滿眼生機(jī)轉(zhuǎn)化鈞，天工人巧日爭新。創(chuàng)新的科技有如天上繁星之多，在全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家新征程上，科技創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力。2022年，我國科技事業(yè)密集發(fā)力、一大批重大科技創(chuàng)新成果競相涌現(xiàn)，或?qū)⒁l(fā)行業(yè)的革命性變革。今天，小編就來盤點(diǎn)下全世界新材料方面的科技突破。
隨著鋰的價格比一年前高出5倍以上，來自Skoltech和莫斯科國立大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種鈉離子電池材料，為日益昂貴的鋰離子技術(shù)提供了一種替代方案。這種新材料是一種具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的磷酸鈉釩氟化粉。用于電池陰極，它提供了創(chuàng)紀(jì)錄的高儲能能力，消除了新興鈉離子技術(shù)的瓶頸之一。
鋰離子電池?zé)o處不在：它們?yōu)楸銛y式電子設(shè)備和電動汽車提供動力，并儲存風(fēng)電場產(chǎn)生的能量，以平衡不規(guī)則的風(fēng)模式。然而，僅僅依靠鋰是有風(fēng)險的，因為它的化學(xué)制品越來越貴，生產(chǎn)它們相當(dāng)臟，而且礦石在世界各地分布不均勻。在元素周期表中，更豐富的堿金屬鈉可能成為鋰的替代品。
到目前為止，鈉離子電池技術(shù)是相對較新的，雖然電池的基本結(jié)構(gòu)是相同的，但必須使用不同的材料來制造主要組件。其中，陰極是決定電池特性的關(guān)鍵。在他們最近的論文中，Skoltech和密歇根州立大學(xué)的研究人員提出了一種新的陰極材料，可以確保電池能量密度比目前的頂級競爭者高出10%-15%。
根據(jù)科學(xué)家們的說法，一旦對鈉離子電池的高效材料進(jìn)行了更多的研究，它們很可能會取代鋰離子蓄電池用于重型電動汽車，如公共汽車和卡車，以及風(fēng)能、太陽能發(fā)電廠和其他地方的固定能量存儲。
2、廣西大學(xué)研究團(tuán)隊研究出一種可從霧中收集水滴的纖維素
纖維素是地球上最古老、最豐富的天然高分子，是一種具有強(qiáng)吸濕性的可再生材料，其分子骨架上豐富的羥基為霧收集提供了高效的親水域。然而，連續(xù)的親水域會導(dǎo)致表面成核液滴的釘扎以及凝聚水膜的界面屏蔽。
鑒于此，廣西大學(xué)研究團(tuán)隊從仙人掌刺和甲殼蟲翅膀表面構(gòu)造中獲得靈感，發(fā)明了可從霧中收集水滴的纖維素新材料。通過選擇性調(diào)控纖維素表面自由能的極性分量和色散分量，實現(xiàn)了非連續(xù)的分子級親/疏水域。隨后將其涂敷在非對稱刺表面，簡單構(gòu)造了可以實現(xiàn)液滴快速成核和去除的雙重仿生表面。值得注意的是，霧滴與收集器之間自發(fā)的界面電荷作用被首次開發(fā)和利用，水收集效率高達(dá)93.18kg/（m²·h）。
3、中科院化學(xué)所有機(jī)固體實驗室發(fā)現(xiàn)碳家族單晶新材料
碳材料一直被認(rèn)為是一種未來材料，甚至有的材料學(xué)家認(rèn)為人類社會將由現(xiàn)今的“硅基電子時代”邁入到未來的“碳基電子時代”。通過調(diào)節(jié)碳材料的帶隙，可以使其表現(xiàn)出迥異的電學(xué)性質(zhì)（如金屬、半導(dǎo)體和絕緣體），從而在晶體管、能源存儲器件、超導(dǎo)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。碳材料的性能與其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此，研究新的二維碳同素異形體，特別是具有帶隙的新型結(jié)構(gòu)，建立結(jié)構(gòu)與物性之間的關(guān)聯(lián)，具有重要意義。
