同一些科研成果接近应用端、市场飞速发展的领域相比,材料领域更靠近创新链和产业链的上游,更强调循序渐进和长期积累的研究过程,能够高度吸引眼球的突破性进展可遇而不可求。在过去的2017年,材料领域的广大科研人员以扎实稳重的研究工作在各个不同方向上不断积蓄创新能量,酝酿着可能到来的足以改变世界的革命性成果。

  一

  二维材料研究大范围展开

  自石墨烯发现以来,将显示屏、集成电路、太阳能电池等一切电子产品二维化的科幻想象立刻成为可期待的未来景象。二维材料的研究也迅速成为广大材料学家的研究热点。2017年,美国西北大学、明尼苏达大学、瑞士洛桑联邦理工学院、南洋理工大学、清华大学、中科大、浙江大学等众多国内外研究机构不断拓展二维材料研究的边界。砷烯、锑烯、铋烯、过渡金属硫化物、过渡金属碳化物等更多的二维材料在实验室中被发现。各种不同二维材料也开始被尝试用于太阳能电池、液晶、光催化、储能、光电探测、发光、催化等多个应用领域。同时对不同材料背后的合成、表征、缺陷等普遍性科学规律的总结也取得了大量的进展。尽管并没有类似于石墨烯一样震惊世界的效果,但2017年二维材料领域研究的广泛开展势必为其未来的实际应用打下坚实基础。

  二

  电池材料性能不断改进

  2017年,汽车的清洁化步伐骤然加快,也大大带动了电池产业的发展。电池技术的发展在根本上还是依赖材料科学的发展。作为材料领域里长期以来的研究重点,电池材料也在去年取得了诸多进展。宾夕法尼亚大学的研究团队发明了用有机硫化物/有机聚硫化物作为塑化剂的新方法,提高了实现了锂硫电池的长期循环稳定性。清华大学、美国阿贡国家实验室和美国麻省理工学院的联合研究小组开发了一系列钛酸锂水合物,实现了锂离子电池的超长循环寿命和高倍率性能。斯坦福大学的研究团队发明了一种锂硅合金/石墨烯箔片负极材料,可与硫正极组装成高效、稳定、寿命长的新型电池。韩国科学技术院的研究团队发明了一种高弹性粘结剂,形成“分子滑轮”,极大地提高了硅负极在充放电过程中的稳定性。这些成果都在一点一滴的改进电池产品的性能,最终实现未来社会对能源瓶颈的突破。

  三

  碳材料深入发展

  石墨烯、碳纳米管等“明星材料”长期以来受到广泛关注,在各种畅想中被广泛用于各大领域并产生了颠覆性的影响。但对其实际应用的研究却一直处于进行时。2017年,以华为为代表的多个终端厂商推出了配备石墨烯电池的电子产品,其中石墨烯主要在电池电极中少量添加并改善了一定的充电速度。查尔姆斯理工大学基于石墨烯制备出了柔性太赫兹检测器。曼彻斯特大学、上海应物所等多个机构都尝试精确控制石墨烯膜的层间距以及孔径大小,从而大大提高海水净化甚至重水提取等过滤、提取过程的效率。柏林自由大学的团队制备出导电、可水处理且具有生物活性的石墨烯纳米油墨,具有生物医学方面的潜在应用。此外石墨烯还被尝试用于防腐涂料、吸附材料、轮胎强化等诸多方面。

  四

  自修复材料多方向发展

  荷兰的微生物学家另辟蹊径,跨领域创新,将一种超强生命力的芽孢杆菌与作为营养来源的乳酸钙混入混凝土中形成了自愈混凝土。完好的混凝土中的细菌处于休眠状态。一旦建筑开裂,接触到氧气和水的细菌就能够通过新陈代谢将乳酸钙转化为碳酸钙,修补裂缝。合肥工业大学科研团队设计出一种纳米复合水凝胶,能在近红外光诱导下在1分钟内实现96%的自修复。这一材料同时还具有可注射性能及生物相容性,可用于抗癌药物载体等医学应用。四川大学同哈佛大学的联合科研团队则制造出一种透明、坚韧、可以“自愈”的橡胶,如用于汽车轮胎则可以进行自动修复,极大提行车安全。

