2013年世界新材料科技發(fā)展回顧

【中鎢在線新聞網(wǎng)-鎢新聞】

    無機(jī)非金屬材料：萊斯大學(xué)通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，一種新形式的碳具有極高的強(qiáng)度和硬度，甚至超過了石墨烯和鉆石。這種新材料被稱為碳炔，是碳的一種同素異形體，除無與倫比的強(qiáng)度外，還具有柔韌性與穩(wěn)定性；該校研究團(tuán)隊(duì)還通過電腦計(jì)算發(fā)現(xiàn)，單個(gè)原子厚的線型碳可能是已知最強(qiáng)韌的微觀材料，超過了與其同為碳家族成員的石墨烯，如果能夠?qū)崿F(xiàn)批量制造，線型碳納米棒或者納米繩將展示出非凡的特性。勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室借助納米結(jié)晶技術(shù)，開發(fā)出一種能讓門窗更聰明的智能玻璃。這種玻璃中嵌入了一層超薄納米涂層，可按需調(diào)整進(jìn)入玻璃的光線，做到明暗可控、冷熱可調(diào)，其有望大幅降低建筑的空調(diào)和照明開支。密歇根理工大學(xué)開發(fā)出一種低成本陰極材料，被稱為蜂窩狀3D石墨烯，合成過程既不困難也不昂貴，是制造陰極的理想材料，能夠取代此前在染料敏化太陽能電池生產(chǎn)中所必需的貴金屬鉑。

     金屬材料：加州大學(xué)洛杉磯分校成功研制出新型超級(jí)電容材料——一種合成的氧化鈮，并證明其擁有穩(wěn)定的儲(chǔ)能和釋能的能力，有望廣泛應(yīng)用于城市電網(wǎng)、混合動(dòng)力汽車的再生制動(dòng)系統(tǒng)等能源傳送系統(tǒng)。麻省理工學(xué)院的研究人員在一項(xiàng)金屬特性實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)金屬具有自我修復(fù)的功能，這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)出可自我復(fù)原的金屬打開大門。美國斯坦福大學(xué)發(fā)現(xiàn)一種由單層錫原子組成的復(fù)合材料，或許有望成為首個(gè)在計(jì)算機(jī)運(yùn)行溫度范圍內(nèi)導(dǎo)電效率達(dá)到100%的材料，代替硅制造速度更快耗能更低的計(jì)算機(jī)芯片。

     高分子材料：密歇根大學(xué)和空軍研究實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)出了一種新型納米涂層材料，用這種材料涂在紗網(wǎng)或織物表面，可形成一種對液體的彈力，能排斥上百種液體，不僅抗污染能力極強(qiáng)，而且保護(hù)穿著者免受化學(xué)藥品傷害。哈佛大學(xué)等開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的新纖維，能在拉伸時(shí)改變顏色，色彩可覆蓋整個(gè)可見光譜的范圍。由于其柔韌有彈性，因此可作為一種智能材料感知熱和壓力，還可作為新型體育紡織品，在肌肉緊張程度不同的部位顯出不同顏色。北卡羅來納州立大學(xué)

     首次將一種被稱為鐵酸鉍的材料作為一個(gè)單晶體集成到一個(gè)硅片上，由于鐵酸鉍具有鐵磁性和鐵電性雙重性能，這意味著它能夠被通過其中的電流磁化，極大提高芯片速度而且節(jié)省能量，該研究向制造新一代多功能智能設(shè)備邁出了關(guān)鍵一步。

     生物醫(yī)用材料：哈佛大學(xué)研究人員從淚水中獲得靈感，設(shè)計(jì)出一種透明度和潤濕性功能可自我調(diào)節(jié)的液體膜仿生材料，該新材料可以像眼淚那樣具有顯著光學(xué)功能且保持清晰的透視度，同時(shí)保持眼睛濕潤，免受灰塵和細(xì)菌污染。能源部布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種屬性可按需“定制”的DNA“連接器”，這種全新的自組裝機(jī)制，能像繩索一樣把納米棒規(guī)則地連接在一起，形成一種“繩梯”似的帶狀結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)納米粒子自行組裝成新材料。  

     3D打印：5月6日，美國的非營利團(tuán)體“分布式防御”稱，世界第一柄3D打印手槍已測試成功。該團(tuán)體創(chuàng)始人在得州一處靶場內(nèi)讓它穩(wěn)定開火。11月，繼3D打印塑料槍支引發(fā)廣泛爭議后，美國得克薩斯州一家儀器公司宣布用金屬粉末成功制造并測試了世界上第一支3D打印金屬槍。