6月16日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員鄭健團(tuán)隊在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上發(fā)表了題為Synthesis of a monolayer fullerene network 的新成果。該工作在常壓下通過簡單的反應(yīng)條件，創(chuàng)制了一種新型碳同素異形體單晶—單層聚合C60。這是一種全新的簇聚二維超結(jié)構(gòu)，由 C60簇籠在平面上通過C-C鍵相互共價鍵合形成規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種新型碳材料具有較高的結(jié)晶度和良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，并具有適度的禁帶寬度，為碳材料的研究提供了全新思路。
迄今為止構(gòu)筑二維材料的最小單元是單個原子，被稱為人造原子的納米團(tuán)簇作為基本單元構(gòu)筑更高級的二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一直未能實現(xiàn)。由于碳碳成鍵的反應(yīng)收率不是100%且反應(yīng)不可逆，因此使用傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)自下而上通過分子“壘磚頭”的方法制備二維團(tuán)簇碳材料單晶幾乎無法完成。鄭健課題組歷時5年，利用摻雜聚合-剝離兩步法，成功制備了單層二維聚合C60單晶，獲得了確鑿的價鍵結(jié)構(gòu)。
二維單層聚合物C60的結(jié)構(gòu)
該研究工作由中科院化學(xué)所有機(jī)固體實驗室獨(dú)立完成。該工作得到科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃納米科學(xué)專項、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和北京分子科學(xué)國家研究中心的支持。
4、多名科研人員發(fā)現(xiàn)超高力學(xué)性能新材料
美國北卡羅來納州立大學(xué)Dickey實驗室博士后王美香以第一作者的身份，在Nature Materials上發(fā)表論文，介紹了一種重0.2克卻可以提起5公斤重的物體的“繩子”。這是一種力學(xué)性能驚人的新材料，它不但具有很好的拉伸性能，拉伸長度能達(dá)600%，而且還非常堅韌。這款新材料屬于離子液體凝膠的一種，在抗拉伸性能和韌性上創(chuàng)造了這類材料的最高紀(jì)錄，也展現(xiàn)出比水凝膠更廣闊的應(yīng)用前景。
“通常凝膠的機(jī)械性能很弱，比如豆腐。但在自然界中也有例外，比如人體內(nèi)的軟骨。一些研究人員一直在努力制造堅韌的凝膠，這啟發(fā)了我們。”論文共同通訊作者、北卡羅來納州立大學(xué)Dickey實驗室負(fù)責(zé)人Michael D. Dickey說。
此次創(chuàng)造出的離子液體凝膠含有超過60%的離子液體，主要包含丙烯酸和丙烯酰胺兩種物質(zhì)，前者是用于嬰兒尿不濕吸水的主要材料，后者是用于隱形眼鏡的主要材料。最后，混合材料兼具了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸離子液體凝膠的優(yōu)點(diǎn)，實現(xiàn)了1+1≥10的效果。
王美香介紹，新材料透明度達(dá)90%以上，其內(nèi)部的聚合物網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)使凝膠擁有極高的力學(xué)性能，可拉伸而且非常堅韌。拉伸的長度能達(dá)600%，模量有約50個兆帕，斷裂強(qiáng)度約有13個兆帕。這是目前離子液體凝膠界的最高紀(jì)錄。
論文中展示的是用0.2克的離子液體凝膠材料，輕松提起1公斤重量的物體。事實上提起5公斤的重量也不在話下，但因?qū)嶒炇覜]有5公斤的標(biāo)準(zhǔn)件，他們后來用5公斤的水桶做了實驗，材料本身不會有任何破損。
不同凝膠在提起1公斤重物時的表現(xiàn)
5、新發(fā)現(xiàn)Nat Phys-銅氧化物高溫超導(dǎo)新材料
銅氧化物cuprate材料，尤其是共角CuO4銅氧corner-sharing CuO4 plaquettes備受關(guān)注，主要是因為在其中發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)、自旋與電荷、或自旋與軌道自由度分離等奇異狀態(tài)。在這些系統(tǒng)中，自旋通過超交換機(jī)制強(qiáng)烈地反鐵磁性耦合，不同化合物之間具有不同的高近鄰耦合。還已知銅氧化物的電子性質(zhì)，對垂直于CuO2平面上出現(xiàn)的頂角氧apical oxygens、距離和位移高度，都非常敏感。
