吳興國(guó)，周蓓瑩，周振興，沈宏偉，王連軍，江 莞

(東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201620)

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微納結(jié)構(gòu)Yb0.3Co4Sb12熱電材料的制備及性能研究

吳興國(guó)，周蓓瑩，周振興，沈宏偉，王連軍，江 莞

(東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201620)

王連軍

摘要：采用熔融法結(jié)合SPS燒結(jié)技術(shù)制備了不同Yb含量摻雜的CoSb3塊體熱電材料，當(dāng)Yb含量為0.3時(shí)，其熱電性能最佳，ZT值在800 K達(dá)到了1.19。隨后采用高能球磨技術(shù)，對(duì)熔融法合成的Yb0.3Co4Sb12粉體進(jìn)行球磨得到納米尺度粉體，利用SPS燒結(jié)技術(shù)制得Yb0.3Co4Sb12塊體熱電材料。采用X射線衍射(XRD)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、透射電鏡(TEM)、熱電測(cè)試裝置(ZEM-3)及激光熱導(dǎo)儀等儀器對(duì)樣品進(jìn)行表征。XRD分析結(jié)果表明球磨后Yb0.3Co4Sb12粉體沒(méi)有發(fā)生相變和分解。從FESEM和TEM分析結(jié)果可以看出，球磨可以顯著細(xì)化粉體，SPS燒結(jié)之后樣品的晶粒尺寸小于500 nm，其中部分晶粒小于100 nm。通過(guò)對(duì)比球磨前后粉體SPS燒結(jié)樣品的熱電性能發(fā)現(xiàn)，晶粒尺寸減小之后塞貝克系數(shù)有一定程度的增加，熱導(dǎo)率下降明顯，降低了1/3，但是材料的電導(dǎo)率下降更為顯著，降低了10倍左右，因此導(dǎo)致材料最終的ZT值相應(yīng)下降。

關(guān)鍵詞：熱電材料；塊體Yb0.3Co4Sb12；高能球磨；納米級(jí)粉體；熱電性能

1前言

CoSb3基填充方鈷礦熱電材料具有較大的載流子遷移率、高的電導(dǎo)率和較大的塞貝克系數(shù)[1-5]，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的中溫區(qū)熱電材料，因此受到研究人員的廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)填充，可以使CoSb3基方鈷礦熱電材料的晶格熱導(dǎo)顯著降低，所以大量稀土原子、堿土原子、堿金屬原子以及其他金屬原子[6-9]紛紛被填充到CoSb3基方鈷礦化合物中，從而產(chǎn)生擾動(dòng)效應(yīng)，強(qiáng)烈散射晶格聲子來(lái)顯著降低材料的晶格熱導(dǎo)率從而提高材料的ZT值。

然而被外來(lái)原子填充后的方鈷礦化合物仍具有較高的熱導(dǎo)率，因此熱電性能還具有很大的優(yōu)化空間。早在90年代 Dresselhaus提出低維結(jié)構(gòu)以及納米結(jié)構(gòu)能夠優(yōu)化熱電材料的熱電性能[10]，隨后納米技術(shù)在熱電材料領(lǐng)域的應(yīng)用得以推廣。研究人員發(fā)現(xiàn)具有較小晶粒尺寸的材料具有較低的熱導(dǎo)率，尤其是納米晶粒材料，具有很低的晶格熱導(dǎo)率，這是因?yàn)樾【Я３叽绮牧系木Ы缒軌驈?qiáng)烈散射晶格聲子[11-14]。為此，通過(guò)不同的方法獲得納米尺度的熱電材料相繼被報(bào)導(dǎo)。唐新峰研究小組采用球磨的技術(shù)制備了平均粒徑為200 nm的CoSb3粉體，經(jīng)燒結(jié)后，比較球磨之前的塊體樣品，其熱導(dǎo)率顯著下降，ZT值在700 K時(shí)達(dá)到了細(xì)化之前的4倍[15]。隨后他們又采用熔融懸甩的方法制備出了帶狀的平均粒徑尺寸在250~300 nm的Yb0.3Co4Sb12粉體，燒結(jié)后其塊體在室溫下以及800 K的熱導(dǎo)率分別降低了30%和22%，并且在800 K時(shí)ZT值達(dá)到了1.3[16]。Ren Zhifeng等人采用球磨Yb0.35Co4Sb12鑄塊的方法獲得了粒徑尺寸分布比較大的粉體(100~500nm)，經(jīng)熱壓燒結(jié)，得到了具有多尺度晶粒的塊體材料，使得其擁有不同的平均聲子自由程，從而能夠極大地散射聲子來(lái)顯著降低熱導(dǎo)率，ZT值在550 ℃達(dá)到了1.4[17]。

