Research新兴纳米发电机专题出版|杨亚研究员,王中林院士共同组织

科技工作者之家 06月08日

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Special Issue

新兴纳米发电机



本专题主要关注新兴纳米发电机这一领域的前沿进展。纳米能源领域新发展出的这一类从环境中获取能量的可持续纳米发电机,在自驱动传感器等方面有广泛的潜在应用。


在2021年第2期中,Research客座编委中国科学院北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员和编委中国科学院北京纳米能源与系统研究所首任所长,佐治亚理工学院教授,中国科学院外籍院士王中林共同担任客座编辑,邀请了国内和国际新兴纳米发电机领域的专家发表高质量的原创性研究和综述文章,涵盖了对纳米材料和纳米技术所带来的新兴纳米发电机的基本理解和实际开发或应用。本专题涵盖了近期纳米发电机研究的多个热点方向,包括摩擦纳米发电机、压电纳米发电机、热释电纳米发电机、复合与耦合纳米发电机等。

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01

多效应耦合纳米发电机



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通信作者:Ya Yang yayang@binn.cas.cn


随着各种不同原理电子设备的出现,环境中的光能、热能和机械能都可以为之提供能量。多效耦合纳米发电机 (NGs) 通过将包括压电、热电、热电、光电和摩擦电在内的各种效应集成到一个独立的设备中,表现出强大的环境能量收集能力。多类型效应的相互作用可以通过调节电荷载流子的行为来促进能量收集和转换。多效耦合 NG 代表重要的能量收集器组,可以推动电子设备的发展并促进能源危机的解决。多效耦合 NG 无与伦比的多功能性和高可靠性使它们成为集成在电子设备复杂阵列中的主要候选者。由于其具有快速响应、高精度和高响应度的特征,多效耦合 NG 还可用作各种自供电传感器。本文回顾了多效耦合NGs的最新成果。包括基础理论、相关材料、先进器件设计和输出特性,并展望了其潜在的应用以及未来发展。

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research/2020/6503157/


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02

自供电电化学系统的最新进展



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通信作者:

Xia Cao caoxia@binn.cas.cn;

Jie Wang wangjie@binn.cas.cn;

Zhong Lin Wang zhong.wang@mse.gatech.edu  


电化学作为最重要的研究和生产技术之一,已广泛应用于各个领域。然而,外部电源的需求是其发展的一大挑战。为解决这个问题,需要开发可以通过从环境中收集能量来工作的自供电电化学系统(SPES)。摩擦纳米发电机(TENG)可以将机械能转化为电能,是一种与电化学结合构建SPES的有前途的方法。本文对基于 TENG 的 SPES 的最新代表性成果进行了全面回顾。从电化学污染物处理、电化学合成、电化学传感器、电致变色反应和防腐系统五个SPES展开的了介绍,并讨论了促进SPES发展的前景。

https://spj.sciencemag.org/journals/

research/2021/4673028/


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03

具有多功能且高度稳健的传感

能力的全有机自供电电子皮肤



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通信作者:

Yue Zhang yuezhang@ustb.edu.cn;  Qingliang Liao liao@ustb.edu.cn


具有皮肤般触感和柔韧性的电子皮肤(e-skin)将推动可穿戴设备领域发展。多功能和高鲁棒性是电子皮肤感知能力的两个关键要素。本研究开发了一种基于摩擦纳米发电机(TENG)的完全有机的自供电电子皮肤(FOSE-skin)。基于TENG的FOSE-skin以自修复聚合物为摩擦电层,具有温度敏感性的离子液体为电极,剪切后10小时内即可完全自愈;这类材料还具有多功能且高度稳健的传感能力,可以同时感知压力和温度;还具有高度鲁棒,自愈后不会发生变化。这类FOSE-skin可用于检测手臂摆动、流水温度变化和运动轨迹。这项工作为解决基于TENG的FOSE-skin单功能和低鲁棒感测能力问题提供了新思路,可以进一步促进可穿戴电子设备在软机器人和仿生假肢中的应用。

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research/2021/9801832/


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04

一种用于自供电压力传感电子

皮肤的完全自愈式压电纳米发电机



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通信作者:

Long Gu lgu@xidian.edu.cn;

