世界科技进展之先进材料2016

来源:中国科协创新战略研究院《创新研究报告》

第25期（总第151期）2017-04-05

编者按：随着高科技的发展，材料科学的交叉融合不断催生新的技术，给高技术和新兴产业带来新的生机。2016年，碳纤维、铍铝合金、新型陶瓷等关键材料不断突破技术瓶颈，性能大幅提高；镓液态金属合金、超材料、石墨烯等前沿材料技术也加速原理验证和应用研究步伐，快速走向工程应用。中国科协创新战略研究院组织课题组对2016年先进材料、前沿基础交叉、新型能源、生命科学、新一代信息技术等领域的科技进展进行了系统梳理，并邀请中国材料研究学会、中国电子学会、生命科学学会联合体、中国机械工程学会、中国农学会、中国环境科学学会、中国宇航学会等有关学会及学会联合体专家进行咨询完善，联合发布系列报告，本报告主要介绍的是先进材料领域的科技进展。

第一部分　新型功能材料

一、新型动力电池材料

2016年，美国能源部太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的Yuyan Shao 和Jun Liu等人，深入研究了可充电锌锰电池循环稳定性差的原因，并提出了最终解决方案，即：通过提高初始电解质中的锰离子浓度来抑制正极中锰的溶出，控制好锌锰储能系统内部的化学平衡。他们在Nature Energy 上报道的新型锌锰电池的充放电稳定性大幅提高，5000 个循环后电池容量仅损失8%。这种低成本、无毒、高性能电池的产业化将在大规模能量存储中的广泛运用。

二、核电关键材料

2016年7月，南京航空航天大学顾冬冬教授课题组利用数值模拟技术，开发介观尺度模型，研究了镍基高温合金在3D 打印成形过程中的热力学行为及孔隙运动规律，并揭示了镍基高温合金构建的致密机理。结果表明，热力学行为对孔隙运动影响较大：当激光能量密度逐渐增加至221.5J/m，马兰戈尼对流逐渐增强，熔池中残留的孔隙逐渐减小，构件致密度逐渐提高至98%以上，而激光能量密度进一步增加，熔池内部产生的涡流易于捕获孔隙，造成熔池中残留较多的孔隙，导致构件致密度大幅下降。此外，该介观模型及孔隙运动特性研究方法可为提高3D 打印合金构件的致密化提供一种有效的解决途径。该研究成果在Science Bulletin 2016 年第13 期发表封面文章。

三、钙钛矿光伏材料

2016年7月，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的Aditya D.Mohite 课题组制备了一种接近单晶的二维钙钛矿薄膜。其无机钙钛矿成分的晶面相对于平面太阳能电池中的触点进行面外取向排列，有利于电荷传输，避免了之前二维钙钛矿的缺陷。未包封的二维钙钛矿器件，其光电转换效率能够在持续光照2250 小时后仍保持在初始值的60% 以上，而且能耐受65% 的相对湿度，这些性能都大大超过了三维钙钛矿电池器件。当器件进行包封后，在连续光照或者潮湿环境中，效率没有出现明显降低。这项研究发表在Nature 学术期刊上。

2016年9月，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的Michael Gr?tzel 教授课题组获得了高效稳定的钙钛矿太阳电池，他们将Rb 离子嵌入钙钛矿中形成多阳离子（RbCsMAFA，其中Rb 含量为5%）的钙钛矿材料，基于该材料的太阳电池其开路电压可达1.24V，电池效率高达21.6%。平面结构钙钛矿电池具有制备工艺简单、低温制备且与柔性器件制备工艺兼容等优势，是钙钛矿太阳电池未来的发展方向。相关结果发表在Science 期刊上。

2016年11月，中国科学院半导体研究所的科研人员在Nature Energy 期刊上报道了他们的最新成果。该团队将SnO₂作为电子传输材料，将SnO₂纳米颗粒溶液旋涂于ITO 玻璃基底上，ITO/SnO₂/(FAPbI₃)_x(MAPbBr₃)_1-x/Spiro-OMeTAD/Au结构的钙钛矿太阳能电池，获得的认证效率为19.9±0.6%，这也是目前平面结构钙钛矿电池的最高效率。

2016 年6 月， 洛桑联邦理工学院（EPFL） 的Michael Gr?tzel 教授课题组发现一种简单的真空闪蒸溶液处理法（vacuum-flash solution processing,VASP），成功制备了一块采光面积（aperture area）超过1 平方厘米的钙钛矿太阳能电池，其最高能量转换效率为20.5%，认证效率为19.6%。这一数值远超之前同等大小的钙钛矿太阳能电池15.6% 的转换率。