本文采用熔融法制備出不同Yb填充量的YbxCo4Sb12粉體，并經(jīng)SPS燒結(jié)后獲得塊體材料，并對(duì)其熱電性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試分析，得出最佳填充量。隨后采用高能球磨的方法對(duì)最佳填充量的粉體進(jìn)行球磨，經(jīng)過(guò)不同球磨時(shí)間獲得不同納米尺度的粉體，再對(duì)其SPS燒結(jié)制備的塊體材料進(jìn)行熱電性能研究。

2實(shí)驗(yàn)

2.1樣品的制備

本實(shí)驗(yàn)采用的原料是高純的單質(zhì)Co(99.8%)、Sb(99.9%)和Yb(99.9%)，按照化學(xué)式Y(jié)bxCo4Sb12(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4)稱量原料置于石墨坩堝中，隨后將石墨坩堝置于石英玻璃管中，抽真空并密封封裝，然后放入立式管式爐中，以5 ℃/min 升至1 080 ℃進(jìn)行熔融反應(yīng)，并保溫24 h，隨后于過(guò)飽和的食鹽水中淬火，并將淬火的鑄塊在700 ℃下真空退火7 d。然后將得到的YbxCo4Sb12化合物用瑪瑙研缽磨成粉，隨后進(jìn)行放電等離子燒結(jié)(SPS)，燒結(jié)溫度為650 ℃，時(shí)間12 min，壓力60 MPa，得到致密的塊體材料。隨后對(duì)不同的YbxCo4Sb12樣品進(jìn)行熱電性能測(cè)試。測(cè)試表明填充量x=0.3(Yb0.3Co4Sb12)時(shí)，其熱電性能最佳。將合成的Yb0.3Co4Sb12樣品粉體裝入不銹鋼球磨罐中，球料比為13∶1，在手套箱中裝料，然后將球磨罐裝入GN-2型高能球磨機(jī)，球磨轉(zhuǎn)速設(shè)定為500 rpm。在球磨的過(guò)程中，每隔2 h取出一定量的粉體進(jìn)行SPS燒結(jié)，對(duì)燒結(jié)后的塊體做熱電性能測(cè)試。

2.2樣品的組織性能表征

合成的粉末以及燒結(jié)后的塊體的相組成采用日本Rigaku D/Max-2550 PC型X射線衍射儀確定；密度采用阿基米德法測(cè)得；塊體的電導(dǎo)率以及塞貝克系數(shù)采用日本ULVAC-RIKO，ZEM-3熱電測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)試；采用德國(guó)耐弛LFA427型激光熱導(dǎo)儀測(cè)試材料的熱擴(kuò)散系數(shù)并通過(guò)熱導(dǎo)率計(jì)算公式計(jì)算出其熱導(dǎo)率；采用S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)來(lái)觀測(cè)粉體和塊體材料斷面的晶粒形貌、晶粒尺寸以及晶粒排布狀態(tài)等；采用TECNAI G2S 型高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)觀察塊體樣品的微觀形貌和晶界形態(tài)。

3結(jié)果與討論

3.1不同填充量YbxCo4Sb12熱電材料的合成與熱電性能研究

圖1為不同Yb填充量的YbxCo4Sb12化合物粉末的XRD圖譜，從圖1中可以看出不同填充量(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4)化合物的所有衍射峰都能和CoSb3(PDF#65-3144)標(biāo)準(zhǔn)卡片一一對(duì)應(yīng)，并且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其它衍射峰，說(shuō)明得到了不同Yb填充量的體心立方結(jié)構(gòu)CoSb3基方鈷礦化合物。