德國馬克斯·普朗克固體研究所Nikolay A. Bogdanov，Ali Alavi團(tuán)隊在Nature Physics上發(fā)文，報道了兩個銅氧化物，Sr2CuO3和La2CuO4，反鐵磁antiferromagnetic AF超交換最近鄰耦合J的從頭算ab initio量子化學(xué)計算。前者缺少頂角氧，而后者每個CuO2單元含有兩個頂角氧，在每個Cu原子周圍形成扭轉(zhuǎn)八面體環(huán)境。對于兩個系統(tǒng)，獲得了與實驗估計良好的一致性。對關(guān)聯(lián)波函數(shù)和擴(kuò)展超交換模型的分析表明，庫侖相互作用和O–Cu跳躍存在著重要協(xié)同效應(yīng)，即關(guān)聯(lián)呼吸增強(qiáng)跳躍機(jī)制correlated breathing-enhanced hopping mechanism。這是超級交換模型中的一種新成分。抑制這種機(jī)制，會產(chǎn)生AF耦合的急劇減少，表明它在產(chǎn)生強(qiáng)相互作用中是最重要的。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cu和頂角氧之間的距離增加時，反鐵磁AF超交換耦合J顯著增加。
6、天津大學(xué)成功研制仿生向日葵新材料
作為向光性植物的典型代表，向日葵不僅可以感知陽光的方向并隨之響應(yīng)，而且可以自發(fā)不斷地緊緊追蹤陽光運(yùn)動，表現(xiàn)出了一種自我調(diào)節(jié)的生物智能。天津大學(xué)封偉教授團(tuán)隊受自然界向日葵向光特性啟發(fā)，成功開發(fā)了一種能“追光”的智能新材料——基于MXene增強(qiáng)液晶彈性體的仿生向日葵管狀液晶驅(qū)動器。相關(guān)成果已發(fā)表于國際權(quán)威期刊《先進(jìn)功能材料》。
天津大學(xué)成功研制仿生向日葵新材料
“作為概念驗證演示，我們用這種新材料制備了一個‘仿生向日葵’，它能夠?qū)崟r迅速追蹤不斷變化的非聚集光源。”封偉教授說，“這項研究不僅為開發(fā)兼具感知、自反饋和執(zhí)行功能的軟物質(zhì)智能材料提供了新思路，還有望為高分子智能材料在自適應(yīng)光電子學(xué)、智能軟機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。”
“自然界是人類各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。向日葵獨(dú)特的向光性為我們開發(fā)新型仿生智能材料與技術(shù)提供了豐富的靈感。”據(jù)封偉教授介紹，液晶彈性體是一類優(yōu)異的智能高分子材料，兼具聚合物彈性和液晶各向異性，同時具有多刺激響應(yīng)性、類似肌肉的機(jī)械性能、可逆驅(qū)動變形以及形狀可編程等性能，在仿生智能材料、人工肌肉和自適應(yīng)系統(tǒng)等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。
7、美研究人員發(fā)現(xiàn)新材料可使電池壽命增加50％
不可充電電池（原電池）依然在許多重要用途中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，例如起搏器等植入式醫(yī)療設(shè)備。美國麻省理工學(xué)院研究人員利用一種對能量輸送具有活性的材料，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的非活性電池電解質(zhì)，以提高原電池的能量密度。在給定的功率或能量容量下，新方法可使電池使用壽命增加50%，或相應(yīng)地減小尺寸和重量，同時還能提高安全性，而成本幾乎沒有增加。
更換心臟起搏器或其他醫(yī)療植入物中的電池需要進(jìn)行外科手術(shù)，因此延長電池壽命可能對患者的生活質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。之所以在此類重要設(shè)備中使用原電池，因為在給定尺寸和重量的情況下，原電池可提供大約3倍于可充電電池的能量。
研究團(tuán)隊創(chuàng)新的關(guān)鍵是一種新型電解質(zhì)。使用一種新的液態(tài)氟化化合物，他們發(fā)現(xiàn)可將陰極和電解質(zhì)的一些功能結(jié)合在一種化合物中，這可減輕典型原電池的大部分重量。
