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科技日報(bào)國際部

年度盤點(diǎn)

2022

Russia

俄羅斯

碳納米纖維增加鋁材硬度

開發(fā)智能玻璃制造新技術(shù)

◎本報(bào)駐俄羅斯記者 董映璧

鋁及其合金是現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)的關(guān)鍵材料之一。俄羅斯國家研究型技術(shù)大學(xué)科研人員將碳納米纖維添加到鋁復(fù)合材料中，使其硬度增加了20%，材料結(jié)構(gòu)在微觀層面上也發(fā)生了極大變化。這項(xiàng)研究不僅改善了特定鋁合金的性能，而且對許多鋁及其合金部件都具有重要的實(shí)際意義。

別爾哥羅德國立研究大學(xué)基于鐵、鈷、鎳、鉻和碳開發(fā)出了高強(qiáng)度、高延展性合金，在-150℃及更低溫度下具有出色的性能，強(qiáng)度比最好的同類產(chǎn)品高一倍半，并具有24%的出色延展性。新合金可廣泛用于探索太空、海洋、北極和南極所需的技術(shù)系統(tǒng)。

托木斯克理工大學(xué)科研人員提出了一種利用激光和石墨烯對玻璃進(jìn)行改性的技術(shù)，開發(fā)出基于石墨烯和玻璃的復(fù)合材料。這種技術(shù)允許用石墨烯“畫出”所需的結(jié)構(gòu)，將其融合到幾毫米厚的玻璃中，有助于在玻璃產(chǎn)品中制造出石墨烯導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，作為積成電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)用石墨烯制造新一代電子產(chǎn)品。新材料可長時(shí)間使用而性能不降低，可用于開發(fā)廉價(jià)高效的柔性電子產(chǎn)品、新型光電器件以及具有擴(kuò)展功能的各種玻璃產(chǎn)品。

俄羅斯國立研究型技術(shù)大學(xué)超硬和新型碳材料研究所與俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院物理研究所首次合成一種基于含鈧碳納米結(jié)構(gòu)的富勒烯超硬材料。研究表明，電與不含鈧的聚合富勒烯晶體相比，該材料的剛性較低，但同時(shí)相變壓力也較低，這能降低該結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室獲取難度。該技術(shù)可用于研發(fā)適用于光伏、光學(xué)器件、納米電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的新型超硬材料。

法 國

France

開發(fā)便宜無毒新型熱電材料

DNA微機(jī)器人探索細(xì)胞過程

◎本報(bào)駐法國記者 李宏策

法國CRISMAT實(shí)驗(yàn)室研究人員開發(fā)出安全且廉價(jià)的熱電材料，該材料由銅、錳、鍺和硫組成，生產(chǎn)過程相當(dāng)簡單。他們使用球磨機(jī)簡單將銅、錳、鍺、硫粉末機(jī)械合金化，形成一個(gè)預(yù)結(jié)晶相，然后在600℃下燒結(jié)使其致密化，所生產(chǎn)的新型材料可將熱能轉(zhuǎn)化為電能且在400℃下仍能保持穩(wěn)定。研究人員發(fā)現(xiàn)，用銅代替一小部分錳會產(chǎn)生復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，具有相互連接的納米域、缺陷和相干界面，會影響材料的電子和熱傳輸特性。未來研究人員將進(jìn)一步改進(jìn)這種新型無毒熱電材料，替代傳統(tǒng)含鉛、碲等有毒元素的材料。

法國國家健康與醫(yī)學(xué)研究院、國家科學(xué)研究中心和蒙彼利埃大學(xué)研究人員使用DNA折疊方法，即用DNA分子作為構(gòu)建材料，以預(yù)定義的形式自組裝3D納米結(jié)構(gòu)，制成DNA納米機(jī)器人，可用來更好地了解細(xì)胞機(jī)械敏感性的分子機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)對機(jī)械力敏感的新細(xì)胞受體，還能在細(xì)胞水平更精確地研究施力過程中，生物和病理過程的關(guān)鍵信號通路何時(shí)被激活。