圖1　不同Yb填充量的YbxCo4Sb12化合物的XRD圖譜Fig.1　XRD patterns of the YbxCo4Sb12compound

圖2為不同Yb填充量的YbxCo4Sb12化合物粉末經(jīng)SPS燒結(jié)后塊體的塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率以及ZT值隨溫度的變化曲線。從圖2d中可以看出，當(dāng)x=0時(shí)，即沒(méi)有填充Yb的CoSb3中，其ZT值極低且隨溫度變化不大。隨著Yb填充量的不斷增加，各個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ZT值依次增大，這主要是由于對(duì)應(yīng)材料的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)以及熱導(dǎo)率隨Yb的填充發(fā)生了變化，如圖2a,b和c所示。且當(dāng)x=0.3時(shí)，即Yb0.3Co4Sb12化合物的ZT值最高，對(duì)應(yīng)各個(gè)溫度點(diǎn)的值都高于其它填充量的。然而，隨著填充量的進(jìn)一步增加，ZT值反而下降。這是因?yàn)楫?dāng)填充量達(dá)到一定量以后，外來(lái)原子Yb在晶格孔洞中的振動(dòng)對(duì)于散射聲子來(lái)降低熱導(dǎo)率的作用比其引起的電導(dǎo)率降低要小，如圖2b和圖2c所示，因此導(dǎo)致最終的ZT值隨著填充量的增加反而下降。綜上，可知當(dāng)x=0.3時(shí)，即Yb0.3Co4Sb12化合物的綜合熱電性能最佳，ZT值在800 K達(dá)到了最高的1.19。

圖2　不同Yb填充量的YbxCo4Sb12塊體的塞貝克系數(shù)(a)、電導(dǎo)率(b)、熱導(dǎo)率(c)以及ZT值(d)隨溫度的變化曲線Fig.2　Temperature dependence of Seebeck coefficient(a), electrical conductivity(b), thermal conductivity(c) and ZT(d) for bulk YbxCo4Sb12compound

3.2納米結(jié)構(gòu)Yb0.3Co4Sb12塊體的熱電性能

納米粉體是通過(guò)燒結(jié)技術(shù)制備納米結(jié)構(gòu)塊體材料的前提和基礎(chǔ)，所以對(duì)得到的Yb0.3Co4Sb12樣品進(jìn)行了不同時(shí)間的高能球磨(2,4,6,8,10 h)，并最終選取球磨10 h之后的粉體作為原料，采用SPS技術(shù)進(jìn)行燒結(jié)制備塊體材料，并研究了其微觀結(jié)構(gòu)與熱電性能。

圖3給出了Yb0.3Co4Sb12粉體球磨前后的XRD圖譜。從圖3中可以看出，球磨后樣品的譜峰與標(biāo)準(zhǔn)卡片完全吻合，并沒(méi)有出現(xiàn)峰的偏移和雜峰，表明球磨過(guò)程只是細(xì)化粉體的過(guò)程，并沒(méi)有發(fā)生相的分解以及其它反應(yīng)。

圖4a和圖4b為球磨前和球磨后Yb0.3Co4Sb12粉體燒結(jié)塊體斷面的SEM照片，圖4c和圖4d為球磨粉體經(jīng)SPS燒結(jié)制備塊體的TEM照片。從圖4a中可以看出，Yb0.3Co4Sb12晶粒排列緊密，致密度高，幾乎看不到氣孔。根據(jù)阿基米德法測(cè)得的塊體樣品密度結(jié)果，計(jì)算其相對(duì)密度在98%左右，這表明經(jīng)過(guò)SPS燒結(jié)的樣品具有較高的密度。通過(guò)SEM照片還可以觀察斷面的晶粒尺寸，其晶粒尺寸分布范圍較大，小晶粒在3 μm左右，大晶粒在20 μm左右。由圖4b可以看出，采用球磨10 h的粉體為原料進(jìn)行SPS燒結(jié)，塊體材料的晶粒尺寸顯著降低，其小晶粒尺寸在100 nm以下，大晶粒也小于500 nm。不過(guò)從SEM照片中可以看到氣孔的存在。根據(jù)密度測(cè)試結(jié)果，計(jì)算得其相對(duì)密度為96%，略低于未經(jīng)球磨直接SPS燒結(jié)制備的塊體材料的密度。

圖3　Yb0.3Co4Sb12粉體球磨前后的XRD圖譜Fig.3　XRD patterns of the Yb0.3Co4Sb12powder before and after milling

圖4　球磨前(a)和球磨后(b)Yb0.3Co4Sb12粉體燒結(jié)制備的塊體樣品的FESEM照片，球磨粉體燒結(jié)的樣品的TEM(c)和HRTEM(d)照片F(xiàn)ig.4　FESEM images of bulk Yb0.3Co4Sb12sintered with unmilled powder (a) and milled powder (b),TEM (c) and HRTEM (d) image of bulk sample of milled powder

圖4c是球磨后粉末燒結(jié)制備的塊體樣品的TEM照片。從圖中可以清楚地看出，小晶粒尺寸在100 nm以下，而大晶粒尺寸在500 nm以下，這與SEM分析結(jié)果相吻合。圖4c中插入的選區(qū)電子衍射(SAED)表明了Yb0.3Co4Sb12的多晶結(jié)構(gòu)。圖4d為塊體樣品的HRTEM照片，從圖中可以清楚地看到晶格條紋，晶面間距為0.386 nm，對(duì)應(yīng)于[2 1 1]晶面。

