2013年世界新材料科技發展回顧

【中鎢在線新聞網-鎢新聞】

    無機非金屬材料：萊斯大學通過計算發現，一種新形式的碳具有極高的強度和硬度，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，除無與倫比的強度外，還具有柔韌性與穩定性；該校研究團隊還通過電腦計算發現，單個原子厚的線型碳可能是已知最強韌的微觀材料，超過了與其同為碳家族成員的石墨烯，如果能夠實現批量制造，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驗室借助納米結晶技術，開發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，可按需調整進入玻璃的光線，做到明暗可控、冷熱可調，其有望大幅降低建筑的空調和照明開支。密歇根理工大學開發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中所必需的貴金屬鉑。

     金屬材料：加州大學洛杉磯分校成功研制出新型超級電容材料——一種合成的氧化鈮，并證明其擁有穩定的儲能和釋能的能力，有望廣泛應用于城市電網、混合動力汽車的再生制動系統等能源傳送系統。麻省理工學院的研究人員在一項金屬特性實驗中發現金屬具有自我修復的功能，這一發現為設計出可自我復原的金屬打開大門。美國斯坦福大學發現一種由單層錫原子組成的復合材料，或許有望成為首個在計算機運行溫度范圍內導電效率達到100%的材料，代替硅制造速度更快耗能更低的計算機芯片。

     高分子材料：密歇根大學和空軍研究實驗室合作開發出了一種新型納米涂層材料，用這種材料涂在紗網或織物表面，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，而且保護穿著者免受化學藥品傷害。哈佛大學等開發出一種結構獨特的新纖維，能在拉伸時改變顏色，色彩可覆蓋整個可見光譜的范圍。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

     首次將一種被稱為鐵酸鉍的材料作為一個單晶體集成到一個硅片上，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省能量，該研究向制造新一代多功能智能設備邁出了關鍵一步。

     生物醫用材料：哈佛大學研究人員從淚水中獲得靈感，設計出一種透明度和潤濕性功能可自我調節的液體膜仿生材料，該新材料可以像眼淚那樣具有顯著光學功能且保持清晰的透視度，同時保持眼睛濕潤，免受灰塵和細菌污染。能源部布魯克海文國家實驗室開發出一種屬性可按需“定制”的DNA“連接器”，這種全新的自組裝機制，能像繩索一樣把納米棒規則地連接在一起，形成一種“繩梯”似的帶狀結構，引導納米粒子自行組裝成新材料。  

     3D打印：5月6日，美國的非營利團體“分布式防御”稱，世界第一柄3D打印手槍已測試成功。該團體創始人在得州一處靶場內讓它穩定開火。11月，繼3D打印塑料槍支引發廣泛爭議后，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   

     石墨烯應用研究新成果不斷，納米材料研究有建樹，發現受壓后擴展能力超常新材料。

     曼徹斯特大學的研究人員設計出了一種新型石墨烯晶體管，可在室溫下展現出高達1×106的開關比率，這一優異性能使之有可能在后CMOS設備時代占有一席之地；同時，曼大科學家還和法國同行合作開發出的一種新型的等離子超介質探測設備，利用可逆的石墨烯氫化反應，可使藥檢達到單分子水平，在人體藥檢、機場安檢、爆炸物探測等方面都將有發揮余地。11月，劍橋大學研究人員把以墨烯為主要成分的導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，這一成果為科學家利用石墨烯研發心臟監測器、傳感器等可印刷的輕薄電子產品打下了很好的基礎。

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

     年初，南安普敦大學科學家研制出一種玻璃（二氧化硅）納米纖維，比頭發細千倍卻比鋼堅硬15倍，堪稱世界上最高強度、最輕的“納米線”，它的出現可能會改變未來整個世界的復合材料和這些材料的高強度，將對海洋、航空和安全等行業產生巨大影響；7月，劍橋大學科學家開發出一種由許多碳納米管組成的碳制導線，其強度是銅導線的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，英國牛津大學科學家發現一種具有超常受壓擴展能力的新材料——金氰化鋅，其壓縮擴展的能力超過以往任何材料，可用于開發新型光學壓力傳感器和人造肌肉。

     德 國

     研發多種替代功能材料，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和燒結材料研究所應用凍干—直接發泡法開發出一種新型的烴基磷灰石/氧化鋯復合材料，其多孔的支架結構可與成骨細胞結合，可推動生理性骨重建。杜伊斯堡大學采用在磷酸鈣納米晶體表面包裹核酸物質的方法，制成一種膏狀骨骼修復材料，可加速人體骨骼修復速度和改善修復過程。薩爾大學研制出一種主要成分為鎳和鈦的智能合金材料。在通電時其內部會出現相變現象，晶格結構發生變化。用此材料制成的線束通電時會收縮，斷電后恢復原樣，可用于研發“人工肌肉”。馬普高分子研究所成功開發一種新型超級雙疏膜，能夠根據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“人工心肺機”。

