年終回顧丨新材料引領(lǐng)發(fā)展趨勢 2023年世界新材料發(fā)展回顧
【化工儀器網(wǎng) 行業(yè)百態(tài)】新材料是指具有優(yōu)異性能和功能的材料，是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要支撐。新材料涵蓋了高性能結(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)功能材料、生物醫(yī)用材料、智能制造材料等多個(gè)領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子信息、節(jié)能環(huán)保、生物醫(yī)藥等行業(yè)，對(duì)于提升國家綜合實(shí)力和競爭力具有重要意義。2023年以來，科學(xué)家們始終專注新材料的開發(fā)，材料科學(xué)的未來充滿無限可能。
俄羅斯：研發(fā)可控氮化物復(fù)合材料 智能服裝既導(dǎo)電又可洗滌
俄羅斯托木斯克理工大學(xué)通過控制壓力或調(diào)整化學(xué)反應(yīng)器中的成分，研發(fā)出可控制的基于氮化物的復(fù)合材料。氮化物基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于電子、航空和汽車、建筑、機(jī)械工程等行業(yè)。獲得此類物質(zhì)最有前景的方法是自蔓延高溫合成法，這種方法具有功耗低、處理時(shí)間短和成本低等特點(diǎn)。
俄羅斯托木斯克理工大學(xué)開發(fā)出一種基于尼龍織物和還原氧化石墨烯的“智能服裝”新材料。研究人員將氧化石墨烯涂在尼龍上，進(jìn)行激光處理時(shí)，尼龍熔化形成涂層，石墨烯顆粒會(huì)嵌入到織物的纖維中。通過這種方法生成的復(fù)合材料易于制造，即使多次洗滌仍能保持性能穩(wěn)定。
美國：芯片材料工藝持續(xù)改進(jìn) 傳感技術(shù)取得多項(xiàng)成果
麻省理工學(xué)院工程師開發(fā)出一種“非外延單晶生長”方法，可在工業(yè)硅晶圓上生長出純凈的、無缺陷的二維材料，以制造越來越小的晶體管。
該校研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)明了一種堆疊二極管以創(chuàng)建垂直、多色像素的方法。該方法可用于制作更清晰、無缺陷的顯示器。
該校一個(gè)跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種低溫生長工藝，可直接在硅芯片上有效且高效地“生長”二維過渡金屬二硫化物材料層，以實(shí)現(xiàn)更密集的集成。
耶魯大學(xué)研究人員開發(fā)出首臺(tái)芯片級(jí)摻鈦藍(lán)寶石激光器，這項(xiàng)突破的應(yīng)用范圍涵蓋從原子鐘到量子計(jì)算和光譜傳感器。
芝加哥大學(xué)科學(xué)家研制出迄今最薄的芯片級(jí)光線路——二維波導(dǎo)。這款只有幾個(gè)原子厚的玻璃晶體可捕獲和攜帶光，而且效率驚人。其可將光傳播長達(dá)一厘米的距離(在光基計(jì)算領(lǐng)域，這是非常遙遠(yuǎn)的距離)，有望為新技術(shù)開辟道路。
哥倫比亞大學(xué)化學(xué)家團(tuán)隊(duì)描述了迄今為止速度最快、效率最高的半導(dǎo)體——一種名為Re6Se8Cl2的超原子材料。
美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和得克薩斯農(nóng)工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次目睹了金屬碎片在沒有任何人為干預(yù)的情況下破裂，然后又重新融合在一起。如果新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象能得到應(yīng)用，可能會(huì)帶來一場工程革命。
美國國家航空航天局和俄亥俄州立大學(xué)科學(xué)家攜手開發(fā)出一種3D打印工藝，制造出了迄今最具彈性的新合金，其抗壓能力是目前合金的600多倍。
約翰斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研究人員開發(fā)了世界上最小、強(qiáng)度最大、速度最快的制冷設(shè)備——可穿戴式薄膜熱電制冷器。他們與神經(jīng)科學(xué)家合作，幫助截肢者通過他們的幻肢感知溫度。
南加州大學(xué)工程學(xué)院研究人員受折紙啟發(fā)創(chuàng)造出一種新的傳感器。這種傳感器可用于檢測器官微小變形從而預(yù)測疾病，也可用于可穿戴設(shè)備和柔性機(jī)器人。
康奈爾大學(xué)工程學(xué)院開發(fā)出一種能模擬細(xì)胞膜的特性并提供電子讀數(shù)的合成生物傳感器。其有助于更好地了解細(xì)胞生物學(xué)、開發(fā)新藥以及在芯片上創(chuàng)建“感覺器官”。