圖5　球磨粉體及未球磨粉體燒結(jié)的Yb0.3Co4Sb12塊體的塞貝克系數(shù)(a)、電導(dǎo)率(b)、熱導(dǎo)率(c)以及ZT值(d)隨溫度的變化曲線Fig.5　Temperature dependence of Seebeck coefficient(a), electrical conductivity(b), thermal conductivity(c) and ZT(d) for bulk Yb0.3Co4Sb12compound sintered with unmilled powder and milled powder

圖5為采用球磨前后粉末制備的Yb0.3Co4Sb12塊體的熱電性能隨溫度變化曲線。圖5a所示為樣品的塞貝克系的變化曲線。球磨前后粉末制備的樣品的塞貝克系數(shù)均為負(fù)值，均為N型半導(dǎo)體，表明在球磨和SPS燒結(jié)過(guò)程中并未發(fā)生P-N轉(zhuǎn)化。不過(guò)相對(duì)于未球磨的樣品，球磨后樣品的塞貝克系數(shù)有一定程度的增加，這是因?yàn)椴牧辖Y(jié)構(gòu)納米化可能使熱電半導(dǎo)體材料的能級(jí)發(fā)生分裂和能隙變寬，從而有利于提高材料的塞貝克系數(shù)[15]。然而樣品的電導(dǎo)率卻在球磨之后顯著下降，如圖5b所示，這是因?yàn)殡S著晶粒尺寸的減小，晶界面積增大，載流子移動(dòng)時(shí)受到晶界散射作用也隨之增大，從而導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率下降。此外，塊體材料孔隙率的增加也一定程度地導(dǎo)致了電導(dǎo)率的下降。球磨前后粉末制備的樣品熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系如圖5c所示。從圖中可以明顯地看到球磨后樣品的熱導(dǎo)率降低了很多，這是由于當(dāng)材料的微觀尺寸下降到納米尺度時(shí)，材料中的表面和界面將占據(jù)很大的體積分?jǐn)?shù)，表面和界面對(duì)聲子的散射能力也大大增強(qiáng)，使聲子的平均自由程和運(yùn)動(dòng)速度大幅度減小，從而導(dǎo)致了材料熱導(dǎo)率的降低。

圖5d給出了球磨前后樣品ZT值的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，球磨過(guò)后雖然提高了材料的塞貝克系數(shù)并且降低了熱導(dǎo)率，但是由于電導(dǎo)率也隨之下降，最終導(dǎo)致ZT值反而比球磨前要低。上述結(jié)果說(shuō)明經(jīng)過(guò)球磨處理可以顯著減小粉體粒徑尺寸，SPS燒結(jié)后塊體材料的晶粒尺寸小于500 nm，部分小晶粒甚至小于100 nm。但是由于熱電材料的3個(gè)參數(shù)：熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)，是相互制約的，所以單純追求熱電材料晶粒細(xì)化是不夠的。這是因?yàn)榫Я３叽绲臏p小可以顯著降低熱導(dǎo)率，但是晶粒納米化同樣對(duì)電導(dǎo)率有著顯著的影響，最直接的影響是可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的電子散射，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。通過(guò)上面的分析，可以設(shè)想含有不同尺寸晶粒結(jié)構(gòu)的熱電材料可能具有更優(yōu)異的熱電性能，其中小尺寸晶粒有助于聲子散射從而降低熱導(dǎo)率，大尺寸晶粒有助于提高電導(dǎo)率，因此對(duì)于提高熱電材料的ZT值，多尺度微結(jié)構(gòu)是提高熱電性能的一個(gè)有效途徑。

4結(jié)論

對(duì)熔融合成的Yb0.3Co4Sb12化合物進(jìn)行高能球磨處理得到納米尺寸粉體，然后采用SPS燒結(jié)制備了Yb0.3Co4Sb12塊體材料，研究了其熱電性能并與未經(jīng)過(guò)球磨處理的燒結(jié)樣品進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明，球磨處理可以顯著降低晶粒尺寸，SPS燒結(jié)后塊體材料的晶粒尺寸小于500 nm，部分小晶粒小于100 nm。但是熱電性能研究發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸的減小雖然導(dǎo)致了材料塞貝克系數(shù)增大和熱導(dǎo)率的降低，但是材料的電導(dǎo)率下降更為顯著，結(jié)果材料的ZT值反而出現(xiàn)了下降的情況。這說(shuō)明只是單一追求熱電材料晶粒尺寸納米化，不能提高熱電材料的性能，而發(fā)展多尺度微結(jié)構(gòu)熱電材料有望成為提高其熱電性能的一個(gè)有效途徑。