日 本

Japan

新系統(tǒng)按需合成光氣衍生品

機(jī)械手指上“長出”仿真皮

◎本報(bào)記者 張夢然

日本神戶大學(xué)研究小組首次成功開發(fā)出以氯仿為前體的新型流式按需合成系統(tǒng)，使用這個(gè)系統(tǒng)能夠合成光氣衍生的化學(xué)產(chǎn)品。此外，他們實(shí)現(xiàn)了超過96%的高轉(zhuǎn)化率，在短時(shí)間內(nèi)(一分鐘或更短的曝光時(shí)間)合成了這些有用的化合物。該系統(tǒng)具有多重優(yōu)勢，安全、廉價(jià)且簡單，對環(huán)境影響小，可用于合成各種化工產(chǎn)品并連續(xù)大量生產(chǎn)。研究人員預(yù)計(jì)，該系統(tǒng)可以在不久的將來擴(kuò)大為工業(yè)生產(chǎn)的模型系統(tǒng)。

大阪大學(xué)研究人員開發(fā)出一種方法，將一個(gè)不顯眼的可食用標(biāo)簽嵌入食物中，無需先破壞食物即可讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，而且這種標(biāo)簽完全不會改變食物的外觀或味道。

信州大學(xué)纖維工程研究所材料科學(xué)家開發(fā)出一種由超細(xì)納米線編織而成的紡織品。這種線由相變材料和其他材料制成，與電熱和光熱涂層結(jié)合在一起，最終成為一種面料，能根據(jù)需要對不斷變化的溫度做出反應(yīng)，在穿著者身上升溫或降溫。

東京大學(xué)科學(xué)家在機(jī)器人身上制作出“活的”類人皮膚，不僅為機(jī)械手指提供了人類皮膚般的質(zhì)感，還具有防水和自愈功能，讓人們離科幻目標(biāo)又近了一步。

名古屋大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)合成了一種帶狀分子納米碳，具有扭曲的莫比烏斯帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即莫比烏斯碳納米帶。構(gòu)建結(jié)構(gòu)均勻的納米碳，對于納米技術(shù)、電子學(xué)、光學(xué)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的功能材料的發(fā)展至關(guān)重要。

韓 國

South Korea

“元表面”納米材料可調(diào)諧

新聚合物常溫下能生物降解

◎本報(bào)駐韓國記者 薛 嚴(yán)

2022年10月，韓國蔚山科學(xué)技術(shù)院科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出可作為6G通信元器件的“元表面”新納米材料。“元表面”材料是平面光學(xué)器件中新型的納米結(jié)構(gòu)材料，以二氧化釩為基礎(chǔ)，呈透明狀。實(shí)驗(yàn)表明，該二氧化釩“元表面”透明電極在保持一定的太赫茲波通過的同時(shí)，還可調(diào)諧電導(dǎo)率至數(shù)千倍左右，成為6G通信元件或太赫茲波、近紅外線混合通信技術(shù)的最佳器件材料。該方法還可用于其他二維物質(zhì)材料的研發(fā)和應(yīng)用。

11月，韓國亞洲大學(xué)團(tuán)隊(duì)以磷酸金屬鹽作為催化劑開發(fā)出一種新型生物降解聚合物PBAT(屬于熱塑性生物降解塑料，是己二酸丁二醇酯和對苯二甲酸丁二醇酯的共聚物，兼具PBA和PBT的特性)，其制成的可降解塑料在土壤中的降解速度約是現(xiàn)有可降解塑料的9倍。新型PBAT聚合物通過在生產(chǎn)過程中添加一定量的磷酸金屬鹽，使其結(jié)構(gòu)變成離子鍵的結(jié)合形式，既具備耐久性，又可在常溫下生物降解。

德 國

Germany

◎本報(bào)駐德國記者 李 山

“四中子態(tài)”最明確證據(jù)發(fā)布

人工智能助力新材料設(shè)計(jì)優(yōu)化

材料基礎(chǔ)研究方面，慕尼黑工業(yè)大學(xué)獲得了迄今最明確地證實(shí)“四中子態(tài)”物質(zhì)存在的證據(jù)，有助于更好地理解宇宙是如何形成。慕尼黑工業(yè)大學(xué)和德累斯頓工業(yè)大學(xué)合作，在氟化鈥鋰中發(fā)現(xiàn)了一種全新相變，并觀察到成千上萬個(gè)原子的糾纏，這對于研究材料中的量子現(xiàn)象以及新應(yīng)用來說是一個(gè)重要基礎(chǔ)和一般參考框架。

合金材料方面，馬克斯·普朗克鋼鐵研究所成功將人工智能技術(shù)應(yīng)用于高熵合金的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。研究人員利用699種合金的公開數(shù)據(jù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)算法，然后讓算法生成大量具有低熱系數(shù)的候選成分，再通過包括原子特征和熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的有關(guān)物理特性的算法篩選出17種高熵因瓦合金，最終確定出兩種在300開氏度時(shí)具有極低熱膨脹系數(shù)的高熵合金。