研究人員解釋說，除了這種新化合物之外，還有其他材料理論上可在高容量電池中發(fā)揮類似的陰極電解液作用，但這些材料的固有電壓較低，與傳統(tǒng)起搏器用CFx電池中的電壓不匹配。因為電池的總輸出不能超過兩種電極材料中較小的那個，額外的容量會因為電壓不匹配而浪費(fèi)掉。但是對于這種氟化液體新材料，其主要優(yōu)點(diǎn)之一是它們的電壓與CFx的電壓非常一致。
在傳統(tǒng)CFx電池中，液體電解質(zhì)必不可少。但是，這些電解質(zhì)實際上是化學(xué)惰性的，構(gòu)成電池重量的一部分。這意味著大約50%的電池關(guān)鍵部件（主要是電解質(zhì)）是非活性材料。但在采用氟化陰極材料的新設(shè)計中，自重可減少到20%左右。
8、學(xué)者發(fā)現(xiàn)新材料幫助糖尿病傷口快速愈合
生命科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院的專家篩選了315種不同的聚合物表面，檢查了每種聚合物的不同化學(xué)組成，直到他們確定了一種聚合物類型，這種聚合物可以積極驅(qū)動成纖維細(xì)胞和免疫細(xì)胞促進(jìn)愈合。工程學(xué)院的一個團(tuán)隊制造了小顆粒，在其表面用這種聚合物裝飾。這些顆粒可以直接應(yīng)用于傷口區(qū)域。
聚合物是一種化學(xué)化合物，由分子以長的重復(fù)鏈結(jié)合在一起。這種結(jié)構(gòu)使聚合物具有獨(dú)特的性能，可以針對不同的用途進(jìn)行調(diào)整。使用聚合物微粒，該團(tuán)隊展示了這種新材料如何在動物模型上輸送到傷口時，在長達(dá)96小時的時間內(nèi)產(chǎn)生三倍多的成纖維細(xì)胞活性，并實現(xiàn)了80%以上的傷口閉合。這種新型聚合物可以作為涂層應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)傷口敷料，以提供快速有效的治療。
諾丁漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的Amir Ghaemaghami教授是這項研究的主要作者之一，他說：“這項研究是朝著能夠為糖尿病傷口創(chuàng)造一種新的、低成本的、有效的治療方法邁出的重要一步。我們所看到的結(jié)果僅在一個應(yīng)用程序中獲得，這可能會對患者產(chǎn)生變革性影響，因為他們目前的治療通常需要訓(xùn)練有素的醫(yī)療專業(yè)人員進(jìn)行重復(fù)治療。”
諾丁漢大學(xué)藥學(xué)院的Morgan Alexander教授補(bǔ)充道：“我們在之前的工作中已經(jīng)展示了新型聚合物的醫(yī)療潛力；我們的細(xì)菌生物膜抗性材料被用于NHS的導(dǎo)尿管，顯示了這種材料如何通過改變聚合物表面的細(xì)菌細(xì)胞行為來防止感染。這些聚合物也有可能容易地應(yīng)用于敷料，我們已經(jīng)與行業(yè)合作伙伴合作開發(fā)這有助于傷口愈合。
9、提速100萬倍，MIT發(fā)現(xiàn)用于人造模擬突觸速度的新材料
由麻省理工學(xué)院（MIT）研究人員組成的多學(xué)科團(tuán)隊使用實用的無機(jī)材料，顯著推動了先前開發(fā)的一種人造模擬突觸的速度極限，將設(shè)備的運(yùn)行速度提快100萬倍，約比人腦中的突觸快約100萬倍。
不僅如此，這種無機(jī)材料還使電阻器非常節(jié)能。與早期版本的設(shè)備中使用的材料不同，新材料與硅制造技術(shù)兼容，因此可使制造納米級設(shè)備成為可能，并可能為集成到深度學(xué)習(xí)應(yīng)用的商業(yè)計算硬件鋪平道路。
可編程電阻器是模擬深度學(xué)習(xí)的關(guān)鍵組成部分，就像晶體管是數(shù)字處理器的核心元件一樣。通過在復(fù)雜層中重復(fù)可編程電阻器陣列，研究人員可以創(chuàng)建一個模擬人工“神經(jīng)元”和“突觸”網(wǎng)絡(luò)，就像數(shù)字神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣執(zhí)行計算。然后可以訓(xùn)練該網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)復(fù)雜的AI任務(wù)，例如圖像識別和自然語言處理。
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