     英 國   

     石墨烯應(yīng)用研究新成果不斷，納米材料研究有建樹，發(fā)現(xiàn)受壓后擴(kuò)展能力超常新材料。

     曼徹斯特大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)出了一種新型石墨烯晶體管，可在室溫下展現(xiàn)出高達(dá)1×106的開關(guān)比率，這一優(yōu)異性能使之有可能在后CMOS設(shè)備時(shí)代占有一席之地；同時(shí)，曼大科學(xué)家還和法國同行合作開發(fā)出的一種新型的等離子超介質(zhì)探測設(shè)備，利用可逆的石墨烯氫化反應(yīng)，可使藥檢達(dá)到單分子水平，在人體藥檢、機(jī)場安檢、爆炸物探測等方面都將有發(fā)揮余地。11月，劍橋大學(xué)研究人員把以墨烯為主要成分的導(dǎo)電油墨打印在塑料薄膜上，制成了可以演奏音樂的透明鋼琴鍵盤，這一成果為科學(xué)家利用石墨烯研發(fā)心臟監(jiān)測器、傳感器等可印刷的輕薄電子產(chǎn)品打下了很好的基礎(chǔ)。

     除了石墨烯這個(gè)新材料“寵兒”的研究外，英國材料科學(xué)家在開發(fā)其他類型新材料方面也頗有建樹。

     年初，南安普敦大學(xué)科學(xué)家研制出一種玻璃（二氧化硅）納米纖維，比頭發(fā)細(xì)千倍卻比鋼堅(jiān)硬15倍，堪稱世界上最高強(qiáng)度、最輕的“納米線”，它的出現(xiàn)可能會(huì)改變未來整個(gè)世界的復(fù)合材料和這些材料的高強(qiáng)度，將對海洋、航空和安全等行業(yè)產(chǎn)生巨大影響；7月，劍橋大學(xué)科學(xué)家開發(fā)出一種由許多碳納米管組成的碳制導(dǎo)線，其強(qiáng)度是銅導(dǎo)線的30倍，重量不到銅線的十分之一，未來有望成為銅線的有力競爭對手；同月，英國牛津大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種具有超常受壓擴(kuò)展能力的新材料——金氰化鋅，其壓縮擴(kuò)展的能力超過以往任何材料，可用于開發(fā)新型光學(xué)壓力傳感器和人造肌肉。

     德 國

     研發(fā)多種替代功能材料，在燃料電池催化劑方面獲得突破。    

     替代材料方面：弗勞恩霍夫陶瓷技術(shù)和燒結(jié)材料研究所應(yīng)用凍干—直接發(fā)泡法開發(fā)出一種新型的烴基磷灰石/氧化鋯復(fù)合材料，其多孔的支架結(jié)構(gòu)可與成骨細(xì)胞結(jié)合，可推動(dòng)生理性骨重建。杜伊斯堡大學(xué)采用在磷酸鈣納米晶體表面包裹核酸物質(zhì)的方法，制成一種膏狀骨骼修復(fù)材料，可加速人體骨骼修復(fù)速度和改善修復(fù)過程。薩爾大學(xué)研制出一種主要成分為鎳和鈦的智能合金材料。在通電時(shí)其內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)相變現(xiàn)象，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。用此材料制成的線束通電時(shí)會(huì)收縮，斷電后恢復(fù)原樣，可用于研發(fā)“人工肌肉”。馬普高分子研究所成功開發(fā)一種新型超級(jí)雙疏膜，能夠根據(jù)需要將二氧化碳等氣體富集到溶液和氣體，或者將其從液體或氣體中溶出，可用于研發(fā)“人工心肺機(jī)”。

     催化劑方面：柏林工業(yè)大學(xué)等成功研發(fā)燃料電池所用的高效鉑鎳催化劑粒子，其中貴金屬鉑僅為以前用量的1/10。萊布尼茨催化研究所研發(fā)出以鈷為基礎(chǔ)的催化劑，可經(jīng)濟(jì)高效地用于一系列不同硝基芳烴的轉(zhuǎn)換。柏林亥姆霍茨大研究中心開發(fā)了一條新的合成路徑，可在室溫下利用“聚合物納米反應(yīng)器”制備二氧化鈦納米晶體顆粒。    