2016 年，美国斯坦福大学材料科学与工程学院教授迈克尔· 麦吉和英国牛津大学物理学亨利· 斯奈思教授利用锡混合铅、铯、碘等其他几种常用物质，制造出新型钙钛矿材料。钙钛矿材料与目前晶硅太阳能电池材料单相比，更薄、柔性更好，造价成本低。钙钛矿太阳能电池在可制造性和稳定性得到有效解决后，将为光伏产业带来变革。这一研究成果发表在新一期Science 期刊上。

四、新型显示材料

2016 年2 月，康纳尔大学的Chen Peng 教授利用单分子荧光技术直接将荧光分子前躯体作为反应物，通过控制电极电势，在纳米尺度上将催化剂的氧化（空穴参与）与还原反应（电子参与）的位置成像出来。该研究将光电阳极表面光生电子—空穴对的空间分辨率推进到了～30nm 的层次，而且利用聚焦激光束以及荧光分子作为探针，获得了表面不同位置处的光电效率，打开了理性设计光催化剂体系的大门。单分子荧光技术在多相催化中的另一个巨大威力：在纳米尺度上，直接显示光催化剂催化活性位。该研究成果发表在Nature 杂志上。

五、新型半导体材料

2016 年，先进半导体材料的应用研究继续取得突破性进展，其潜力和价值不断展现。11 月下旬，曼彻斯特大学和诺丁汉大学的研究人员已成功制成只有几原子厚的硒化铟(InSe)材料。它拥有比石墨烯更好的半导体属性，研究作者之一, 石墨烯研究诺贝尔物理学奖获得者安德烈·海姆认为它将是未来制作电子芯片的理想材料。这项研究发表在学术期刊Nature Nanotechnology 上。

六、信息技术材料

2016年10月，美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究员利用碳纳米管和二硫化钼两种新材料开发出1nm、全球最小的晶体管，打破原有物理极限的桎梏。1nm 的晶体管大小可能只是几个原子的大小，由中空结构、管壁厚度为一个碳原子的纳米碳管构成负责控制逻辑门中电子流动方向的栅极。通过采用新型半导体材料和适当的器件结构，在一段时间内摩尔定律将继续适用。相关研究发表在Science 期刊上。

2016年5月，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员开发出一种通过功能化石墨烯纳米薄片高效冷却电子器件的技术，对未来超高效电子系统开发过程中电子和光电子散热的问题得到改善。这项技术将有助于开发出更小更节能的电子信息装备。相关研究成果发表在Nature Communications 杂志上。

2016年7月，荷兰代尔夫特理工大学的一个研究团队使用扫描式隧道显微镜（STM）实现了“原子级”的存储器，把存储空间缩小到了极限，成果研制出单原子存储芯片。新研究的存储密度高达500Tbpsi（兆兆比特/ 平方英寸），是目前世界上最好硬盘技术的500 倍，该技术可能会极大地推动计算机尤其是数据存储器的发展。相关工作发表在《自然· 纳米技术》上。

2016 年10 月，爱尔兰都柏林三一学院材料科学研究中心（AMBER）研究人员和曼彻斯特大学的Robert Young 教授合作将石墨烯和聚硅氧烷（俗称橡皮泥）混合，得到了一种导电性非常好的高灵敏传感器。研究员们发现注入石墨烯的橡皮泥（G-putty）的电阻对极其轻微的变形或冲击非常敏感。该研究未来可能为医学和其他领域提供新型、廉价的诊断设备，相关实验成果已经发表在Science 期刊上。

2016年3月， 英国伦敦大学学院(University College London) 研究人员携手来自英国谢菲尔德大学(The University of Sheffield) 及英国卡迪夫大学(Cardiff University) 的科研团队在硅光电子领域取得突破性进展：该研究团队在国际上首次直接在硅衬底上利用分子束外延技术生长III-V 族量子点激光器的方法，将高性能III-V 族通信波段激光器集成到硅衬底上，实现了可实用高性能硅激光器，打破了硅基光电子领域30 多年来没有可实用硅基光源的瓶颈。该硅激光器工作于1310纳米通信波段，其预计使用寿命超过10 万个小时。这一突破性进展为未来大规模硅基光电子集成找到了新的方向。

2016年4月，美国劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家利用光学晶格中的超冷原子与超材料成功构建出具有新奇属性的一维“量子超材料”，将提高探针原子释放光子的速度，相关研究成果发表在Physical Review Letters 期刊上。这种新型的量子超材料，不仅可以快速释放光子，而且保证了光子在原子间以低损耗形式传输，实现量子计算和信息处理的新突破和新发展。

