隨著材料科學的年那牛發(fā)展，新材料的令人研發(fā)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟和其他科學領(lǐng)域發(fā)展的重要組成部分。其創(chuàng)新成果對國民經(jīng)濟，耳目國防及其他高科技產(chǎn)業(yè)有著重要的研究支撐作用。這一年，成果材料各國的年那牛科學家們又讓這一傳統(tǒng)學科的腳步再次向前邁進。在這篇文章中，令人我們總結(jié)了2019年中具有突破性的耳目材料學研究成果，為正在或有志在材料和相關(guān)領(lǐng)域研究的研究科學家們提供參考，也在此紀念不平凡的成果材料2019年。
1. 室溫下二氧化碳氣體變“電池“
碳排放對于維持未來地球氣候和大氣環(huán)境穩(wěn)定一直起著至關(guān)重要的年那牛作用。二氧化碳的令人氣體形態(tài)給這一溫室氣體的長期封存帶來了困難。盡管已有科學家們專注于將二氧化碳氣體還原成高附加值產(chǎn)品，耳目例如化學燃料，研究但是成果材料這些方法無法實現(xiàn)永久性的碳捕捉（因為合成的燃料最終只能用于燃燒）。
來自澳大利亞新南威爾士大學的Kourosh Kalantar-Zadeh、墨爾本皇家理工大學的Torben Daeneke和新南威爾士大學的Dorna Esrafilzadeh研發(fā)了一種液態(tài)金屬電催化劑，可以實現(xiàn)在室溫下將氣態(tài)的二氧化碳直接轉(zhuǎn)化為含碳固體，并進而得以將產(chǎn)物制成超級電容器。這一液態(tài)金屬催化劑基于無毒的鎵合金，能防止結(jié)焦，防止催化劑活性下降。其最終產(chǎn)物超級電容器則有望成為輕量級電池材料。值得注意的是，研究人員指出，此前的碳納米材料制備方法通常需要幾百攝氏度的溫度，而他們研發(fā)的技術(shù)可以有效降低二氧化碳轉(zhuǎn)化的高耗能需求。
圖1?催化過程示意圖?[1]
2. 超導材料最高臨界值溫度刷新
超導材料由于具有無損耗傳輸電能的優(yōu)秀特質(zhì)，但是其應(yīng)用卻因為極為苛刻的低溫環(huán)境一直受到限制。實現(xiàn)室溫或較高溫度超導一直是科學家研究的重要目標。在今年五月，來自德國馬克斯普朗克化學研究所的Drozdov等人在Nature上發(fā)表其研究成果，證實了氫化鑭在受到地球大氣一百萬倍的壓力壓縮時，可以在250K條件下實現(xiàn)超導，這一溫度高于目前所有已知的超導溫度。
文章作者最早在2014年發(fā)現(xiàn)硫化氫在二百萬倍大氣壓環(huán)境下于200K左右的溫度實現(xiàn)超導。氫化鑭和硫化氫的共性在于他們富含氫元素，并且只在約一百萬倍大氣壓條件下的高壓環(huán)境才會發(fā)生超導。在這種環(huán)境下，化學鍵會發(fā)生大幅度的改變，形成其他條件下不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。對于氫化鑭來說，高壓環(huán)境可以讓一種化合物LaH10的結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定，它含有的氫比常壓下能達到的比例更高。Drozdov等人使用金剛石對頂砧實現(xiàn)了這種高壓環(huán)境，并驗證了材料零電阻和有磁場的時候臨界溫度會降低的超導特性，證明了氫化鑭的高溫超導性。
圖2?Drozdov研究小組創(chuàng)造的高壓環(huán)境示意圖[2]
3. 3D打印會“呼吸”的人造器官
實體器官由于復雜的血管網(wǎng)絡(luò)發(fā)生互相糾纏，形成了復雜的三維傳輸方式，使得科學家對其研究非常困難。來自美國萊斯大學和華盛頓大學的研究團隊主導了一項具有里程碑意義的研究，即利用3D打印技術(shù)制造肺氣囊模型。該模型具有與人體血管和氣管結(jié)構(gòu)相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并能夠像肺部一樣朝周圍的血管輸送氧氣，完成“呼吸”過程，其成果于五月發(fā)表于Science雜志封面。