     催化劑方面：柏林工業大學等成功研發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出以鈷為基礎的催化劑，可經濟高效地用于一系列不同硝基芳烴的轉換。柏林亥姆霍茨大研究中心開發了一條新的合成路徑，可在室溫下利用“聚合物納米反應器”制備二氧化鈦納米晶體顆粒。    

     建筑材料方面：拜羅伊特大學研發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現更好的保溫效果。    

     新型塑料方面，亥姆霍茲吉斯達赫研究中心開發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動器的材料可以改變形狀然后恢復。弗勞恩霍夫環境、安全與能源技術研究所結合了復合和涂層的優點，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，研發出了新型耐細菌的塑料。

     日 本

     研制出最細的納米纖維，最薄最輕的有機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品，而纖維之間的縫隙也可以任意調節，因此由此種纖維制成的產品在保濕性、吸水性、摩擦系數等方面比以往都有了很大提高。

     北海道大學的研究人員開發出一種可根據溫度變化改變發光顏色的新型涂料。在紫外線照射的狀態下，該涂料在低溫區域(-80℃)呈綠色，在中溫區域隨溫度升高由檸檬酸向黃色和橘色變化，而在高溫區域(200℃)則呈現紅色。該成果有望在超音速客機、宇宙飛船和高速鐵路等領域的設計中得到應用。

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

     新能源產業技術綜合開發機構與產業技術綜合研究所的研究人員利用超細微噴墨技術，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。該技術有望在超小型印刷電路板的制作等方面得到應用。

     加拿大

     加噴涂式平面光學鏡頭研制成功；公布新型鋁合金技術開發計劃；發現藍色染料酞菁銅可用于量子計算。

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

     6月，加拿大國家研究理事會宣布了一項開發新型鋁合金技術的新計劃，以幫助加拿大運輸業減輕小汽車、卡車、掛車、公交車乃至火車的車重。該計劃的成功實施將使運輸業的整體車重在未來8年內降低10%。

     7月，加拿大阿爾伯塔大學研究人員最近開發出一種強力“人造手臂”，能在其周圍空氣濕度變化的驅動下做“舉重運動”，毫不費力地舉起超過自重14倍的物體。

     10月，加拿大和英國聯合研究團隊發現，一種常見藍色染料酞菁銅的電子可以保持疊加狀態，即其能實現同一時刻具有兩種狀態的量子效應。而且這種量子疊加狀態能保持相當長的時間，這意味著這種染料分子或許能在量子計算機中發揮重要作用。

     俄羅斯

     開發出新型超導材料和耐高溫耐腐蝕的納米隱身涂層。

     7月，俄羅斯科學院列別杰夫物理研究所成功研制出一種新型超導材料。據該研究機構介紹，這種超導新材料成功將幾種特性集于一身，具有較高的超導過渡溫度、臨界磁場上限值及臨界電流密度。新材料的這個性能與高耐磁性相結合，使該成果在超強永磁鐵生產方面，具備了良好應用前景。

    8月，俄羅斯圣彼得堡“鐵氧體域”科學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將被雷達發現的幾率降低到原來的十分之一。據稱這種納米隱身涂層如應用于海軍裝備會大幅提高水面艦艇的隱身性能，并降低被寬頻雷達發現的可能性，能提高艦船對抗雷達制導、熱源制導和激光制導等精確制導武器的能力。

    韓 國

    加大在應用材料科學領域的研發投入，在納米結構應用和造影劑研究方面取得突破。

    3月，韓國基礎科學研究院納米結構物理研究小組宣稱，開發出最多可拉長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。研發可拉伸的電子元件，絕緣膜一直都是一大難題。因為控制電子的移動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，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，因此能夠制造出拉長也能正常工作的電子元件。

     6月，韓國高麗大學化學系李光烈教授率領的研究團隊成功研發出一種可在診斷癌癥的同時進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的技術。該研究小組將抗癌劑“阿霉素”添加到造影劑后對實驗鼠進行了實驗，實現了遏制癌癥細胞的效果。在核磁共振成像的同時，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    

     積極推動納米技術發展，將納米技術研發列為全國重點研究領域。   

     經過多年努力，以色列納米技術已融合到電子、軍工、軟件、通訊和生命科學等領域，從事納米技術研究的科研團隊增加到341個，六所研究型大學建立了納米研究中心，納米技術公司數量增加到近百個。2013年，以色列納米科研的成果繼續涌現，例如魏茲曼科學院開發出的太陽能板的特殊納米涂料，能吸收98%的可見光，可大大提高能源轉換效率；特拉維夫大學將納米技術和生物學相結合研發出了一種可有效檢測水污染的芯片實驗室；以色列理工學院的科學家發現了氧化鐵納米材料的特性，研制出了可同時進行光伏發電和制氫的實驗室裝置；以色列理工學院的雷茲教授正在推進一個新的光學分支——旋轉光學，這種基于旋轉軌道相互作用而導致納米結構對稱性被破壞的研究，可能開啟控制光納米級光學器件研究的新途徑。

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