     建筑材料方面：拜羅伊特大學(xué)研發(fā)一種添加了石墨烯的聚苯乙烯泡沫保溫材料，通過減少泡沫塑料的空隙并降低紅外輻射的透射率能實(shí)現(xiàn)更好的保溫效果。    

     新型塑料方面，亥姆霍茲吉斯達(dá)赫研究中心開發(fā)出一種新的溫控形狀記憶塑料。這種被稱之為溫度記憶聚合物驅(qū)動(dòng)器的材料可以改變形狀然后恢復(fù)。弗勞恩霍夫環(huán)境、安全與能源技術(shù)研究所結(jié)合了復(fù)合和涂層的優(yōu)點(diǎn)，用超臨界二氧化碳將染料和藥物等添加劑浸漬到聚合物中，研發(fā)出了新型耐細(xì)菌的塑料。

     日 本

     研制出最細(xì)的納米纖維，最薄最輕的有機(jī)LED以及最小的銅配線。

     東麗公司的研究人員研制出世界上最細(xì)的納米纖維。與這種直徑150納米的纖維一同研制成功的還有一種斷面呈Y型的直徑為300納米的纖維。新研制的纖維在同等重量下表面積都要大于以往產(chǎn)品，而纖維之間的縫隙也可以任意調(diào)節(jié)，因此由此種纖維制成的產(chǎn)品在保濕性、吸水性、摩擦系數(shù)等方面比以往都有了很大提高。

     北海道大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種可根據(jù)溫度變化改變發(fā)光顏色的新型涂料。在紫外線照射的狀態(tài)下，該涂料在低溫區(qū)域(-80℃)呈綠色，在中溫區(qū)域隨溫度升高由檸檬酸向黃色和橘色變化，而在高溫區(qū)域(200℃)則呈現(xiàn)紅色。該成果有望在超音速客機(jī)、宇宙飛船和高速鐵路等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。

     東京大學(xué)的研究人員與奧地利的研究人員共同開發(fā)出世界上最薄最輕的有機(jī)LED（發(fā)光二極管）。該材料的重量每平方米約為3克，厚度為千分之二毫米。該成果有望在開發(fā)新型照明器材方面得到應(yīng)用。

     新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的研究人員利用超細(xì)微噴墨技術(shù)，在集成電路基板上成功制作出線幅只有3微米的，世界最小的銅配線。該技術(shù)有望在超小型印刷電路板的制作等方面得到應(yīng)用。

     加拿大

     加噴涂式平面光學(xué)鏡頭研制成功；公布新型鋁合金技術(shù)開發(fā)計(jì)劃；發(fā)現(xiàn)藍(lán)色染料酞菁銅可用于量子計(jì)算。

     5月，加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的工程師聯(lián)合美國研究團(tuán)隊(duì)利用噴涂技術(shù)，在革新光學(xué)鏡片的制造和使用方式上取得了突破性進(jìn)展。他們開發(fā)出一種物質(zhì)，并噴涂于載玻片表面，即可將其變成可用于生物標(biāo)本紫外光成像的平面鏡頭。

     6月，加拿大國家研究理事會(huì)宣布了一項(xiàng)開發(fā)新型鋁合金技術(shù)的新計(jì)劃，以幫助加拿大運(yùn)輸業(yè)減輕小汽車、卡車、掛車、公交車乃至火車的車重。該計(jì)劃的成功實(shí)施將使運(yùn)輸業(yè)的整體車重在未來8年內(nèi)降低10%。

     7月，加拿大阿爾伯塔大學(xué)研究人員最近開發(fā)出一種強(qiáng)力“人造手臂”，能在其周圍空氣濕度變化的驅(qū)動(dòng)下做“舉重運(yùn)動(dòng)”，毫不費(fèi)力地舉起超過自重14倍的物體。

     10月，加拿大和英國聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一種常見藍(lán)色染料酞菁銅的電子可以保持疊加狀態(tài)，即其能實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻具有兩種狀態(tài)的量子效應(yīng)。而且這種量子疊加狀態(tài)能保持相當(dāng)長的時(shí)間，這意味著這種染料分子或許能在量子計(jì)算機(jī)中發(fā)揮重要作用。