研究人員表示，這項技術(shù)的一大困難在于在制造組織替代品時，無法打印那些為組織輸送營養(yǎng)的血管。為了解決這一問題，研究團隊使用電腦設(shè)計，將復雜的三維結(jié)構(gòu)分解為多層二維打印的藍圖，接著，使用一種液體的水凝膠依照藍圖分層打印，并通過特殊的光線逐層固話。在一層一層的堆積打印后，形成三維的凝膠結(jié)構(gòu)。在測試過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)當紅細胞從這一系統(tǒng)中流過時，能夠有效地從呼吸的“肺部”獲取氧氣，這與肺泡的氧氣交換過程一致，為人工制造健康組織技術(shù)發(fā)展做出了巨大的貢獻。
圖3?3D打印制得的人工“肺泡”與周圍血管 [3]
4. 世界上最黑的材料
科學家們試著將碳納米管結(jié)構(gòu)整合到基底表面，使得材料得以獲得功能性上的提升。然而，金屬基底上的氧化物鈍化層常常表現(xiàn)出的電子和聲子傳輸阻礙作用，大大限制了碳納米管的運用。常規(guī)碳納米管的整合思路包括轉(zhuǎn)移/粘合和直接合成法。然而，上述方法或會造成基底表面的缺陷，降低材料的物理和化學性能，或因為需要較高的加工溫度和條件，導致過程過于復雜和高昂的成本。來自上海交通大學的崔可航教授研究組提出了一種適用于鋁基底的可擴展的表面活化技術(shù)可實現(xiàn)鈍化膜的分解和碳納米管在金屬表面的直接合成。過程中，表面活化過程起到了去除氧化層和產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)表面使催化劑負載量增高的作用。試驗結(jié)果顯示，碳納米管和金屬基底的結(jié)構(gòu)促進了介電自由能載流子傳輸路徑并阻止了氧化鈍化層的重整。相較于沒有表面活化的金屬基底，該材料的界面電阻僅為前者的1/5。該技術(shù)可用于制造納米結(jié)構(gòu)表面并進而用于各種催化應(yīng)用。值得一提的是，該研究組整合碳納米管得到的材料從各個角度吸收的入射光都大于99.995%，盡管他們最初的目的并非制造一種極黑的材料。
圖4?溶液中表面活化流程示意圖及表面結(jié)構(gòu)變化示意圖[4]
5. 火星生存成為可能
目前，火星表面的低溫和高紫外輻射是限制其無法讓生物生存的重要原因。盡管有科學家提出一些火星表面變更的方案使得其可以變得適合人類居住，但是都涉及到了大規(guī)模的環(huán)境改造，遠遠超出了人類的能力。哈佛大學的Robin Wordsworth教授和他的團隊提出了一種利用溫室效應(yīng)使火星表面的廣闊區(qū)域變得適合于光合作用的方法。他們通過實驗和建模證明，在火星環(huán)境條件下，厚度為2-3cm的二氧化硅氣凝膠層將同時透射足夠的可見光以進行光合作用，阻擋有害的紫外線輻射，并升高其下方的溫度，無需任何內(nèi)部熱源。因此，科學家們設(shè)想，如果將二氧化硅氣凝膠防護罩放置在火星表面上冰層足夠豐富的區(qū)域，可以使需要光合作用的生命在那里存活下來且不需要過多的后續(xù)干預。這一方法比大規(guī)模的改變大氣要容易的多。
圖5 火星溫室效應(yīng)概念示意圖[5]
6. 比鉆石還硬的材料
超硬材料在各種領(lǐng)域和應(yīng)用中都有著重要的作用，包括切割，拋光，研磨劑或者涂料。通常，超硬材料由B,C,N或O組成，它們可以形成短而強的共價鍵。在大多數(shù)人的印象中，鉆石一直是超硬材料的標桿，并被廣泛運用。來自紐約州立大學的Eva?Zurek教授和她的團隊運用計算預測的方法設(shè)計了一種硬度更高的材料。AFLOW-AEL的第一原理和對ALFOW所含材料的機器學習結(jié)果均顯示維氏硬度與三個宏觀硬度模量具有一致性關(guān)系。實驗小組通過XTALOPT演化算法實現(xiàn)超硬材料的預測，將每個晶體最小化到最接近的局部最小值，并通過剪切模量的線性關(guān)系計算維氏硬度和能量/焓確定結(jié)構(gòu)的適用性。分析結(jié)果顯示出新的超硬相，其硬度略微大于金剛石，其結(jié)構(gòu)包含有一部分的金剛石和一部分的隆斯達石。
圖6?部分預測出的具有超硬相的結(jié)構(gòu)示意圖 [6]
7. 仿生耐久性超疏水復合材料
具有納米紋理表面的超疏水材料具有自清潔，防污，防冰，防腐蝕等運用。但是，同樣是受限于其結(jié)構(gòu)，這種材料容易碎且易變和損壞。日本國家實驗室的Yoshihiro受到鲀魚的啟發(fā)，使用微米級的四腳形ZnO和聚二甲基硅氧烷開發(fā)了具有鲀魚狀結(jié)構(gòu)的柔性材料，并檢測了其關(guān)于磨損，刮擦，切片，彎曲和耐扭曲等形變狀況下的耐久性。試驗結(jié)果顯示，該材料在1000次磨損和1000次彎曲循環(huán)后依舊表現(xiàn)出穩(wěn)定的疏水性。材料即使在彎曲和扭曲狀態(tài)下，也具有超疏水性。 這一研究成果有利于該材料被廣泛運用到各種應(yīng)用中。