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(編輯惠瓊)

東南大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)納米技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)

編者按:東南大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)納米技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)(以下簡(jiǎn)稱研究團(tuán)隊(duì))，以發(fā)展針對(duì)重大疾病診斷與治療的納米材料、納米技術(shù)及生物醫(yī)學(xué)工程相關(guān)器件(器械)并積極推進(jìn)臨床應(yīng)用為目標(biāo)，研發(fā)醫(yī)學(xué)影像增強(qiáng)用磁性、超聲和金屬等納米材料及探針，以及顯微醫(yī)學(xué)影像儀器與腫瘤治療用納米藥物與技術(shù)；探索可能存在的納米生物效應(yīng)；建立生物納米材料安全性和生物相容性評(píng)價(jià)的新方法。為納米生物材料及技術(shù)安全應(yīng)用于臨床鋪墊基礎(chǔ)，為建立和發(fā)展疾病診斷及治療的新策略和方法創(chuàng)造條件，為人類(lèi)健康事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

磁性納米材料應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像增強(qiáng)并結(jié)合藥效增強(qiáng)

磁性納米材料作為一類(lèi)具有特殊功能特性的材料，在磁共振(MR)成像、腫瘤磁感應(yīng)熱療、靶向藥物載體、模擬過(guò)氧化物酶等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。作為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的納米材料，要求具有均一的尺寸、規(guī)則的形貌、高的磁性和交流磁熱效應(yīng)、良好的生物相容性、高的靶向性和體內(nèi)長(zhǎng)循環(huán)能力等。一般來(lái)說(shuō)，在制備高性能磁性納米材料的合成方法中，高溫?zé)峤夥ㄊ且环N可以得到較好單分散性、穩(wěn)定性和結(jié)晶度磁性納米結(jié)構(gòu)的常用方法。

研究團(tuán)隊(duì)采用改進(jìn)后的高溫?zé)岱纸夥?，在高沸點(diǎn)溶劑中，以金屬乙酰丙酮配合物為前驅(qū)體，油酸、油胺為表面活性劑，成功制備出了具有不同形貌的磁性錳鋅鐵氧體納米結(jié)構(gòu)，并研究了納米結(jié)構(gòu)形貌調(diào)控的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，控制體系中表面活性劑油酸的量，可分別誘導(dǎo)零維(0-D)的球形、立方形和星形納米晶的生成。而通過(guò)控制反應(yīng)的成核和生長(zhǎng)時(shí)間，晶核可生長(zhǎng)成大尺寸的星形納米晶。由于具有較高的磁偶極相互作用，大尺寸星形納米晶發(fā)生定向組裝、融合，以降低其表面靜磁能，最終形成了具有“尖角”或“鈍角”的三維(3-D)納米團(tuán)簇。

在腫瘤診療應(yīng)用方面，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合MR和磁感應(yīng)熱療技術(shù)，發(fā)展了一種高性能磁性納米晶介導(dǎo)的腫瘤靶向診療策略：首先，在磁性納米晶表面包覆了具有較好水溶性的PEG化磷脂分子(MNCs@PEG)。這種MNCs@PEG具有良好的生物相容性，并且可有效避免被體內(nèi)巨噬細(xì)胞所吞噬，從而提高其在體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間。在血液循環(huán)過(guò)程中，MNCs@PEG可通過(guò)腫瘤增強(qiáng)的滲透與滯留(EPR)效應(yīng)，被動(dòng)累積于腫瘤部位，從而用于腫瘤的MR成像和靶向磁感應(yīng)熱療(TMH)。其次，進(jìn)一步在其表面磷脂的PEG鏈末端偶聯(lián)RGD分子 (MNCs@RGD)，以促進(jìn)其在腫瘤新生血管部位的富集，達(dá)到主動(dòng)靶向。通過(guò)對(duì)比，MNCs@PEG和MNCs@RGD均具有高的磁性和交流磁熱效應(yīng)，它們的比能量吸收率(SAR)值分別能達(dá)到498，532 W/g。通過(guò)在交變磁場(chǎng)(ACMF)下對(duì)瘤體的多次熱療，腫瘤表面溫度能夠達(dá)到42~ 44 ℃左右，可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡、抑制腫瘤新生血管生成、最終延緩腫瘤的生長(zhǎng)。最后，將抗腫瘤藥物紫杉醇(PTX)包封在偶聯(lián)RGD的磁性納米晶表面磷脂疏水層內(nèi)，制備出具有載藥性能的磁性納米晶(MNCs@PTX@RGD)。通過(guò)主動(dòng)靶向，MNCs@-PTX@RGD可富集于腫瘤組織中，并在ACMF的作用下誘導(dǎo)腫瘤的熱療，而熱療造成腫瘤組織的升溫，又可促進(jìn)磁性納米晶表面藥物的緩釋，從而發(fā)揮熱療和化療的協(xié)同作用，最大程度地抑制腫瘤的生長(zhǎng)。這種結(jié)合磁感應(yīng)熱療和化療的腫瘤綜合療法，比單一的熱療或化療更具有臨床應(yīng)用前景。