     俄羅斯

     開發(fā)出新型超導(dǎo)材料和耐高溫耐腐蝕的納米隱身涂層。

     7月，俄羅斯科學(xué)院列別杰夫物理研究所成功研制出一種新型超導(dǎo)材料。據(jù)該研究機(jī)構(gòu)介紹，這種超導(dǎo)新材料成功將幾種特性集于一身，具有較高的超導(dǎo)過渡溫度、臨界磁場上限值及臨界電流密度。新材料的這個(gè)性能與高耐磁性相結(jié)合，使該成果在超強(qiáng)永磁鐵生產(chǎn)方面，具備了良好應(yīng)用前景。

    8月，俄羅斯圣彼得堡“鐵氧體域”科學(xué)研究所對外公開了一種最新研制的納米隱身涂層。這種納米涂層具有很強(qiáng)的寬頻均勻吸波功能，使用4微米厚的納米薄膜，在無線波段和紅外波段內(nèi)將被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的幾率降低到原來的十分之一。據(jù)稱這種納米隱身涂層如應(yīng)用于海軍裝備會(huì)大幅提高水面艦艇的隱身性能，并降低被寬頻雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的可能性，能提高艦船對抗雷達(dá)制導(dǎo)、熱源制導(dǎo)和激光制導(dǎo)等精確制導(dǎo)武器的能力。

    韓 國

    加大在應(yīng)用材料科學(xué)領(lǐng)域的研發(fā)投入，在納米結(jié)構(gòu)應(yīng)用和造影劑研究方面取得突破。

    3月，韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究院納米結(jié)構(gòu)物理研究小組宣稱，開發(fā)出最多可拉長20%的透明電子元件，能用于像穿戴衣服一樣套在電腦或貼在皮膚上的傳感器中。研發(fā)可拉伸的電子元件，絕緣膜一直都是一大難題。因?yàn)榭刂齐娮拥囊苿?dòng)主要使用的硅材料很容易折斷,類似于塑膠的高分子雖可拉伸但存在漏電問題。韓國研究小組是在銅制基板上鍍上一層高鋁（陶瓷的一種），然后涂抹高分子材料，隨即溶解銅，讓高鋁變成褶皺型薄膜。即利用銅和高鋁的膨脹程度不同這一特點(diǎn)，通過石墨烯和碳納米管在該褶皺型薄膜上添加電極和電路。石墨烯和碳納米管是透明、具有伸縮性的物質(zhì)，因此能夠制造出拉長也能正常工作的電子元件。

     6月，韓國高麗大學(xué)化學(xué)系李光烈教授率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種可在診斷癌癥的同時(shí)進(jìn)行治療的核磁共振成像造影劑，其核心是將抗癌劑添加在納米大小面積的造影劑內(nèi)的技術(shù)。該研究小組將抗癌劑“阿霉素”添加到造影劑后對實(shí)驗(yàn)鼠進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了遏制癌癥細(xì)胞的效果。在核磁共振成像的同時(shí)，將抑制腫瘤的藥物注入腫瘤中，可收到成像和治療癌癥的雙重效果。

     以色列    

     積極推動(dòng)納米技術(shù)發(fā)展，將納米技術(shù)研發(fā)列為全國重點(diǎn)研究領(lǐng)域。   

     經(jīng)過多年努力，以色列納米技術(shù)已融合到電子、軍工、軟件、通訊和生命科學(xué)等領(lǐng)域，從事納米技術(shù)研究的科研團(tuán)隊(duì)增加到341個(gè)，六所研究型大學(xué)建立了納米研究中心，納米技術(shù)公司數(shù)量增加到近百個(gè)。2013年，以色列納米科研的成果繼續(xù)涌現(xiàn)，例如魏茲曼科學(xué)院開發(fā)出的太陽能板的特殊納米涂料，能吸收98%的可見光，可大大提高能源轉(zhuǎn)換效率；特拉維夫大學(xué)將納米技術(shù)和生物學(xué)相結(jié)合研發(fā)出了一種可有效檢測水污染的芯片實(shí)驗(yàn)室；以色列理工學(xué)院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了氧化鐵納米材料的特性，研制出了可同時(shí)進(jìn)行光伏發(fā)電和制氫的實(shí)驗(yàn)室裝置；以色列理工學(xué)院的雷茲教授正在推進(jìn)一個(gè)新的光學(xué)分支——旋轉(zhuǎn)光學(xué)，這種基于旋轉(zhuǎn)軌道相互作用而導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)對稱性被破壞的研究，可能開啟控制光納米級(jí)光學(xué)器件研究的新途徑。

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