圖7?鲀魚表面結(jié)構(gòu)和該材料微觀結(jié)構(gòu)示意圖[7]
參考文獻
1. Esrafilzadeh, D., Zavabeti, A., Jalili, R., Atkin, P., Choi, J., Carey, B., Brkljac?a, R., O’Mullane, A., Dickey, M., Officer, D., MacFarlane, D., Daeneke, T. and Kalantar-Zadeh, K. (2019). Room temperature CO2 reduction to solid carbon species on liquid metals featuring atomically thin ceria interfaces.?Nature Communications, 10(1).
2. Hamlin, J. (2019). Superconductivity near room temperature.?Nature, 569(7757), pp.491-492.
3. Grigoryan, B., Paulsen, S., Corbett, D., Sazer, D., Fortin, C., Zaita, A., Greenfield, P., Calafat, N., Gounley, J., Ta, A., Johansson, F., Randles, A., Rosenkrantz, J., Louis-Rosenberg, J., Galie, P., Stevens, K. and Miller, J. (2019). Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels.?Science, 364(6439), pp.458-464.
4. Cui, K. and Wardle, B. (2019). Breakdown of Native Oxide Enables Multifunctional, Free-Form Carbon Nanotube–Metal Hierarchical Architectures.?ACS Applied Materials & Interfaces, 11(38), pp.35212-35220.
5. Wordsworth, R., Kerber, L. and Cockell, C. (2019). Enabling Martian habitability with silica aerogel via the solid-state greenhouse effect.?Nature Astronomy, 3(10), pp.898-903.
6. Avery, P., Wang, X., Oses, C., Gossett, E., Proserpio, D., Toher, C., Curtarolo, S. and Zurek, E. (2019). Predicting superhard materials via a machine learning informed evolutionary structure search.?npj Computational Materials, 5(1).
7. Yamauchi, Y., Tenjimbayashi, M., Samitsu, S. and Naito, M. (2019). Durable and Flexible Superhydrophobic Materials: Abrasion/Scratching/Slicing/Droplet Impacting/Bending/Twisting-Tolerant Composite with Porcupinefish-Like Structure.?ACS Applied Materials & Interfaces, 11(35), pp.32381-32389.
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