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你可能感受不到的2018新材料研究进展
发布日期:2019-08-06   来源:上海市科学学研究所
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对于新材料领域而言,石墨烯这样横空出世天下皆知的突破终究是超过十年一遇的偶然情况,各种榜单中的大部分研究热点可能都会连续出镜多年。尽管相关科研人员的不懈努力已经将新材料领域打造成为能够和生物医药相媲美的最活跃的科研领域之一,但大众仍然很难从屏幕亮度的些许提高、汽车油耗的一点降低、VR设备的新奇体验、光伏补贴的弱化调整中感受到新材料科技的进步。从理论到观测,从制备到应用,2018年新材料研究的进展仍然是广泛、深入和默默无名的。

1、等闲更进竿头步:石墨烯的制备技术持续改进

石墨烯最初是通过胶带黏贴的方式"土法"制造出来的。近年来,石墨烯展现出了巨大的应用价值,对其产能、成本、质量等产业转化方面的研究也始终是研究焦点。

在金属表面上进行化学气相沉积(CVD)是此前公认的获得大面积、高质量石墨烯的最有效方法。在此基础上,研究人员使用液体(如液态铜)取代固态金属衬底进行CVD沉积能够得到均匀度和效率更高的石墨烯产品。此外,传统工艺中制备好的石墨烯需要从金属衬底上转移至实际应用中涉及的其他衬底上,如玻璃、晶体、聚合物等。这一转移过程很容易损坏薄弱的石墨烯层。对此,北京大学等机构开发了直接在玻璃上生长石墨烯的技术,包括在CVD的高温环境下呈固态、液态的多种不同商用玻璃,直接解决了石墨烯成品转移的问题。

针对实际应用中的石墨烯体相材料(宏观的纤维、薄膜、块体)具有大量缺陷、电子性能显著低于单片材料的问题,美国马里兰大学等机构通过操控纳米级孔洞的形成和修复实现了缺陷的交联,制备出了高密度、高强度、高导电率、高导热率的石墨烯体相材料。

2、万紫千红总是春:二维纳米材料百花齐放

在石墨烯开辟的二维纳米材料这一新研究领域,还涌现了许多其他有潜力的新型材料。例如美国康奈尔大学、瑞士洛桑联邦理工学院、美国加州大学洛杉矶分校等机构的工作表征了二维二硫化钼微观结构,并将其应用于构建薄膜晶体管。麻省理工学院、华盛顿大学西雅图分校、苏州大学、西班牙奥维耶多大学、复旦大学等机构还研究了部分磁性二维材料的特性,如WTe2的铁电反转、Fe3GeTe2的铁磁性、α-MoO3的极化子表面各向异性传播等。这些研究对于物理理论、纳米光学、生物传感等方面都具有重要价值。韩国成均馆大学等机构则利用CVD方法成功制备出被称为"白色石墨烯"的晶片级单晶hBN (SC-hBN)单层膜。与具备优异导电性的石墨烯不同,hNB的绝缘性能极为突出,这也使其具有广泛的应用空间。

3、柳暗花明又一村:钙钛矿类材料在发光领域备受重视

钙钛矿类材料最初由于其在太阳能电池方面的巨大潜力而受到关注,并连续多年成为材料界研究的热点。近年来钙钛矿在光电器件,尤其是发光领域也开始受到重视。

华侨大学采取全新的薄膜制备策略,大幅减少了晶体内的非辐射复合缺陷,提高了钙钛矿薄膜的发光效率,同时配合对器件结构的优化实现了高达20.3%的钙钛矿LED器件外量子效率,刷新了世界纪录。西北工业大学则通过低温溶液法,在低折射率有机绝缘层中嵌入非连续、不规则分布的钙钛矿晶粒共同组成发光层,大幅度提高了LED器件的光提取效率。剑桥大学用卤化钾在钙钛矿晶界和表面上修饰形成钝化层,实现了高发光率同时的低离子迁移率。瑞士苏黎世联邦理工学院和美国海军科学研究实验所通过理论证明并检测到铯铅卤化物钙钛矿中的"暗激子"及其优秀的发光率。美国托莱多大学和华中科技大学则通过在Cs2AgInCl6中的掺杂实现了无铅双钙钛矿结构中高效稳定的白光发射。在这些研究的推动下,钙钛矿LED发光器件距离实际应用又更近了一步。

4、上穷碧落下黄泉:电池材料持续演化

当前,各种新型个人电子设、新能源汽车等具有重大前景的新锐产品难以广泛应用的瓶颈就在于电池性能的限制。而电池性能实现突破的核心问题就在于材料。

德国斯图加特马普固态研究所和乌尔姆大学运用超显微镜(SALVE)首次在原子分辨率水平观察了锂离子在电化学充放电过程中的表现,并证明了在其开发的一种由双层石墨烯组成的"微型电池"中的锂储存容量远远超过传统的石墨基电池。伊利诺伊大学芝加哥分校、阿贡国家实验室和加州大学北岭分校采用新的阳极保护涂层和新型电解质混合物,研发出了容量可达锂电池3倍以上的锂-空气电池。这一成果打破了以往类似产品必需使用纯氧而非空气的瓶颈,并且已经在空气环境下经受住了700次循环的高性能。