圖1　新生血管靶向的腫瘤多模態(tài)成像及磁感應(yīng)熱療示意圖

研究團(tuán)隊(duì)大力推進(jìn)高純度脂質(zhì)納米材料培化二硬脂酰磷脂酰乙醇胺(mPEG2000-DSPE)、二棕櫚酰磷脂酰膽堿(DPPC)、二硬脂酰磷脂酰甘油(DSPG)及氫化大豆磷脂酰膽堿(HSPC)的產(chǎn)業(yè)化。上述磷脂為高端納米藥用載體材料，是高技術(shù)靶向藥、生物藥和脂質(zhì)體類(lèi)新藥的主要組成成分，目前國(guó)內(nèi)完全依賴進(jìn)口。本項(xiàng)目旨在解決我國(guó)高端藥物制劑的瓶頸問(wèn)題，打破藥用脂質(zhì)納米材料完全依賴進(jìn)口的局面，大幅降低成品藥的成本和價(jià)格。

圖2　ALK陽(yáng)性(a)與非ALK陽(yáng)性(b)腫瘤靶向成像對(duì)比照片及抗腫瘤靶向近紅外探針I(yè)R623(c)和LP-IR623-DSPE (d)的光學(xué)成像照片

研究團(tuán)隊(duì)利用臨床上應(yīng)用于治療非小細(xì)胞肺癌藥(ALK陽(yáng)性腫瘤)克里唑替尼與近紅外熒光染料IR-822共價(jià)結(jié)合得到了新探針I(yè)R-822-Crizotinib。實(shí)驗(yàn)表明，該探針具有較好的ALK陽(yáng)性腫瘤細(xì)胞靶向識(shí)別能力。IR-822-克里唑替尼同常規(guī)克里唑替尼一樣具有ALK陽(yáng)性抑制的作用，具有在ALK陽(yáng)性腫瘤細(xì)胞中靶向成像的性質(zhì)，而在非ALK陽(yáng)性荷瘤小鼠中沒(méi)有腫瘤靶向作用。進(jìn)一步利用新探針I(yè)CG衍生物IR623合成了新探針iDSPE，并以此為膜材制備了熒光脂質(zhì)體，活體成像顯示，該脂質(zhì)體能有效地被動(dòng)靶向到腫瘤部位，近紅外探針能代謝到體外。經(jīng)過(guò)反應(yīng)條件的優(yōu)化，研究團(tuán)隊(duì)合成了大量新探針iDSPE，并證明了iDSPE可以作為脂質(zhì)體的膜材，具有良好的成膜性，并且有優(yōu)良的光學(xué)成像特征，為今后制備多功能診斷治療一體化脂質(zhì)體提供了前期研究。

復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的微氣泡

構(gòu)建將不同成像方式的造影劑聯(lián)合使用的多模態(tài)造影劑是目前生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域的熱門(mén)研究，發(fā)展以超聲成像為核心的多模態(tài)成像方法和技術(shù)，可彌補(bǔ)單一超聲成像模式的不足。近年來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)探索了將磁性納米顆粒組裝到微氣泡膜殼的內(nèi)部或表面的制備技術(shù)，研究了復(fù)合結(jié)構(gòu)微氣泡的穩(wěn)定性。同時(shí)，將兼具腫瘤新生血管靶向和腫瘤治療藥物進(jìn)一步組裝到復(fù)合結(jié)構(gòu)微氣泡表面，構(gòu)建了具有腫瘤靶向性能的超聲/磁共振雙模式成像和治療的多功能磁性微氣泡探針。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一定量的納米顆粒加入微氣泡膜殼中后，會(huì)顯著增強(qiáng)超聲成像的圖像效果。由于微氣泡膜殼特殊的氣/液界面，以及Fe3O4納米顆粒在膜殼中的分布直接影響微氣泡在磁場(chǎng)中的磁化率敏感度，通過(guò)精細(xì)調(diào)控膜殼中Fe3O4納米顆粒的含量和組裝方式，能夠在保持微氣泡具有超聲波回波信號(hào)反射特性的同時(shí)，具有磁共振成像效果，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的微氣泡將能夠攜載更多的其他成分，可在外場(chǎng)控制下把載體輸運(yùn)到期望的部位，并響應(yīng)外超聲場(chǎng)或磁場(chǎng)釋放藥物，有可能在未來(lái)疾病的多模態(tài)診斷和診治一體化治療中發(fā)揮積極作用。