英國：彩色薄膜讓室內(nèi)保持涼爽 石墨烯實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄高磁阻
英國劍橋大學(xué)科學(xué)家開發(fā)的新紡織品，在加熱時(shí)會(huì)改變形狀。這種響應(yīng)式智能面料可幫助監(jiān)測人們的健康，改善隔熱性能，同時(shí)也為室內(nèi)設(shè)計(jì)提供了新工具。
該校研究人員還報(bào)告了一種植物基薄膜替代品。它在陽光下會(huì)變得更涼爽，并具有多種質(zhì)地和明亮的彩虹色。有朝一日，這種材料可在不需要外部電源的情況下，使建筑物、汽車和其他結(jié)構(gòu)保持涼爽。
“石墨烯之父”、曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，石墨烯表面擁有奇特的納米波紋。這使其能以比同等質(zhì)量的現(xiàn)有最佳催化劑高100倍的效率分解氫氣，有望實(shí)現(xiàn)更高性能的氫燃料電池，并提高很多工業(yè)過程的效率。該校研究人員還報(bào)告了石墨烯中出現(xiàn)的創(chuàng)紀(jì)錄的高磁阻。
南安普敦大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典的超材料納米結(jié)構(gòu)可表現(xiàn)出與連續(xù)“時(shí)間晶體”相同的關(guān)鍵特征。
劍橋大學(xué)科學(xué)家則開發(fā)出一種三維打印金屬的新方法。該方法可降低成本，能更有效地利用資源。
薩里大學(xué)科學(xué)家也開發(fā)出一種有機(jī)半導(dǎo)體材料。他們利用其研制出一款新型柔性X射線探測器，有望在癌癥治療、機(jī)場掃描等領(lǐng)域大顯身手。
德國：新型儲(chǔ)氫復(fù)合合金問世 石墨烯等材料應(yīng)用拓展
德國科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新的基于鈦鎂鋰的復(fù)合合金家族。這種合金具有極低的密度，并且在室溫下具有相當(dāng)大的儲(chǔ)氫能力，有望成為未來儲(chǔ)氫設(shè)施的基石。
卡爾斯魯厄理工學(xué)院研發(fā)高效、半透明的有機(jī)太陽能電池，能在精確定義的光譜范圍內(nèi)吸收光。
德國高性能電池技術(shù)公司(HPB)開發(fā)出可批量生產(chǎn)的新型固態(tài)電池。首批型號(hào)已經(jīng)完成了12500次充電循環(huán)，每小時(shí)充放電一次，性能沒有任何下降。
杜伊斯堡-埃森大學(xué)通過向微米尺寸的石墨烯圓盤發(fā)射短太赫茲脈沖，短暫地將其變成了強(qiáng)磁鐵，這將有助于開發(fā)未來的磁性開關(guān)和存儲(chǔ)設(shè)備。
德累斯頓-羅森多夫亥姆霍茲中心展示了一種利用石墨烯超材料實(shí)現(xiàn)太赫茲光到可見光的快速可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換的方法，為實(shí)現(xiàn)高速、低成本、寬帶和高信噪比的太赫茲成像和通信提供了新的可能性。
馬克斯·普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究所使用僅數(shù)百飛秒長的脈沖，在高溫的稀土鈦酸鹽中誘導(dǎo)出鐵磁態(tài)，為研制光控存儲(chǔ)器以及具有更高速度和效率的計(jì)算設(shè)備鋪平了道路。
此外，卡爾斯魯厄理工學(xué)院創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)、合成和表征了一系列環(huán)狀三明治配合物，并命名為環(huán)茂。這些環(huán)茂由18個(gè)重復(fù)單元組成，在固態(tài)下形成幾乎理想的圓形閉環(huán)。
德美科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室制造出以前被認(rèn)為“不可合成”的反芳香性分子環(huán)氧乙烯。環(huán)氧乙烯是最小的反芳香性雜環(huán)化合物，也是星際環(huán)境中的一種關(guān)鍵活性成分，被認(rèn)為是最神秘的有機(jī)瞬變分子之一。
弗朗霍夫研究所開發(fā)出一種新型可持續(xù)氣凝膠密封材料。新工藝的關(guān)鍵之處在于用超臨界(氣體和流體之間)二氧化碳代替?zhèn)鹘y(tǒng)的用于溶解硅凝膠的酸性材料制備氣凝膠工藝。
法國：以鎳納米顆粒電解制氫 用超吸水材料阻止噪音
法國電解槽膜制造商Gen-Hy公司開發(fā)出一種鎳納米顆粒催化劑電解制氫新方法。這種新催化劑可取代鉑、銥等稀有金屬催化劑，其目標(biāo)是將電解水的效率提高到85%。Gen-Hy公司的鎳納米顆粒催化劑，可沉積在陰離子交換膜上，極大增加了催化劑與水之間的接觸面。
另外一家聚焦氫燃料電池的法國公司Clhynn，開發(fā)的燃料電池有兩項(xiàng)創(chuàng)新。一是采用陰離子和非質(zhì)子技術(shù)，通過逆轉(zhuǎn)離子流過膜，用鎳催化劑即可滿足需要；二是將燃料電池釋放的水再利用制氫。
