2019年那些令人耳目一新的研究成果

隨著材料科學的發展，新材料的研發已經成為國民經濟和其他科學領域發展的重要組成部分。其創新成果對國民經濟，國防及其他高科技產業有著重要的支撐作用。這一年，各國的科學家們又讓這一傳統學科的腳步再次向前邁進。在這篇文章中，我們總結了2019年中具有突破性的材料學研究成果，為正在或有志在材料和相關領域研究的科學家們提供參考，也在此紀念不平凡的2019年。

1. 室溫下二氧化碳氣體變“電池“

碳排放對于維持未來地球氣候和大氣環境穩定一直起著至關重要的作用。二氧化碳的氣體形態給這一溫室氣體的長期封存帶來了困難。盡管已有科學家們專注于將二氧化碳氣體還原成高附加值產品，例如化學燃料，但是這些方法無法實現永久性的碳捕捉（因為合成的燃料最終只能用于燃燒）。

來自澳大利亞新南威爾士大學的Kourosh Kalantar-Zadeh、墨爾本皇家理工大學的Torben Daeneke和新南威爾士大學的Dorna Esrafilzadeh研發了一種液態金屬電催化劑，可以實現在室溫下將氣態的二氧化碳直接轉化為含碳固體，并進而得以將產物制成超級電容器。這一液態金屬催化劑基于無毒的鎵合金，能防止結焦，防止催化劑活性下降。其最終產物超級電容器則有望成為輕量級電池材料。值得注意的是，研究人員指出，此前的碳納米材料制備方法通常需要幾百攝氏度的溫度，而他們研發的技術可以有效降低二氧化碳轉化的高耗能需求。

圖1?催化過程示意圖?^[1]

2. 超導材料最高臨界值溫度刷新

超導材料由于具有無損耗傳輸電能的優秀特質，但是其應用卻因為極為苛刻的低溫環境一直受到限制。實現室溫或較高溫度超導一直是科學家研究的重要目標。在今年五月，來自德國馬克斯普朗克化學研究所的Drozdov等人在Nature上發表其研究成果，證實了氫化鑭在受到地球大氣一百萬倍的壓力壓縮時，可以在250K條件下實現超導，這一溫度高于目前所有已知的超導溫度。

文章作者最早在2014年發現硫化氫在二百萬倍大氣壓環境下于200K左右的溫度實現超導。氫化鑭和硫化氫的共性在于他們富含氫元素，并且只在約一百萬倍大氣壓條件下的高壓環境才會發生超導。在這種環境下，化學鍵會發生大幅度的改變，形成其他條件下不穩定的結構。對于氫化鑭來說，高壓環境可以讓一種化合物LaH₁₀的結構變得穩定，它含有的氫比常壓下能達到的比例更高。Drozdov等人使用金剛石對頂砧實現了這種高壓環境，并驗證了材料零電阻和有磁場的時候臨界溫度會降低的超導特性，證明了氫化鑭的高溫超導性。

圖2?Drozdov研究小組創造的高壓環境示意圖 ^[2]

3. 3D打印會“呼吸”的人造器官

實體器官由于復雜的血管網絡發生互相糾纏，形成了復雜的三維傳輸方式，使得科學家對其研究非常困難。來自美國萊斯大學和華盛頓大學的研究團隊主導了一項具有里程碑意義的研究，即利用3D打印技術制造肺氣囊模型。該模型具有與人體血管和氣管結構相同的網絡結構，并能夠像肺部一樣朝周圍的血管輸送氧氣，完成“呼吸”過程，其成果于五月發表于Science雜志封面。

研究人員表示，這項技術的一大困難在于在制造組織替代品時，無法打印那些為組織輸送營養的血管。為了解決這一問題，研究團隊使用電腦設計，將復雜的三維結構分解為多層二維打印的藍圖，接著，使用一種液體的水凝膠依照藍圖分層打印，并通過特殊的光線逐層固話。在一層一層的堆積打印后，形成三維的凝膠結構。在測試過程中，研究人員發現當紅細胞從這一系統中流過時，能夠有效地從呼吸的“肺部”獲取氧氣，這與肺泡的氧氣交換過程一致，為人工制造健康組織技術發展做出了巨大的貢獻。

圖3?3D打印制得的人工“肺泡”與周圍血管 ^[3]