Yong Qin  qinyong@lzu.edu.cn


作为将机械能转化为电能的重要方式,压电纳米发电机(PENG)近年来在能量收集和自供电传感器方面得到了广泛的应用。然而,其鲁棒性和耐用性仍然受到实际应用环境中频繁和不可避免的机械冲击的严重挑战。本研究报道了一种完全自愈的 PENG(FS-PENG)自供电压力传感电子皮肤。通过将压电PZT颗粒和导电银纳米线混合成自修复聚二甲基硅氧烷(H-PDMS)制成的自修复压电复合材料和自修复银纳米线电极组装成三明治结构FS-PENG。FS-PENG不仅可以有效地将外部刺激转换为对压力具有线性响应的电信号,在经过多次切割和自修复过程后仍保持优异的自修复和稳定的传感性能。此外,由9个FS-PENG组成的自愈压力传感器阵列贴在人手背上以模拟人体皮肤,成功实现了对压力空间位置分布和大小的精确监测。

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research/2021/9793458/


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05

由掺杂碱金属(Li 和 Na)

引起的p 型 PbS 的对比热电

传输行为



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通信作者:

Zhiwei Huang zwhuang@buaa.edu.cn; 

Li-Dong Zhao zhaolidong@buaa.edu.cn


PbS 具有较低的成本和较大的地球丰度,是 PbTe 热电材料的潜在替代品。本研究通过掺杂碱金属(Na 和 Li)研究了 p 型 PbS 的热电传输特性,并证实 Li 是比 Na 更有效的掺杂剂。通过引入Li,电和热传输特性得到了共同优化。通过调节载流子浓度显着提高了电传输性能,Pb0.99Li0.01S中最大功率因数(PFmax)为~11.5 μW/cmK2,平均功率因数(PFave)为~9.9 μW/cmK2在423和730 K之间达到,远高于 Pb0.99Na0.01S(~9.5 和~7.7 μW/cmK2)。掺杂Li和Na可以有效削弱晶格热导率。将扩大的 PF 与抑制的总热导率相结合,在 p 型 Pb0.99Na0.01S 中获得了 730 K 时的最大 ZT~0.5 和 423~730 K 时的大平均 ZT~0.4,高于~0.4 和~在 p 型 Pb0.99Na0.01S 中分别为 0.3。

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research/2020/4084532/

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06

使智能鞋能用于可穿戴发电的

摩擦纳米发电机



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通信作者:Jun Chen jun.chen@ucla.edu        


可穿戴电子产品、人工智能和第五代无线技术的并行发展创造了一种技术范式,有可能深刻地改变人们的生活。尽管如此,解决与可穿戴电子设备的持续、可持续和普遍供电相关的限制仍然是一个需要克服的瓶颈,以最大限度地提高这些技术协同后带来的指数效益。

最近的一项突破性发现表明,通过利用接触带电和静电感应的耦合效应,摩擦纳米发电机(TENGs)可以有效地将来自身体运动的不规则和低频被动生物力学能转化为电能,为人类提供无限和可持续的动力来源。人们的多种运动,如走路都可以转化为能量。鞋子是日常穿着不可或缺的组成部分,可以作为利用这种动能的绝佳平台。本文综合评述了基于TENG的智能发电鞋的最新代表性成果。不仅可以通过动态运动清除生物力学能量的方法,还可以通过跟踪节奏和步伐强度来实施健康参数的生物监测,以帮助治疗诊断领域。本文还对基于 TENG 的可穿戴发电智能鞋的合理结构设计、实际应用、场景分析和性能评估进行了系统回顾。还讨论了智能发电鞋作为面向即将到来的物联网时代的可持续和普遍能源解决方案的未来发展前景。

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research/2020/7158953/

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07

具有导电中间层的摩擦纳米

发电机的渗透效应



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通信作者:

Weiqing Yang wqyang@swjtu.edu.cn            


现有研究表明,将导电中间层引入摩擦纳米发电机 (TENG)是提高表面电荷密度的有效方法,这归因于介电常数的提高。然而,对伴随渗透的关注太少,这是影响输出的另一个关键因素。本研究制造了具有嵌入 MXene 的聚偏二氟乙烯 (PVDF) 复合膜的 TENG,并从实验和理论上研究了输出能力对 MXene 负载的依赖性。具体而言,表面电荷密度主要取决于较低 MXene 负载下的介电常数,相反,随着导电负载的进一步增加,渗透成为退化因素。在介电常数和渗透性能的平衡下,与纯 PVDF 相比,MXene 改性的 TENG 的表面电荷密度提高了 350%。这项工作为理解 TENG 中的介电常数和渗透性能提供了新思路,为高性能摩擦电子学提供了通用策略。

