日月功能世界裁——2017材料領域年度盤點
風雲變幻人材料，
日月功能世界裁。
——AI詩一首
同一些科研成果接近應用端、市場飛速發展的領域相比，材料領域更靠近創新鏈和產業鏈的上游，更強調循序漸進和長期積累的研究過程，能夠高度吸引眼球的突破性進展可遇而不可求。在過去的2017年，材料領域的廣大科研人員以紮實穩重的研究工作在各個不同方向上不斷積蓄創新能量，醞釀著可能到來的足以改變世界的革命性成果。
一
二維材料研究大範圍展開
自石墨烯發現以來，將顯示屏、集成電路、太陽能電池等一切電子產品二維化的科幻想像立刻成為可期待的未來景象。二維材料的研究也迅速成為廣大材料學家的研究熱點。2017年，美國西北大學、明尼蘇達大學、瑞士洛桑聯邦理工學院、南洋理工大學、清華大學、中科大、浙江大學等眾多國內外研究機構不斷拓展二維材料研究的邊界。砷烯、銻烯、鉍烯、過渡金屬硫化物、過渡金屬碳化物等更多的二維材料在實驗室中被發現。各種不同二維材料也開始被嘗試用於太陽能電池、液晶、光催化、儲能、光電探測、發光、催化等多個應用領域。同時對不同材料背後的合成、表徵、缺陷等普遍性科學規律的總結也取得了大量的進展。儘管並沒有類似於石墨烯一樣震驚世界的效果，但2017年二維材料領域研究的廣泛開展勢必為其未來的實際應用打下堅實基礎。
二
電池材料性能不斷改進
2017年，汽車的清潔化步伐驟然加快，也大大帶動了電池產業的發展。電池技術的發展在根本上還是依賴材料科學的發展。作為材料領域裡長期以來的研究重點，電池材料也在去年取得了諸多進展。賓夕法尼亞大學的研究團隊發明了用有機硫化物/有機聚硫化物作為塑化劑的新方法，提高了實現了鋰硫電池的長期循環穩定性。清華大學、美國阿貢國家實驗室和美國麻省理工學院的聯合研究小組開發了一系列鈦酸鋰水合物，實現了鋰離子電池的超長循環壽命和高倍率性能。斯坦福大學的研究團隊發明了一種鋰硅合金/石墨烯箔片負極材料，可與硫正極組裝成高效、穩定、壽命長的新型電池。韓國科學技術院的研究團隊發明了一種高彈性粘結劑，形成「分子滑輪」，極大地提高了硅負極在充放電過程中的穩定性。這些成果都在一點一滴的改進電池產品的性能，最終實現未來社會對能源瓶頸的突破。
三
碳材料深入發展
石墨烯、碳納米管等「明星材料」長期以來受到廣泛關注，在各種暢想中被廣泛用於各大領域併產生了顛覆性的影響。但對其實際應用的研究卻一直處於進行時。2017年，以華為為代表的多個終端廠商推出了配備石墨烯電池的電子產品，其中石墨烯主要在電池電極中少量添加並改善了一定的充電速度。查爾姆斯理工大學基於石墨烯製備出了柔性太赫茲檢測器。曼徹斯特大學、上海應物所等多個機構都嘗試精確控制石墨烯膜的層間距以及孔徑大小，從而大大提高海水凈化甚至重水提取等過濾、提取過程的效率。柏林自由大學的團隊製備出導電、可水處理且具有生物活性的石墨烯納米油墨，具有生物醫學方面的潛在應用。此外石墨烯還被嘗試用於防腐塗料、吸附材料、輪胎強化等諸多方面。
四
自修復材料多方向發展
荷蘭的微生物學家另闢蹊徑，跨領域創新，將一種超強生命力的芽孢桿菌與作為營養來源的乳酸鈣混入混凝土中形成了自愈混凝土。完好的混凝土中的細菌處於休眠狀態。一旦建築開裂，接觸到氧氣和水的細菌就能夠通過新陳代謝將乳酸鈣轉化為碳酸鈣，修補裂縫。合肥工業大學科研團隊設計出一種納米複合水凝膠，能在近紅外光誘導下在1分鐘內實現96%的自修復。這一材料同時還具有可注射性能及生物相容性，可用於抗癌藥物載體等醫學應用。四川大學同哈佛大學的聯合科研團隊則製造出一種透明、堅韌、可以「自愈」的橡膠，如用於汽車輪胎則可以進行自動修復，極大提行車安全。
五
金屬材料的老樹新枝