催化劑方面，亥姆霍茲柏林研究所等研發(fā)出納米結(jié)構(gòu)的硅化鎳作綠氫催化劑，可顯著提高電解水反應(yīng)的效率。科林公司成功開發(fā)了一種廉價(jià)穩(wěn)定的合金材料催化劑，可用二氧化碳直接電解生產(chǎn)一氧化碳。

納米材料和應(yīng)用方面，德國電子同步加速器實(shí)驗(yàn)室(DESY)闡明了分子馬達(dá)的結(jié)構(gòu)、完整的功能循環(huán)和作用機(jī)制。慕尼黑工業(yè)大學(xué)首次成功使用DNA折疊法制造出一款分子馬達(dá)，可自組裝并將電能轉(zhuǎn)換為動能，未來有望用于驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)。埃爾朗根—紐倫堡大學(xué)研發(fā)迄今世界上最小的可運(yùn)動的能量驅(qū)動齒輪，該裝置只有1.6納米大小，由兩個(gè)嚙合組件共71個(gè)原子構(gòu)成。

生物相關(guān)材料方面，萊布尼茨交互材料研究所開發(fā)出可與生命物質(zhì)交流和發(fā)揮作用的材料，并成功將活性細(xì)胞分裂機(jī)制整合到合成囊泡中，使人們離生產(chǎn)功能性合成細(xì)胞的目標(biāo)又近了一步。慕尼黑工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種新型葡萄糖燃料電池，厚度僅400納米，可將葡萄糖直接轉(zhuǎn)化為電能。德累斯頓工業(yè)大學(xué)首次演示了一款高效有機(jī)雙極晶體管，為有機(jī)電子學(xué)開辟了全新前景。

此外，德國地球科學(xué)研究中心成功合成具有六方晶格的鍺化硅材料，可有針對性地控制帶隙和光電特性。該中心還開發(fā)了一種新方法，可在高于正常大氣壓110萬倍的壓力下測量二氧化硅玻璃的密度。馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所開發(fā)了一種新的分子氣體冷卻技術(shù)，可將極性分子冷卻到幾納開氏度。

英 國

The UK

薄膜硅光伏電池吸收率創(chuàng)紀(jì)錄

新催化劑降低氫燃料電池成本

◎本報(bào)記者 劉 霞

英國與荷蘭科學(xué)家合作，借助一種納米紋理結(jié)構(gòu)，使薄膜硅光伏電池變得不透明并增強(qiáng)了其吸收太陽光的效率。實(shí)驗(yàn)表明這種薄膜電池能吸收65%的陽光，是迄今薄硅膜表現(xiàn)出的最高光吸收率，接近約70%的理論吸收極限，有望催生柔性、輕質(zhì)且高效的硅光伏電池。

帝國理工學(xué)院開發(fā)出一種氫燃料電池，它使用的催化劑由鐵而非稀有昂貴的鉑制成，降低了氫燃料電池的成本。該技術(shù)讓氫燃料廣泛部署成為可能，有助于減少溫室氣體排放，推進(jìn)世界走上凈零排放的道路。

倫敦瑪麗女王大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次研制出單晶有機(jī)金屬鈣鈦礦光纖，可加速寬帶傳輸、改善醫(yī)學(xué)成像。

伯明翰大學(xué)與美國杜克大學(xué)研究人員合作，利用糖基原料而非石化衍生物，研制出兩種新的聚合物，既擁有普通塑料的特性，又可降解和物理回收。其中一種像橡膠一樣可拉伸，另一種則像大多數(shù)塑料一樣堅(jiān)固且有韌性。

美 國

The US

發(fā)現(xiàn)迄今最佳半導(dǎo)體材料

納米研究帶來高效新設(shè)備

◎?qū)嵙?xí)記者 張佳欣

在半導(dǎo)體科學(xué)領(lǐng)域，美國麻省理工學(xué)院、休斯頓大學(xué)和其他機(jī)構(gòu)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，立方砷化硼兼具導(dǎo)電和導(dǎo)熱優(yōu)勢，可能是迄今發(fā)現(xiàn)的最佳半導(dǎo)體材料。密歇根大學(xué)開發(fā)出一種半導(dǎo)體材料，可在室溫下實(shí)現(xiàn)從導(dǎo)體到絕緣體的“量子轉(zhuǎn)換”，有助于開發(fā)新一代量子設(shè)備和超高效電子設(shè)備。

