2019年那些令人耳目一新的研究成果

随着材料科学的发展，新材料的研发已经成为国民经济和其他科学领域发展的重要组成部分。其创新成果对国民经济，国防及其他高科技产业有着重要的支撑作用。这一年，各国的科学家们又让这一传统学科的脚步再次向前迈进。在这篇文章中，我们总结了2019年中具有突破性的材料学研究成果，为正在或有志在材料和相关领域研究的科学家们提供参考，也在此纪念不平凡的2019年。

1. 室温下二氧化碳气体变“电池“

碳排放对于维持未来地球气候和大气环境稳定一直起着至关重要的作用。二氧化碳的气体形态给这一温室气体的长期封存带来了困难。尽管已有科学家们专注于将二氧化碳气体还原成高附加值产品，例如化学燃料，但是这些方法无法实现永久性的碳捕捉（因为合成的燃料最终只能用于燃烧）。

来自澳大利亚新南威尔士大学的Kourosh Kalantar-Zadeh、墨尔本皇家理工大学的Torben Daeneke和新南威尔士大学的Dorna Esrafilzadeh研发了一种液态金属电催化剂，可以实现在室温下将气态的二氧化碳直接转化为含碳固体，并进而得以将产物制成超级电容器。这一液态金属催化剂基于无毒的镓合金，能防止结焦，防止催化剂活性下降。其最终产物超级电容器则有望成为轻量级电池材料。值得注意的是，研究人员指出，此前的碳纳米材料制备方法通常需要几百摄氏度的温度，而他们研发的技术可以有效降低二氧化碳转化的高耗能需求。

图1 催化过程示意图 ^[1]

2. 超导材料最高临界值温度刷新

超导材料由于具有无损耗传输电能的优秀特质，但是其应用却因为极为苛刻的低温环境一直受到限制。实现室温或较高温度超导一直是科学家研究的重要目标。在今年五月，来自德国马克斯普朗克化学研究所的Drozdov等人在Nature上发表其研究成果，证实了氢化镧在受到地球大气一百万倍的压力压缩时，可以在250K条件下实现超导，这一温度高于目前所有已知的超导温度。

文章作者最早在2014年发现硫化氢在二百万倍大气压环境下于200K左右的温度实现超导。氢化镧和硫化氢的共性在于他们富含氢元素，并且只在约一百万倍大气压条件下的高压环境才会发生超导。在这种环境下，化学键会发生大幅度的改变，形成其他条件下不稳定的结构。对于氢化镧来说，高压环境可以让一种化合物LaH₁₀的结构变得稳定，它含有的氢比常压下能达到的比例更高。Drozdov等人使用金刚石对顶砧实现了这种高压环境，并验证了材料零电阻和有磁场的时候临界温度会降低的超导特性，证明了氢化镧的高温超导性。

图2 Drozdov研究小组创造的高压环境示意图 ^[2]

3. 3D打印会“呼吸”的人造器官

实体器官由于复杂的血管网络发生互相纠缠，形成了复杂的三维传输方式，使得科学家对其研究非常困难。来自美国莱斯大学和华盛顿大学的研究团队主导了一项具有里程碑意义的研究，即利用3D打印技术制造肺气囊模型。该模型具有与人体血管和气管结构相同的网络结构，并能够像肺部一样朝周围的血管输送氧气，完成“呼吸”过程，其成果于五月发表于Science杂志封面。

研究人员表示，这项技术的一大困难在于在制造组织替代品时，无法打印那些为组织输送营养的血管。为了解决这一问题，研究团队使用电脑设计，将复杂的三维结构分解为多层二维打印的蓝图，接着，使用一种液体的水凝胶依照蓝图分层打印，并通过特殊的光线逐层固话。在一层一层的堆积打印后，形成三维的凝胶结构。在测试过程中，研究人员发现当红细胞从这一系统中流过时，能够有效地从呼吸的“肺部”获取氧气，这与肺泡的氧气交换过程一致，为人工制造健康组织技术发展做出了巨大的贡献。

图3 3D打印制得的人工“肺泡”与周围血管 ^[3]

4. 世界上最黑的材料

科学家们试着将碳纳米管结构整合到基底表面，使得材料得以获得功能性上的提升。然而，金属基底上的氧化物钝化层常常表现出的电子和声子传输阻碍作用，大大限制了碳纳米管的运用。常规碳纳米管的整合思路包括转移/粘合和直接合成法。然而，上述方法或会造成基底表面的缺陷，降低材料的物理和化学性能，或因为需要较高的加工温度和条件，导致过程过于复杂和高昂的成本。来自上海交通大学的崔可航教授研究组提出了一种适用于铝基底的可扩展的表面活化技术可实现钝化膜的分解和碳纳米管在金属表面的直接合成。过程中，表面活化过程起到了去除氧化层和产生纳米结构表面使催化剂负载量增高的作用。试验结果显示，碳纳米管和金属基底的结构促进了介电自由能载流子传输路径并阻止了氧化钝化层的重整。相较于没有表面活化的金属基底，该材料的界面电阻仅为前者的1/5。该技术可用于制造纳米结构表面并进而用于各种催化应用。值得一提的是，该研究组整合碳纳米管得到的材料从各个角度吸收的入射光都大于99.995%，尽管他们最初的目的并非制造一种极黑的材料。