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research/2021/7189376/

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08

用于不规则和超低频蓝色能量

收集的非谐振混合电磁摩擦

纳米发电机



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通信作者:

Xiaobin He hxiaobin1976@163.com; 

Xiaojing Mu mxjacj@cqu.edu.cn; 

Ya Yang yayang@binn.cas.cn


蓝色能源是一种很有前途的可再生能源,但由于技术限制,获得具有不规则性和超低频的蓝色能源仍是一项具有挑战性的工作。本研究提出了一种非共振杂化电磁摩擦纳米发电机,可以有效地获取超低频能量。该仪器采用精密设计的柔性摆锤结构,结合电磁与摩擦电的工作原理,成功实现全方位振动能量采集。结果证实,摩擦纳米发电机 (TENG) 有可能提供约 470 μW 的最大功率,而电磁纳米发电机 (EMG) 最多可提供 523 mW。双螺旋结构的TENG具有弹性缓冲作用,使得系统的能量转换效率达到48.48%,转换效率显着提高了2.96倍。此外,嘉陵江的一个浮标成功地证明了其收集低频波浪能量的能力。这种唤醒为大规模收集不规则和超低频蓝色能量提供了有效的候选者。

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research/2021/5963293/


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09

基于三角圆柱折纸的压电/摩擦

电混合发电机以获取耦合的

轴向和旋转运动



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通信作者:

Jinkee Hong jkhong.yonsei@gmail.com; Sangmin Lee slee98@cau.ac.kr 


压电纳米发电机(PENGs)和摩擦纳米发电机(TENGs)是可以收集机械能的代表性技术。一般来说,压电/摩擦电混合发电机可以在有限的输入下收集相当多的能量;然而,PENG 和 TENG 对收集能量有不同的要求。具体来说,当施加大的机械应变时,PENGs 会产生大的输出,而 TENGs 需要大的表面积才能产生高功率。因此,有必要在结构设计方面制定创新策略,以满足 PENG 和 TENG 的要求。本研究开发了一种基于三角形圆柱折纸的压电/摩擦电混合发电机(TCO-HG),通过折纸结构以实现有效的能量收集。这种折纸结构由三角圆柱表面上的垂直接触分离 TENG、内部铰链上的 PENG 和顶部基板上的旋转 TENG 组成,通过运动获取机械能。每个发电机可以通过单一输入产生单独的电输出。TCO-HG 可以为一个 22 μF 的商用电容器充电,在运行时为 60 个 LED 供电。

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research/2021/7248579/

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10

用于纳米发电机开发的

生物聚合物纳米纤维



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通信作者:

Ya Yang yayang@binn.cas.cn; 

Wenshuai Chen chenwenshuai@nefu.edu.cn


开发具有更强性能和功能的纳米发电机 (NG) 需要更多的新型材料。在过去的十年中,因生物聚合物纳米纤维 (BPNF) 具有独特的纳米结构和特性,并且可以从丰富的可再生资源中获得的性质,使得它们成为能源相关领域中关键的可持续构建模块。本综述总结了使用 BPNF 进行 NG 开发的最新进展。首先介绍了制造具有不同结构和性能的 BPNF 的各种策略。然后系统地介绍多糖和蛋白质纳米纤维在 NG 中的应用。特别是使用 BPNF 来生成具有定制结构和特性的散装材料,用于组装摩擦电和压电 NG;使用 BPNFs 构建 NGs 以从水分和渗透中发电。最后,探讨了这一领域发展中的关键问题。

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research/2021/1843061/

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混合摩擦纳米发电机:

从能量互补到集成



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通信作者:

Zhen Wen  wenzhen2011@suda.edu.cn; Xuhui Sun xhsun@suda.edu.cn    


利用太阳能、波浪能、风能或机械能的能量收集方式可用于低功耗的小型自供电电子设备,如传感器、可穿戴设备、电子皮肤和可植入设备。其中,通过摩擦起电和静电感应耦合效应运行的摩擦纳米发电机(TENG)以其成本低、重量轻、材料选择自由度高、功率大、适用性强等优点逐渐受到重视。具有单一能量交换机制的装置受其转换效率和工作环境的限制,不能实现能量的最大转换。本文回顾了近年来基于 TENG 的不同类型混合发电机的研究现状。混合能源发电机将通过不同能量交换方式的集成来提高输出性能,具有很好的应用前景。从能量互补的角度来看,可分为通过不同原理采集机械能,与其他清洁能源采集器相结合,将机械能或各种能源转化为氢能。针对多类型能量采集器的集成,总结了针对不同应用场景的单个装置的原理和集成单元的结构设计。混合TENG不断扩大的能量收集效率使得自充电单元为智能移动电子供电的方案成为了可能,对自供电传感器网络的发展具有现实意义。