圖3　優(yōu)化的復(fù)合結(jié)構(gòu)微氣泡超聲(a)、磁共振雙模態(tài)(c)顯影照片及超聲、磁共振響應(yīng)示意圖(b)

藥物的可控釋放一直是醫(yī)學(xué)臨床關(guān)心的重要問(wèn)題之一，水凝膠作為一種生物相容性好、載藥量高、可與多種材料復(fù)合的新型藥物載體越來(lái)越得到重視。為了適應(yīng)臨床對(duì)于藥物釋放在體內(nèi)實(shí)時(shí)可調(diào)的需求，如何控制藥物的釋放就成為了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。在前期研究中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，利用外磁場(chǎng)組裝磁性納米顆粒能夠調(diào)控磁性納米顆粒的集體磁學(xué)性質(zhì)，由超順磁性轉(zhuǎn)變?yōu)槿蹊F磁性。進(jìn)一步通過(guò)在水凝膠成膠過(guò)程中施加外磁場(chǎng)誘導(dǎo)，成功地在聚丙烯酰胺水凝膠內(nèi)部組裝了磁性納米顆粒，形成空間平行排列的鏈狀結(jié)構(gòu)，得到了取向性的復(fù)合磁性水凝膠。經(jīng)Micro CT表征表明，組裝結(jié)構(gòu)均勻有序，取向規(guī)整；經(jīng)磁學(xué)表征表明，該磁性水凝膠具有與組裝鏈取向相關(guān)的磁學(xué)各向異性，可以導(dǎo)致磁性水凝膠在交變磁場(chǎng)下具有磁熱各向異性：當(dāng)交變磁場(chǎng)沿著組裝鏈的方向時(shí)，發(fā)熱較大；當(dāng)交變磁場(chǎng)垂直組裝鏈的方向時(shí)，發(fā)熱較小。

據(jù)此，研究團(tuán)隊(duì)將磁性水凝膠負(fù)載了阿霉素，通過(guò)在藥物釋放過(guò)程中施加交變磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)磁熱效應(yīng)產(chǎn)生的升溫可以控制藥物的釋放，并且隨著交變磁場(chǎng)施加方向的變化，藥物釋放量實(shí)時(shí)隨之改變，因此可以通過(guò)磁熱效應(yīng)的各向異性，對(duì)磁性水凝膠的藥物釋放進(jìn)行控制，藥物釋放量之差可達(dá)3~4倍。

圖4　磁性水凝膠的制備原理示意圖(a，b)、材料實(shí)物圖(c)及Mico-CT照片(d)

目前納米給藥系統(tǒng)多從材料化學(xué)性質(zhì)、尺寸、表面方面研究，盡管對(duì)腫瘤的治療效果有所提高，但是藥物的血液循環(huán)時(shí)間、載藥量、釋放行為等還有待于改善。研究團(tuán)隊(duì)從納米藥物載體的形狀調(diào)控方面進(jìn)行了研究，構(gòu)建了一種以數(shù)個(gè)單分散Fe3O4納米立方晶體形成的組裝體為核、雙油酸-聚乙二醇兩親性聚合物為殼的核-殼式“魔方”形載體，在該載體的內(nèi)、外表面裝載紫杉醇，同時(shí)兼具高載藥量、高磁響應(yīng)性、速釋、緩釋等特性，大大提高了藥物在血液中的循環(huán)時(shí)間。該載體的水動(dòng)力學(xué)尺寸為61.9±2.0 nm；在藥物釋放試驗(yàn)中，前48 h釋放了43%藥物，后48 h釋放了16%藥物；在ph1.5環(huán)境下，96 h藥物釋放了65.73±2.82%。在pp.4環(huán)境下，96 h藥物釋放52.57±3.18%。體外細(xì)胞試驗(yàn)結(jié)果顯示，與小分子修飾氧化鐵相比，PEG修飾氧化鐵魔方載體被RAW264.7細(xì)胞吞噬大大減?。辉撦d體可以大大延長(zhǎng)藥物在荷瘤鼠體內(nèi)的血液循環(huán)時(shí)間，并可通過(guò)核磁共振成像實(shí)時(shí)監(jiān)控腫瘤變化，為實(shí)現(xiàn)腫瘤靶向化療及療效追蹤同步化的多功能給藥系統(tǒng)提供了新的思路和方法。研究結(jié)果發(fā)表在2013年的JournalofControlledRelease雜志上。