在有關(guān)“打印”的各種應(yīng)用中也有很多成果。研究人員使用定制打印機(jī)，3D打印出了首塊柔性有機(jī)發(fā)光二極管顯示屏，無需以往昂貴的微加工設(shè)備。北卡羅萊納州立大學(xué)研究人員開發(fā)出一種將電子電路直接印刷到彎曲和波紋表面上的新技術(shù)，并使用該技術(shù)制造了原型“智能”隱形眼鏡、壓敏乳膠手套和透明電極，這為各種新的柔性電子技術(shù)鋪平了道路。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院科學(xué)家報(bào)告了一種利用糖在幾乎任意共性表面上進(jìn)行轉(zhuǎn)印的方法，有望為電子、光學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域帶來新材料。

在納米級的材料研究方面，麻省理工學(xué)院研究人員通過改變材料的表面，創(chuàng)建了一種納米級配置，能將閃爍體的效率提高至少10倍，甚至可能提高100倍，有助實(shí)現(xiàn)更靈敏X射線成像；該學(xué)院還在單原子薄材料中發(fā)現(xiàn)了一種奇異的“多鐵性”狀態(tài)，首次證實(shí)多鐵性可存在于完美的二維材料中，為開發(fā)更小、更快、更高效的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備鋪平道路。約翰斯·霍普金斯大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)出由微小納米管組成的無泄漏管道，可自我組裝和自我修復(fù)，且能連接到不同的生物結(jié)構(gòu)，這是創(chuàng)建納米管網(wǎng)絡(luò)的重要一步，該網(wǎng)絡(luò)將來有望向人體中的靶細(xì)胞提供專門的藥物、蛋白質(zhì)和分子。

萊斯大學(xué)開發(fā)出由可見光而非紫外線激活的納米級“鉆頭”，通過對真實(shí)感染的測試，證明這些分子機(jī)器能有效殺死細(xì)菌。

在傳感器相關(guān)研究方面，斯坦福大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種極富彈性的可穿戴顯示器，具有很好的明亮度和機(jī)械穩(wěn)定性，是高性能可拉伸顯示器和電子皮膚研究的重要進(jìn)展。麻省理工學(xué)院工程師展示了一種新型超聲波貼紙?jiān)O(shè)計(jì)，僅郵票大小，可貼在皮膚上，對內(nèi)臟器官提供48小時(shí)的連續(xù)超聲波成像。加州大學(xué)圣地亞哥分校工程學(xué)院研究人員開發(fā)出一種無電池、藥丸狀可吞服生物傳感系統(tǒng)，能對腸道環(huán)境進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。

Israel

以色列

新型織物用于市政

創(chuàng)新材料服務(wù)醫(yī)療

◎本報(bào)駐以色列記者 胡定坤

2022年4月，以色列特拉維夫市政府宣布在該市試驗(yàn)一種新型太陽能織物，這種戶外織物內(nèi)含太陽能有機(jī)光伏電池，白天可為行人遮蔽陽光，晚上則可使用太陽能照明。這對夏季光照充足、炎熱少雨的以色列非常適用。

7月初，以色列理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文，稱其開發(fā)出一種基于有機(jī)硅的超薄材料——一種高科技織物。這種材料可包裹在受損神經(jīng)周圍，近紅外光可穿透皮膚照射到織物上，促使其產(chǎn)生電流刺激神經(jīng)，從而加速神經(jīng)修復(fù)或用于心臟起搏。實(shí)驗(yàn)顯示，該材料將小鼠神經(jīng)修復(fù)速度加快了1/3。

9月底，以色列理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)宣布，受生物體天然礦物生長過程的啟發(fā)，創(chuàng)造了一種控制材料磁性的方法。團(tuán)隊(duì)在存在氨基酸的情況下合成了碳酸錳晶體，通過測量晶體磁性，發(fā)現(xiàn)含有氨基酸的碳酸錳比原始材料具有更高的磁化率，這意味著它更容易受到外部磁場的影響。此外，隨著添加更多的氨基酸，碳酸錳對磁性的反應(yīng)性也會增加。研究證明可通過加入非磁性有機(jī)分子改變材料磁性，這一發(fā)現(xiàn)或可應(yīng)用于微電子和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

原標(biāo)題：從微致變 邁向智能　　—2022年世界科技發(fā)展回顧·新材料篇