4. 世界上最黑的材料

科學家們試著將碳納米管結構整合到基底表面，使得材料得以獲得功能性上的提升。然而，金屬基底上的氧化物鈍化層常常表現出的電子和聲子傳輸阻礙作用，大大限制了碳納米管的運用。常規碳納米管的整合思路包括轉移/粘合和直接合成法。然而，上述方法或會造成基底表面的缺陷，降低材料的物理和化學性能，或因為需要較高的加工溫度和條件，導致過程過于復雜和高昂的成本。來自上海交通大學的崔可航教授研究組提出了一種適用于鋁基底的可擴展的表面活化技術可實現鈍化膜的分解和碳納米管在金屬表面的直接合成。過程中，表面活化過程起到了去除氧化層和產生納米結構表面使催化劑負載量增高的作用。試驗結果顯示，碳納米管和金屬基底的結構促進了介電自由能載流子傳輸路徑并阻止了氧化鈍化層的重整。相較于沒有表面活化的金屬基底，該材料的界面電阻僅為前者的1/5。該技術可用于制造納米結構表面并進而用于各種催化應用。值得一提的是，該研究組整合碳納米管得到的材料從各個角度吸收的入射光都大于99.995%，盡管他們最初的目的并非制造一種極黑的材料。

圖4?溶液中表面活化流程示意圖及表面結構變化示意圖^[4]

5. 火星生存成為可能

目前，火星表面的低溫和高紫外輻射是限制其無法讓生物生存的重要原因。盡管有科學家提出一些火星表面變更的方案使得其可以變得適合人類居住，但是都涉及到了大規模的環境改造，遠遠超出了人類的能力。哈佛大學的Robin Wordsworth教授和他的團隊提出了一種利用溫室效應使火星表面的廣闊區域變得適合于光合作用的方法。他們通過實驗和建模證明，在火星環境條件下，厚度為2-3cm的二氧化硅氣凝膠層將同時透射足夠的可見光以進行光合作用，阻擋有害的紫外線輻射，并升高其下方的溫度，無需任何內部熱源。因此，科學家們設想，如果將二氧化硅氣凝膠防護罩放置在火星表面上冰層足夠豐富的區域，可以使需要光合作用的生命在那里存活下來且不需要過多的后續干預。這一方法比大規模的改變大氣要容易的多。

圖5 火星溫室效應概念示意圖 ^[5]

6. 比鉆石還硬的材料

超硬材料在各種領域和應用中都有著重要的作用，包括切割，拋光，研磨劑或者涂料。通常，超硬材料由B,C,N或O組成，它們可以形成短而強的共價鍵。在大多數人的印象中，鉆石一直是超硬材料的標桿，并被廣泛運用。來自紐約州立大學的Eva?Zurek教授和她的團隊運用計算預測的方法設計了一種硬度更高的材料。AFLOW-AEL的第一原理和對ALFOW所含材料的機器學習結果均顯示維氏硬度與三個宏觀硬度模量具有一致性關系。實驗小組通過XTALOPT演化算法實現超硬材料的預測，將每個晶體最小化到最接近的局部最小值，并通過剪切模量的線性關系計算維氏硬度和能量/焓確定結構的適用性。分析結果顯示出新的超硬相，其硬度略微大于金剛石，其結構包含有一部分的金剛石和一部分的隆斯達石。

圖6?部分預測出的具有超硬相的結構示意圖 ^[6]

7. 仿生耐久性超疏水復合材料

具有納米紋理表面的超疏水材料具有自清潔，防污，防冰，防腐蝕等運用。但是，同樣是受限于其結構，這種材料容易碎且易變和損壞。日本國家實驗室的Yoshihiro受到鲀魚的啟發，使用微米級的四腳形ZnO和聚二甲基硅氧烷開發了具有鲀魚狀結構的柔性材料，并檢測了其關于磨損，刮擦，切片，彎曲和耐扭曲等形變狀況下的耐久性。試驗結果顯示，該材料在1000次磨損和1000次彎曲循環后依舊表現出穩定的疏水性。材料即使在彎曲和扭曲狀態下，也具有超疏水性。 這一研究成果有利于該材料被廣泛運用到各種應用中。

圖7?鲀魚表面結構和該材料微觀結構示意圖 ^[7]

參考文獻

1. Esrafilzadeh, D., Zavabeti, A., Jalili, R., Atkin, P., Choi, J., Carey, B., Brkljac?a, 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.

本文由元同學供稿。

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