  五

  金属材料的老树新枝

  钢铁材料通常被认为是一个已经充分发展的“土”方向,很难再产生关键性的成果。北科大的科研团队设计并制备出强度最高达2.2GPa、还具有很好的塑性(大约8.2%)的超高强马氏体时效钢。兼具这两方面性能的钢材是推动汽车轻量化及节能减排的重要材料。同时由于使用廉价的铝代替了昂贵的钴、钛等合金元素,这一发明还大幅降低了钢材的成本。这一成果也在2017年刊登于《Nature》杂志。香港城市大学则研发出了双相纳米晶结构的镁合金薄膜材料,其3.3GPa的强度已经接近了理论强度。这一技术可以大大拓展镁合金在医疗植入、消费电子、航空、汽车等领域的应用。美国波音公司则在金属材料结构上下功夫,研发出的微格金属是一种极轻的蜂窝多孔金属材料,99.99%的体积都是空气,表观密度仅为0.9g/cm3。这一材料在压缩50%之后还能够完全恢复,具有极强的高能量吸收能力,在声学、防振和冲击能量抑制方面具有独特效果,可用于电池、催化剂、航空航天等多个领域,甚至有望降低航天器40%的重量。

  六

  医用材料稳健发展

  医用材料是材料领域中附加值最高的方向之一。澳大利亚耳科学研究所同迪肯大学未来纤维中心合作,发明出了基于蚕丝的耳膜修补材料,能够支持患者自身耳膜的生长,比目前移植患者自身组织并缝合修补的常规做法效果更好。乌克兰的研究机构研发出了全新钛基(Ti-Si-Nb)生物相容性合金,比当前主流的骨科金属材料性能提高了5%至20%。

  七

  金属氢研究扑朔迷离

  2017年初,哈佛大学科学家宣布成功将氢气压缩制成固态、可导电的“金属氢”,率先达成了全球多个团队多年以来的研究目标。金属氢的能量密度是TNT炸药的约50倍,同时还在290k(16.85℃)的高温下显示出了超导现象。此前,金属氢被认为在木星等大天体的内核中存在,地球内是不存在的。人工合成金属氢一直是高压物理学界的至高目标之一。然而不久之后研究团队又宣布由于操作失误导致金属氢消失。这招致了学界的广泛质疑。中科院合肥物质科学研究院团队宣布无法重复哈佛大学的实验结果,并在《Science》上发表了相关研究。哈佛大学团队在当时表示了反对,但直到目前仍未给出新的证据或结论。人工合成金属氢似乎真的只是一场乌龙?

  八

  多功能聚合物

  通常的功能材料能够对某一种特定的环境变化做出响应。例如光电材料能够随着光的变化而发生电学性能的改变。2017年,清华大学的研究团队设计出一种智能响应性高分子材料,集成了六种(热、电、光、pH、金属离子与氧化还原剂)响应模式。这种材料兼具自修复、智能响应、形状记忆等多种功能,堪称“多功能材料之王”。

  九

  新型相变材料钪锑碲合金

  西安交通科研团队发明的钪锑碲合金是一种新型相变材料,通过对晶核孕育过程的加速突破了以往的相变存储速度极限,用于存储领域则可大幅加快写入操作速度。与目前业内最优秀的相变器件相比,钪锑碲器件的操作速度提升超过10多倍,达到了0.7纳秒的高速可逆操作,并且降低操作功耗近10倍。这为我国通用存储器技术的自主化突破以及新一代存储元件的发明奠定了基础。

  十

  3000℃级别超高温陶瓷

  超高温陶瓷通常是指能在2000℃以上有氧气气氛的苛刻环境条件下仍然照常使用的耐热陶瓷材料。2017年中南大学团队开发了一种能耐3000℃烧蚀的新型Zr-Ti-C-B陶瓷涂层改性的炭/炭复合材料。这一成果可用于航空设备、新型导弹、高超声速飞行器的研发。

  2017年材料领域十大创新关注点