5、絮软丝轻无系绊:柔性电子向更"柔"的方向发展

柔性化是当前电子产品追求的潮流。不断"脑洞大开"的下游应用对于材料"柔性"水平的要求也在不断深化:早期的柔性显示材料只需可弯曲、可折叠即可,而现在酝酿中的各种可穿戴、可植入、全仿真产品则对电子材料提出了能够经受反复拉伸的要求。

北京大学采用银纳米线在聚对二甲苯衬底上复合出3μm厚的导电透明薄膜,并在此基础上开发出三维可调结构,构建了可变形的透明湿度传感器。斯坦福大学使用新工艺制造出了密度为每平方厘米347个聚合物晶体管阵列的可拉伸电子器件,首次成功开发出更易量产的高密度、高灵敏度可拉伸晶体管阵列。这些成果对于开发可穿戴和可植入设备、模拟生物皮肤、提高机械设备的柔性和感应水平都具有重大意义。

6、远近高低各不同:氢析出反应催化材料的多种性能不断进步

光解或电解水制氢气和氧气被认为是充分开发风能、太阳能等可再生资源的有效途径,有望解决当前人类面临的能源和环境两大难题。对更加高效、经济、稳定的析氢催化材料的研究始终是业界研究的重点之一。

匈牙利科学院发现氧原子可以替代硫原子嵌入单层MoS2,并显著地提高了基面上电化学析氢的活性。新南威尔士大学通过在固定双金属MXene纳米薄片Mo2TiC2Tx上组装单Pt原子,获得了质量活性超过商用铂碳催化剂40的析氢催化剂。利物浦大学开发的含砜共价有机框架(COF)经过染料敏化后,具有稳定的产氢速率和较高的量子效率,并且在被制成薄膜材料后仍能保持其光催活性。加拿大多伦多大学提出了一种Ni和CrOx共掺的新型材料,可有效的在中性介质中催化析氢,突破了目前常用催化剂通常以来的酸性介质环境,有助于实现低成本的海水分解。

7、时时飞电迸流光:光子晶体深入发展

光子晶体是一种人造周期性电介质结构,能展现出非常神奇光子学性能,还可以同超浸润等性能相联系。浙江大学和新加坡南洋理工大学设计了一种由多个开口谐振器构成的单元结构,用印刷电路板技术构建出世界上首个三维拓扑光子晶体。光子在材料表面传播时能够无障碍的绕过Z形拐角,实现高效传播。这一成果可应用于光学集成电路、拓扑波导、光学延迟线、拓扑激光器等各种表面电磁波的调控器件,也有望解决电子芯片的发热、光子芯片的信号耗散等一系列问题,是人类迈向光子芯片、光子计算机的重要一步。中国科学院理化技术研究所和湖南师范大学通过梯度填充法制备了一种超浸润性光子晶体--共聚物反蛋白石光子晶体膜。这一材料遇水蒸气后具有明显的定向弯曲行为,可用于智能机器人、微型生物动态监测等领域的驱动材料。

8、十方世界是全身:结构材料的新突破

永远追求更强的结构材料可能是材料领域最"正统"的研究方向。尤其金属和木材,更是人类持续了数千年的古老研究课题。但2018年仍不断有新的发现打破人们对这些常见材料以往的认知。

北京科技大学在TiZrHfNb高熵合金中进行氧掺杂,提高了48.5%的拉伸强度和95.2%的延展性。这一成果突破了以往普遍认为的金属材料强度和延展性能不能同时提高的定律,为高性能金属材料的设计提供了新思路。布朗大学和中科院沈阳金属所研究发现梯度纳米孪晶的机械性能优于梯度结构中的任一组分,为改善材料机械性能提出了一条梯度设计的新途径。香港城市大学、香港理工大学、北京工业大学、中国科学院金属研究所和中南大学采用延性多组分金属间纳米粒子(MCINPs)强化合金,得到了出色的强度-延展性组合性能,避免了早期局部缩颈和有限均匀延展性等常见问题。马里兰大学通过去除部分木质素,然后在100摄氏度下压缩的两步处理方法,将原生木材处理为各种性能增强10倍以上、拉伸强度和钢材媲美、比拉伸强度超过钛合金在内的几乎所有的金属和合金材料的超级木材。超级木材拥有巨大的应用前景,甚至有潜力在建筑、交通、航空航天领域里取代金属和聚合物,成为节能、环保、高性能集于一身的超级结构材料。