初創(chuàng)公司Fairbrics開發(fā)了一種化學(xué)工藝，可將捕獲的二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙二醇和對(duì)苯二甲酸。該公司利用這一技術(shù)可將工廠排放的二氧化碳轉(zhuǎn)化為服裝材料。這家綠色化學(xué)公司即將在工業(yè)規(guī)模上測試將二氧化碳轉(zhuǎn)化為非石油基聚酯的工藝。該工藝可減少服裝業(yè)對(duì)石油化工的依賴，并將降低70%碳排放。
初創(chuàng)公司Vibiscus開發(fā)了一種可控的超吸水材料，阻止噪音的同時(shí)，還能允許空氣通過并避免過度消耗能源。以這種材料制成的具有吸音能力的隔板，可為通風(fēng)系統(tǒng)制造商提供新的隔音解決方案。
日本：幾秒完成3D物體制造新法出現(xiàn) 32億年前天然石墨烯首次現(xiàn)形
日本沖繩科學(xué)技術(shù)研究所協(xié)同德國、俄羅斯科學(xué)家一起，成功開發(fā)了一種新的茂金屬化合物。利用該化合物可創(chuàng)造出用于醫(yī)學(xué)、催化和能源領(lǐng)域的新材料，幫助解決重要的全球問題并提高人類的生活質(zhì)量。
東京大學(xué)研究人員首次將2D打印、折紙和化學(xué)方法相結(jié)合，創(chuàng)造了一種快速制造3D物體且不會(huì)產(chǎn)生任何廢料的方法。新方法可使材料幾秒鐘內(nèi)完成自動(dòng)折疊。
日本NTT醫(yī)療與健康信息學(xué)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)手德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家，采用4D打印技術(shù)生產(chǎn)出柔性電極。其一旦接觸到水分，會(huì)自動(dòng)折疊并包裹在細(xì)小的神經(jīng)周圍。
此外，日本科學(xué)家在南非一座地下金礦里，首次發(fā)現(xiàn)一塊32億年前的巖石內(nèi)天然形成的石墨烯。這一發(fā)現(xiàn)有助于研發(fā)出更節(jié)能的生產(chǎn)這種材料的方法，并將廣泛應(yīng)用于電子等諸多領(lǐng)域。
韓國：動(dòng)力電池領(lǐng)域加強(qiáng)研發(fā) 氮化硅軸承球成功造出
今年以來，韓國各研究機(jī)構(gòu)加強(qiáng)了動(dòng)力電池相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)工作。
5月，韓國科學(xué)技術(shù)院研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新型鎳-鉬催化劑。作為離子交換膜燃料電池的電極材料，其具有成本低、催化率高等優(yōu)點(diǎn)。新型鎳-鉬催化劑的成本僅為鉑催化劑的八十分之一，有關(guān)人士認(rèn)為，未來其有望成為離子交換膜燃料電池的主要電極材料。
10月，韓國科學(xué)技術(shù)院研究出一種可實(shí)現(xiàn)伸縮的彈性高分子材料，可同時(shí)提高彈性高分子材料的機(jī)械性和自修復(fù)性。通過研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)具有多種配位方式的負(fù)離子和不參與配位的負(fù)離子混合時(shí)，兩種負(fù)離子的協(xié)同作用會(huì)產(chǎn)生更好的彈性、延展率和自修復(fù)性。
首爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)于11月開發(fā)出新一代全固體電池用氯化物電解質(zhì)材料。該團(tuán)隊(duì)首次證明了三方晶系氯化物固體電解質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)，金屬離子的組成和配置會(huì)對(duì)鋰離子的導(dǎo)電性產(chǎn)生影響，并開發(fā)出新一代鋯離子氯化物固體電解質(zhì)。新材料商用后將可延長固體電池的穩(wěn)定性和壽命。
韓國材料研究院工程陶瓷實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)制造出電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)模塊用氮化硅軸承球。韓國業(yè)界認(rèn)為，在快速增長的電動(dòng)汽車市場推動(dòng)下，預(yù)計(jì)到2026年，采用氮化硅軸承球技術(shù)的混合動(dòng)力軸承全球市場規(guī)模將增長到1.3萬億韓元以上。
(資料來源：科技日?qǐng)?bào))
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