更高，膜两侧压力差也更小。更为关键的一点是，成本低。”