图4 溶液中表面活化流程示意图及表面结构变化示意图^[4]

5. 火星生存成为可能

目前，火星表面的低温和高紫外辐射是限制其无法让生物生存的重要原因。尽管有科学家提出一些火星表面变更的方案使得其可以变得适合人类居住，但是都涉及到了大规模的环境改造，远远超出了人类的能力。哈佛大学的Robin Wordsworth教授和他的团队提出了一种利用温室效应使火星表面的广阔区域变得适合于光合作用的方法。他们通过实验和建模证明，在火星环境条件下，厚度为2-3cm的二氧化硅气凝胶层将同时透射足够的可见光以进行光合作用，阻挡有害的紫外线辐射，并升高其下方的温度，无需任何内部热源。因此，科学家们设想，如果将二氧化硅气凝胶防护罩放置在火星表面上冰层足够丰富的区域，可以使需要光合作用的生命在那里存活下来且不需要过多的后续干预。这一方法比大规模的改变大气要容易的多。

图5 火星温室效应概念示意图 ^[5]

6. 比钻石还硬的材料

超硬材料在各种领域和应用中都有着重要的作用，包括切割，抛光，研磨剂或者涂料。通常，超硬材料由B,C,N或O组成，它们可以形成短而强的共价键。在大多数人的印象中，钻石一直是超硬材料的标杆，并被广泛运用。来自纽约州立大学的Eva Zurek教授和她的团队运用计算预测的方法设计了一种硬度更高的材料。AFLOW-AEL的第一原理和对ALFOW所含材料的机器学习结果均显示维氏硬度与三个宏观硬度模量具有一致性关系。实验小组通过XTALOPT演化算法实现超硬材料的预测，将每个晶体最小化到最接近的局部最小值，并通过剪切模量的线性关系计算维氏硬度和能量/焓确定结构的适用性。分析结果显示出新的超硬相，其硬度略微大于金刚石，其结构包含有一部分的金刚石和一部分的隆斯达石。

图6 部分预测出的具有超硬相的结构示意图 ^[6]

7. 仿生耐久性超疏水复合材料

具有纳米纹理表面的超疏水材料具有自清洁，防污，防冰，防腐蚀等运用。但是，同样是受限于其结构，这种材料容易碎且易变和损坏。日本国家实验室的Yoshihiro受到鲀鱼的启发，使用微米级的四脚形ZnO和聚二甲基硅氧烷开发了具有鲀鱼状结构的柔性材料，并检测了其关于磨损，刮擦，切片，弯曲和耐扭曲等形变状况下的耐久性。试验结果显示，该材料在1000次磨损和1000次弯曲循环后依旧表现出稳定的疏水性。材料即使在弯曲和扭曲状态下，也具有超疏水性。 这一研究成果有利于该材料被广泛运用到各种应用中。

图7 鲀鱼表面结构和该材料微观结构示意图 ^[7]

参考文献

1. Esrafilzadeh, D., Zavabeti, A., Jalili, R., Atkin, P., Choi, J., Carey, B., Brkljača, R., O’Mullane, A., Dickey, M., Officer, D., MacFarlane, D., Daeneke, T. and Kalantar-Zadeh, K. (2019). Room temperature CO2 reduction to solid carbon species on liquid metals featuring atomically thin ceria interfaces. Nature Communications, 10(1).

2. Hamlin, J. (2019). Superconductivity near room temperature. Nature, 569(7757), pp.491-492.

3. Grigoryan, B., Paulsen, S., Corbett, D., Sazer, D., Fortin, C., Zaita, A., Greenfield, P., Calafat, N., Gounley, J., Ta, A., Johansson, F., Randles, A., Rosenkrantz, J., Louis-Rosenberg, J., Galie, P., Stevens, K. and Miller, J. (2019). Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels. Science, 364(6439), pp.458-464.

4. Cui, K. and Wardle, B. (2019). Breakdown of Native Oxide Enables Multifunctional, Free-Form Carbon Nanotube–Metal Hierarchical Architectures. ACS Applied Materials & Interfaces, 11(38), pp.35212-35220.

5. Wordsworth, R., Kerber, L. and Cockell, C. (2019). Enabling Martian habitability with silica aerogel via the solid-state greenhouse effect. Nature Astronomy, 3(10), pp.898-903.

6. Avery, P., Wang, X., Oses, C., Gossett, E., Proserpio, D., Toher, C., Curtarolo, S. and Zurek, E. (2019). Predicting superhard materials via a machine learning informed evolutionary structure search. npj Computational Materials, 5(1).

7. Yamauchi, Y., Tenjimbayashi, M., Samitsu, S. and Naito, M. (2019). Durable and Flexible Superhydrophobic Materials: Abrasion/Scratching/Slicing/Droplet Impacting/Bending/Twisting-Tolerant Composite with Porcupinefish-Like Structure. ACS Applied Materials & Interfaces, 11(35), pp.32381-32389.

本文由元同学供稿。

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