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research/2021/9143762/

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具有晶格分辨率的准二维氧化锌纳米片

的厚度相关压电特性



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通信作者:

Xudong Wang xudong@engr.wisc.edu          


对纳米级压电特性的定量研究会开启量子限制下机电耦合现象的许多应用潜力。本研究提出了一种基于原子力显微镜 (AFM) 的方法,用于量化厚度为 1 到 4 nm 的单晶氧化锌纳米片 (NS) 的纳米级压电性能。通过确定适当的驱动电位,最大限度地减少了静电相互作用和尖端样品耦合的影响,并推断出厚度相关的压电系数 (d33)。通过对厚度相同的晶胞数的 NS 测量的 d33 进行平均,观察到了有趣的三晶胞关系。从具有 3n 晶胞厚度 (n=1, 2, 3) 的 NS 中,获得了值为 ~9 pm/V 的块状 d33,而具有其他厚度的 NS 显示出 ~12 pm 的 d33 高 ~30% /V。作为 ZnO 晶胞数的函数的 d33 的量化提供了一个新的实验发现,即从大量压电的非层状材料中获得纳米级压电性材料。

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research/2021/1519340/


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用于实现下一代物联网应用的

摩擦纳米发电机和混合系统



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通信作者:

Chengkuo Lee elelc@nus.edu.sg            


在过去几年中,基于摩擦纳米发电机(TENG-based)的混合发电机系统经历了蓬勃的发展,涉及到人们生活的方方面面,从工业应用到消费者,从室外到室内,以及可穿戴到植入式应用。尽管 TENG 技术已经广泛应用于机械能量收集,但大多数开发的 TENG 仍存在输出电流小、发电不稳定和多源能源能量利用率低的问题。为同时收集包括机械能、热能和太阳能在内的无处不在/共存的能量形式,人们将 TENG 与其他转换机制相结合,例如电磁发电机、压电纳米发电机、热电纳米发电机、热电发电机和太阳能电池,形成用于协同单源和多源能量收集的混合发电机。由此产生的基于 TENG 的混合发电机利用集成换能原理来够弥补每种结构的缺点并克服上述限制,实现最大、可靠和稳定的输出发电。本综述从运行原理、结构设计、优化策略、功率管理和系统集成等方面系统地介绍了基于 TENG 的混合发电机和混合系统的关键技术。还提供了基于 TENG 的混合发电机和混合系统在室外、室内、可穿戴和可植入应用中的最新进展。最后还讨论了对混合发电机和混合系统在环境监测、人类活动感知、人机交互、智能家居、医疗保健、可穿戴设备、植入物、机器人、物联网 (IoT) 等领域的未来发展趋势的展望。

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research/2021/6849171/


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基于刷状摩擦纳米发电机的

自供电室温乙醇传感器



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通信作者:

Ya Yang yayang@binn.cas.cn; 

Xiangyu Chen  chenxiangyu@binn.cas.cn   


高灵敏度乙醇传感器已广泛应用于环境保护、工业监测和酒后驾驶测试。在这项工作中,基于摩擦纳米发电机(TENG)开发了一种在室温下运行的完全自供电乙醇检测器。选择气敏氧化物半导体作为乙醇检测的传感元件,通过氧化物半导体的电阻变化可以很好地匹配TENG负载特性曲线的“线性”区域。因此,TENG 的输出信号可以直接揭示乙醇气体的浓度变化。应用加速器齿轮箱来支持TENG的运行,乙醇气体的浓度变化可以在液晶显示器上可视化。这种完全自供电的乙醇检测器具有耐用性好、制造成本低和选择性高(5 ppm)的优势。基于 TENG 的乙醇检测器不仅为气体检测提供了一种不同的方法,还进一步证明了 TENG 在各种传感装置中的应用潜力。

https://spj.sciencemag.org/journals/

research/2021/8564780/

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基于磁力增强的凸轮的摩擦纳米

发电机的可持续性和功率



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通信作者:

Dahoon Ahn dhahn@kongju.ac.kr; 

Dukhyun Choi dchoi@khu.ac.kr             


自 2012 年发明摩擦纳米发电机 (TENG) 以来,已经产生了很多应用,摩擦和噪声等机械接触损失仍然是提高其输出性能和可持续性的一大阻碍。本研究报告了一种基于磁铁组装凸轮的 TENG(MC-TENG),它通过利用磁铁之间的非接触排斥力提高了输出功率和可持续性。根据接触模式、接触和分离时间以及接触力(即推力和斥力)的影响研究了 MC-TENG 的理论和实验动态行为。通过优化磁铁排列可以获得最高输出性能,其中电容器的充电时间比基于机械凸轮的 TENG (C-TENG) 快 2.59 倍。本研究设计并演示了一个基于 MC-TENG 的风车系统,可以有效地收集低速风能(~4 m/s)产生非常低的扭矩。预计本研究的无摩擦 MC-TENG 系统将为有效收集大量浪费的机械能提供可持续的解决方案。

https://spj.sciencemag.org/journals/

research/2021/6426130/ 

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用于手写识别的自供电智能人机交互



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通信作者:

Mengdi Han hanmd1990@gmail.com; 

Haixia Zhang hxzhang@pku.edu.cn          


手写签名广泛存在于人们的日常生活中。手写信号识别的主要挑战在于开发有效获取信息的方法。摩擦纳米发电机可以很容易地检测到外部机械信号,这可以为构建能够记录手写信号的新型主动传感器提供直接的机会。本研究报告了一种基于摩擦纳米发电机的智能人机交互界面。使用水平垂直对称的电极阵列,无需外部能量供应即可记录手写的摩擦电信号。结合有监督的机器学习方法,它可以成功识别手写的英文字母、汉字和阿拉伯数字。主成分分析算法对摩擦电信号数据进行预处理,降低机器学习过程中神经网络的复杂度。进一步地,它可以通过控制输入到神经网络的样本来实现书写习惯的防伪识别。结果表明,智能人机交互界面在签名安全和人机交互方面具有广阔的应用前景。

https://spj.sciencemag.org/journals/

research/2021/4689869/

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纤维状摩擦离子电化学晶体管



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通信作者:

Ya Yang yayang@binn.cas.cn; 

Qijun Sun  sunqijun@binn.cas.cn        


接触带电激活的摩擦电势提供了一种通过电解质电介质(即摩擦离子电子学)调节半导体器件中的传输特性的有效途径。有机电化学晶体管 (OECT) 通过改变半导体通道的掺杂状态,可以更有效地利用电解质电介质中的离子注入。然而,主流的柔性/可穿戴电子设备和基于 OECT 的设备通常由电信号调制并以传统几何结构构建,外部环境与功能电子设备之间缺乏直接有效的交互。本研究展示了一种具有良好电性能的纤维状摩擦离子电化学晶体管,包括高达 ≈1286 的电流开/关比,关断电流在 ~nA 水平,平均阈值位移 (Dth) 为 0.3 mm,亚阈值对应位移 (SSp) 的摆动幅度为 1.6 mm/dec,具有出色的柔韧性和耐久性。本研究提出的摩擦离子电化学晶体管具有用于柔性、功能性和智能自供电电子纺织品的巨大潜力。

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往期回顾

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Research期刊进展


25

12-2020

Research已被ESCI收录


25

12-2020

2020年度人类社会发展十大问题发布





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《Research》是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的定位为国际化、高影响力、世界一流水平、综合性、大型OA科技期刊,是美国《Science》自1880年创刊以来第一本合作期刊。主要发表先进能源、先进制造、先进材料、人工智能、环境科学、柔性电子、健康科学、信息科学、微纳科技、量子信息、空间科学,11个热点交叉领域突破性原创研究成果。主编(中国)为中科院院士黄维,主编(国际)为美国明尼苏达大学麦克凯特杰出教授崔天宏。第二届编委会由许宁生、高松、黄如、李兰娟、饶子和、俞书宏、崔铁军等国内外33位院士在内的137位编委组成。已被CAS、CNKI、CSCD、DOAJ、EI、ESCI、INSPEC、PMC、Scopus数据库收录。


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国际刊号 ISSN 2096-5168

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来源:gh_39c32df87055 Research科学研究

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