高分辨顯微X-CT

高分辨顯微X-CT以其良好的空間分辨率在小動(dòng)物和細(xì)胞組織研究中得到了廣泛的應(yīng)用。高分辨顯微CT是采用X射線成像原理進(jìn)行超高分辨的三維成像設(shè)備，能夠在不破壞樣品的情況下，對(duì)骨骼、牙齒、生物材料等離體樣本和活體小動(dòng)物進(jìn)行高分辨率(微米至亞微米級(jí)別)X射線成像，獲取樣品內(nèi)部詳盡的三維結(jié)構(gòu)信息。

研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)高分辨顯微CT的需求，重點(diǎn)進(jìn)行了閃爍體發(fā)光特性研究及制備工藝、高分辨CT校準(zhǔn)算法、高分辨CT偽影濾除算法、高分辨數(shù)據(jù)三維可視化研究等各方面的工作，并取得了以下進(jìn)展：①自主研發(fā)掌握了CsI閃爍體薄片的加工工藝，其發(fā)光效率為傳統(tǒng)YAG晶體的3倍左右。②實(shí)現(xiàn)了基于最優(yōu)化算法的亞微米精度級(jí)別的校正算法，使得高分辨顯微CT能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米級(jí)別的精確重建。③實(shí)現(xiàn)了環(huán)狀偽影以及硬化偽影的濾除算法。④實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)可視化問(wèn)題，以及CT數(shù)據(jù)與PET數(shù)據(jù)的融合演示功能。除上述研究結(jié)果外，研究團(tuán)隊(duì)在低劑量CT重建以及相襯成像等領(lǐng)域也取得了一定的研究成果。目前實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的高分辨顯微CT分辨率能夠達(dá)到500 nm，并且展開(kāi)了X射線CT-熒光單發(fā)雙模系統(tǒng)、PET-CT融合技術(shù)、藥物腫瘤分析等多個(gè)應(yīng)用研究。

圖5　高分辨X-CT可視化照片

(東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 顧寧教授)

Preparation and Thermoelectric Properties of Micro-Nanostructured Yb0.3Co4Sb12

WU Xingguo, ZHOU Beiying, ZHOU Zhenxing, SHEN Hongwei, WANG Lianjun, JIANG Wan

(State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials,College of Materials Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract：Yb-filled bulk CoSb3skutterudites were prepared by melting method combining with Spark Plasma Sintering (SPS). Bulk Yb0.3Co4Sb12compounds with superior thermoelectric properties(ZT=1.19,800 K) were achieved at last. Then high-energy ball milling was employed to prepare nano-sized particles. After that, the nano-sized Yb0.3Co4Sb12particles were sintered by SPS apparatus to get bulk sample. Particle morphology and microstructure observation were performed by X-ray Diffraction (XRD), Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM). The thermoelectric properties of bulk materials were measured by ZEM-3 and LFA427. There were no decomposition and crystal form transition appeared after milling 10 h according to XRD patterns. The particle size decreased greatly according to FESEM and TEM observation and after sintering the grain size was ~500 nm and partly was less than 100 nm. Compared with the bulk without milling, the Seebeck coefficient after milling increased a little and thermal conductivity decreased 1/3. However, at the same time, the electrical conductivity decreased about 10 times so that theZTof milled bulk Yb0.3Co4Sb12decreased.

Key words：thermoelectric materials; bulk Yb0.3Co4Sb12;high-energy ball milling; nano-sized particles; thermoelectric properties

中圖分類(lèi)號(hào)：O482, TN37

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3962(2016)01-0064-05

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.01.09

通訊作者：王連軍，男，1974年生，教授，博士生導(dǎo)師,Email:wanglj@dhu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374078)

收稿日期：2015-01-23

第一作者：吳興國(guó)，男，1990年生，碩士研究生