鋼鐵材料通常被認為是一個已經充分發展的「土」方向，很難再產生關鍵性的成果。北科大的科研團隊設計並製備出強度最高達2.2GPa、還具有很好的塑性（大約8.2%）的超高強馬氏體時效鋼。兼具這兩方面性能的鋼材是推動汽車輕量化及節能減排的重要材料。同時由於使用廉價的鋁代替了昂貴的鈷、鈦等合金元素，這一發明還大幅降低了鋼材的成本。這一成果也在2017年刊登於《Nature》雜誌。香港城市大學則研發出了雙相納米晶結構的鎂合金薄膜材料，其3.3GPa的強度已經接近了理論強度。這一技術可以大大拓展鎂合金在醫療植入、消費電子、航空、汽車等領域的應用。美國波音公司則在金屬材料結構上下功夫，研發出的微格金屬是一種極輕的蜂窩多孔金屬材料，99.99%的體積都是空氣，表觀密度僅為0.9g/cm3。這一材料在壓縮50%之後還能夠完全恢復，具有極強的高能量吸收能力，在聲學、防振和衝擊能量抑制方面具有獨特效果，可用於電池、催化劑、航空航天等多個領域，甚至有望降低航天器40%的重量。
六
醫用材料穩健發展
醫用材料是材料領域中附加值最高的方向之一。澳大利亞耳科學研究所同迪肯大學未來纖維中心合作，發明出了基於蠶絲的耳膜修補材料，能夠支持患者自身耳膜的生長，比目前移植患者自身組織並縫合修補的常規做法效果更好。烏克蘭的研究機構研發出了全新鈦基(Ti-Si-Nb)生物相容性合金，比當前主流的骨科金屬材料性能提高了5%至20%。
七
金屬氫研究撲朔迷離
2017年初，哈佛大學科學家宣布成功將氫氣壓縮製成固態、可導電的「金屬氫」，率先達成了全球多個團隊多年以來的研究目標。金屬氫的能量密度是TNT炸藥的約50倍，同時還在290k（16.85℃）的高溫下顯示出了超導現象。此前，金屬氫被認為在木星等大天體的內核中存在，地球內是不存在的。人工合成金屬氫一直是高壓物理學界的至高目標之一。然而不久之後研究團隊又宣布由於操作失誤導致金屬氫消失。這招致了學界的廣泛質疑。中科院合肥物質科學研究院團隊宣布無法重複哈佛大學的實驗結果，並在《Science》上發表了相關研究。哈佛大學團隊在當時表示了反對，但直到目前仍未給出新的證據或結論。人工合成金屬氫似乎真的只是一場烏龍？
八
多功能聚合物
通常的功能材料能夠對某一種特定的環境變化做出響應。例如光電材料能夠隨著光的變化而發生電學性能的改變。2017年，清華大學的研究團隊設計出一種智能響應性高分子材料，集成了六種（熱、電、光、pH、金屬離子與氧化還原劑）響應模式。這種材料兼具自修復、智能響應、形狀記憶等多種功能，堪稱「多功能材料之王」。
九
新型相變材料鈧銻碲合金
西安交通科研團隊發明的鈧銻碲合金是一種新型相變材料，通過對晶核孕育過程的加速突破了以往的相變存儲速度極限，用於存儲領域則可大幅加快寫入操作速度。與目前業內最優秀的相變器件相比，鈧銻碲器件的操作速度提升超過10多倍，達到了0.7納秒的高速可逆操作，並且降低操作功耗近10倍。這為我國通用存儲器技術的自主化突破以及新一代存儲元件的發明奠定了基礎。
十
3000℃級別超高溫陶瓷
超高溫陶瓷通常是指能在2000℃以上有氧氣氣氛的苛刻環境條件下仍然照常使用的耐熱陶瓷材料。2017年中南大學團隊開發了一種能耐3000℃燒蝕的新型Zr-Ti-C-B陶瓷塗層改性的炭/炭複合材料。這一成果可用於航空設備、新型導彈、高超聲速飛行器的研發。
作者：沈應龍，上海市科學學研究所產業創新研究室助理研究員；黃善光，上海市科學學研究所產業創新研究室助理研究員。題詩為團隊研究結合人工智慧形成。文中圖片除註明外均來自網路。文章觀點不代表主辦機構立場。文章觀點不代表主辦機構立場。
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