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年終回顧丨新材料引領發(fā)展趨勢 2023年世界新材料發(fā)展回顧
2024年01月10日 14:05:45
來源：化工儀器網(wǎng) 點擊量：5004
2023年以來，科學家們始終專注新材料的開發(fā)，材料科學的未來充滿無限可能。
【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構材料、先進功能材料、生物醫(yī)用材料、智能制造材料等多個領域，廣泛應用于航空航天、電子信息、節(jié)能環(huán)保、生物醫(yī)藥等行業(yè)，對于提升國家綜合實力和競爭力具有重要意義。2023年以來，科學家們始終專注新材料的開發(fā)，材料科學的未來充滿無限可能。
俄羅斯：研發(fā)可控氮化物復合材料 智能服裝既導電又可洗滌
俄羅斯托木斯克理工大學通過控制壓力或調(diào)整化學反應器中的成分，研發(fā)出可控制的基于氮化物的復合材料。氮化物基復合材料廣泛應用于電子、航空和汽車、建筑、機械工程等行業(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、處理時間短和成本低等特點。
俄羅斯托木斯克理工大學開發(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，進行激光處理時，尼龍熔化形成涂層，石墨烯顆粒會嵌入到織物的纖維中。通過這種方法生成的復合材料易于制造，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 傳感技術取得多項成果
麻省理工學院工程師開發(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。
該校研究團隊還發(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。
該校一個跨學科團隊開發(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，以實現(xiàn)更密集的集成。
耶魯大學研究人員開發(fā)出首臺芯片級摻鈦藍寶石激光器，這項突破的應用范圍涵蓋從原子鐘到量子計算和光譜傳感器。
芝加哥大學科學家研制出迄今最薄的芯片級光線路——二維波導。這款只有幾個原子厚的玻璃晶體可捕獲和攜帶光，而且效率驚人。其可將光傳播長達一厘米的距離(在光基計算領域，這是非常遙遠的距離)，有望為新技術開辟道路。
哥倫比亞大學化學家團隊描述了迄今為止速度最快、效率最高的半導體——一種名為Re6Se8Cl2的超原子材料。
美國桑迪亞國家實驗室和得克薩斯農(nóng)工大學研究團隊首次目睹了金屬碎片在沒有任何人為干預的情況下破裂，然后又重新融合在一起。如果新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象能得到應用，可能會帶來一場工程革命。
美國國家航空航天局和俄亥俄州立大學科學家攜手開發(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·霍普金斯大學應用物理實驗室研究人員開發(fā)了世界上最小、強度最大、速度最快的制冷設備——可穿戴式薄膜熱電制冷器。他們與神經(jīng)科學家合作，幫助截肢者通過他們的幻肢感知溫度。
南加州大學工程學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測疾病，也可用于可穿戴設備和柔性機器人。
康奈爾大學工程學院開發(fā)出一種能模擬細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胞生物學、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 石墨烯實現(xiàn)創(chuàng)紀錄高磁阻
英國劍橋大學科學家開發(fā)的新紡織品，在加熱時會改變形狀。這種響應式智能面料可幫助監(jiān)測人們的健康，改善隔熱性能，同時也為室內(nèi)設計提供了新工具。
該校研究人員還報告了一種植物基薄膜替代品。它在陽光下會變得更涼爽，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、汽車和其他結構保持涼爽。
“石墨烯之父”、曼徹斯特大學安德烈·海姆團隊發(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。該校研究人員還報告了石墨烯中出現(xiàn)的創(chuàng)紀錄的高磁阻。
南安普敦大學研究人員發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典的超材料納米結構可表現(xiàn)出與連續(xù)“時間晶體”相同的關鍵特征。
劍橋大學科學家則開發(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。
薩里大學科學家也開發(fā)出一種有機半導體材料。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、機場掃描等領域大顯身手。
德國：新型儲氫復合合金問世 石墨烯等材料應用拓展
德國科學家領導的國際團隊研發(fā)出一種新的基于鈦鎂鋰的復合合金家族。這種合金具有極低的密度，并且在室溫下具有相當大的儲氫能力，有望成為未來儲氫設施的基石。
卡爾斯魯厄理工學院研發(fā)高效、半透明的有機太陽能電池，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。首批型號已經(jīng)完成了12500次充電循環(huán)，每小時充放電一次，性能沒有任何下降。
杜伊斯堡-埃森大學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磁鐵，這將有助于開發(fā)未來的磁性開關和存儲設備。
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)結構與動力學研究所使用僅數(shù)百飛秒長的脈沖，在高溫的稀土鈦酸鹽中誘導出鐵磁態(tài)，為研制光控存儲器以及具有更高速度和效率的計算設備鋪平了道路。
此外，卡爾斯魯厄理工學院創(chuàng)造性地設計、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個重復單元組成，在固態(tài)下形成幾乎理想的圓形閉環(huán)。
德美科學家首次在實驗室制造出以前被認為“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)境中的一種關鍵活性成分，被認為是最神秘的有機瞬變分子之一。
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)的燃料電池有兩項創(chuàng)新。一是采用陰離子和非質(zhì)子技術，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)了一種化學工藝，可將捕獲的二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙二醇和對苯二甲酸。該公司利用這一技術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，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
日本沖繩科學技術研究所協(xié)同德國、俄羅斯科學家一起，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、催化和能源領域的新材料，幫助解決重要的全球問題并提高人類的生活質(zhì)量。
東京大學研究人員首次將2D打印、折紙和化學方法相結合，創(chuàng)造了一種快速制造3D物體且不會產(chǎn)生任何廢料的方法。新方法可使材料幾秒鐘內(nèi)完成自動折疊。
日本NTT醫(yī)療與健康信息學實驗室聯(lián)手德國慕尼黑工業(yè)大學的科學家，采用4D打印技術生產(chǎn)出柔性電極。其一旦接觸到水分，會自動折疊并包裹在細小的神經(jīng)周圍。
此外，日本科學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，并將廣泛應用于電子等諸多領域。
韓國：動力電池領域加強研發(fā) 氮化硅軸承球成功造出
今年以來，韓國各研究機構加強了動力電池相關領域的研發(fā)工作。
5月，韓國科學技術院研究團隊開發(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。新型鎳-鉬催化劑的成本僅為鉑催化劑的八十分之一，有關人士認為，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，韓國科學技術院研究出一種可實現(xiàn)伸縮的彈性高分子材料，可同時提高彈性高分子材料的機械性和自修復性。通過研究團隊發(fā)現(xiàn)當具有多種配位方式的負離子和不參與配位的負離子混合時，兩種負離子的協(xié)同作用會產(chǎn)生更好的彈性、延展率和自修復性。
首爾大學研究團隊于11月開發(fā)出新一代全固體電池用氯化物電解質(zhì)材料。該團隊首次證明了三方晶系氯化物固體電解質(zhì)結構內(nèi)，金屬離子的組成和配置會對鋰離子的導電性產(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驗室研究團隊制造出電動汽車驅(qū)動模塊用氮化硅軸承球。韓國業(yè)界認為，在快速增長的電動汽車市場推動下，預計到2026年，采用氮化硅軸承球技術的混合動力軸承全球市場規(guī)模將增長到1.3萬億韓元以上。
(資料來源：科技日報)
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