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(wú)機(jī)非金屬材料：萊斯大學(xué)通過(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室借助納米結(jié)晶技術(shù)，開(kāi)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(kāi)支。密歇根理工大學(xué)開(kāi)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(guò)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(yáng)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(kāi)大門。美國(guó)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(kāi)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(duì)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(kāi)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(jiàn)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(lái)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(guò)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(rùn)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(rùn)，免受灰塵和細(xì)菌污染。能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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�。�5月6日，美國(guó)的非營(yíng)利團(tuán)體“分布式防御”稱，世界第一柄3D打印手槍已測(cè)試成功。該團(tuán)體創(chuàng)始人在得州一處靶場(chǎng)內(nèi)讓它穩(wěn)定開(kāi)火。11月，繼3D打印塑料槍支引發(fā)廣泛爭(zhēng)議后，美國(guó)得克薩斯州一家儀器公司宣布用金屬粉末成功制造并測(cè)試了世界上第一支3D打印金屬槍。

     英 國(guó)   

     石墨烯應(yīng)用研究新成果不斷，納米材料研究有建樹(shù)，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(kāi)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(guó)同行合作開(kāi)發(fā)出的一種新型的等離子超介質(zhì)探測(cè)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(chǎng)安檢、爆炸物探測(cè)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(lè)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(cè)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(guó)材料科學(xué)家在開(kāi)發(fā)其他類型新材料方面也頗有建樹(shù)。

     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(lái)整個(gè)世界的復(fù)合材料和這些材料的高強(qiáng)度，將對(duì)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(kāi)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(lái)有望成為銅線的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手；同月，英國(guó)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(guò)以往任何材料，可用于開(kāi)發(fā)新型光學(xué)壓力傳感器和人造肌肉。

     德 國(guó)

     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(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guó)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(kāi)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(guó)家研究理事會(huì)宣布了一項(xiàng)開(kāi)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(lái)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(kāi)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(guò)自重14倍的物體。

     10月，加拿大和英國(guó)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一種常見(jiàn)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(zhǎng)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(kāi)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(guò)渡溫度、臨界磁場(chǎng)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(duì)外公開(kāi)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(wú)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(lái)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(duì)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(guó)

    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(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究院納米結(jié)構(gòu)物理研究小組宣稱，開(kāi)發(fā)出最多可拉長(zhǎng)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(wèn)題。韓國(guó)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(guò)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(zhǎng)也能正常工作的電子元件。

     6月，韓國(guó)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(duì)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(guó)重點(diǎn)研究領(lǐng)域。   

     經(jīng)過(guò)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(kāi)發(fā)出的太陽(yáng)能板的特殊納米涂料，能吸收98%的可見(jiàn)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(cè)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(duì)稱性被破壞的研究，可能開(kāi)啟控制光納米級(jí)光學(xué)器件研究的新途徑。

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