2016年5月，美国能源部阿贡国家实验室、北伊利诺伊大学、伊利诺大学芝加哥分校和诺特丹大学的研究人员们首次成功制造出一种被称之为“可擦写磁荷冰（rewritable magnetic charge ice）”的新材料，研究人员利用一种双轴矢量磁铁，精准而轻松地将磁荷冰调成8种可能组合中的任一种。磁力显微镜证明，这种磁荷冰材料在室温下具有书写、读取和擦除多种功能。另外，还利用专门发开的图形技术，把单词“ICE”写在了这种材料上，所占空间比头发直径还小10 倍。

七、生物医用材料

2016年11月，加州理工学院（Caltech）研究者首次证实了生物体也能够合成硅—碳键（silicon-carbon）。研究者利用定向进化（directed evolution）的方法对细菌蛋白质进行基因突变“培育”，挑选出最优蛋白作为酶催化合成硅—碳键，该重大发现将主要应用于半导体、计算机和制造业等多个行业。该研究成果发表于顶级期刊Science，该项研究首席研究员弗朗西斯· 阿诺德（Frances Arnold）表示，目前自然界也能适应并将硅元素吸收纳入作为生命基石的碳基分子，并且大大提高了效率。

2016年2月，美国科学家在生物医学领域又有了新的突破。美国维克森林大学（Wake Forest University）再生医学研究所的科学家开发了一款“集成型组织—器官打印机”。这项技术突破了传统生物3D打印机打印尺寸和强度的局限，可以打印大尺寸且结构稳定的“活”组织。科学家目前已成功打印出耳朵、下颌骨、颅骨和肌肉组织，距离打印出真正的人体组织乃至器官又迈进了一大步。相关工作发表在第34 期Nature Biotechnology 期刊上。

2016 年11 月，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）神经科学家Grégoire Courtine 开发了一款名为“脑脊柱接口”的神经假体界面，帮助脊髓损伤的猴子重建大脑和脊髓之间的连接，重新获得了对腿部肌肉的神经控制，让腿部瘫痪的猴子能够重新站立行走。这是人类首次通过神经科技恢复脊髓损伤的灵长类动物的运动功能。科研人员在猴子控制腿部运动的大脑皮层区域植入微电极阵列检测大脑皮质神经元脉冲活动，并将相关神经信号解码并无线传输到一个植入式脉冲生成器。相关研究发表在第539 期Nature 期刊上。

2016 年8 月，中国科学技术大学俞书宏教授课题组首次通过模拟软体动物体内珍珠层的生长方式和控制过程，提出一种新的介观尺度的“组装与矿化”（assembly-and-mineralization）方法，成功制备出毫米级厚度的仿生珍珠层结构块状材料。研究员们为了模拟贝壳珍珠层的多层“砖泥”结构，首次通过冷冻诱导的组装过程构建了多层状结构的壳聚糖框架，再通过乙酰化将壳聚糖转化为稳定的β- 几丁质，作为生物矿化有机模板。随后，通过蠕动泵向该有机模板内不断泵入碳酸氢钙溶液进行矿化。矿化后的材料经过丝素蛋白溶液浸润和热压处理后即得到仿生珍珠层。该研究成果发表在Science 期刊上。

第二部分 先进结构材料

八、仿生结构复合材料

2016年11月，麻省理工学院机械工程系教授伊恩· 亨特（Ian Hunter）、博士生赛义德（Seyed Mirvakili）等，研发出一种迄今为止最简单、成本最低的“人工肌肉”复合材料系统，这种材料模拟了天然肌肉组织表现出的一些弯曲运动特性，其关键成分不仅便宜并且十分常见—即普通的尼龙纤维，采用特殊的成形和加热工艺进行制备和处理，使其具备模拟天然肌肉组织弯曲运动特性的功能。人工肌肉（artificial muscles）是一种收缩和伸展特性类似于人体肌肉纤维的材料，在机器人、汽车和航空制造等领域有广阔应用前景。该研究结果发表于国际期刊《先进材料》（Advanced Materials ）。

九、高端装备用特种合金

2016 年6 月，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）在镁蒸气冷凝实验研究方面取得了重大突破。在碳热还原镁冶炼过程中，氧化镁与碳反应生成镁蒸汽与二氧化碳、一氧化碳等。通常的分离措施将导致镁蒸汽与二氧化碳或一氧化碳的再次氧化反应，无法获得纯净的初生原镁。澳大利亚CSIRO 的研究人员使镁蒸气在拉法尔喷嘴喷射的超音速气体的作用下迅速冷却，使镁蒸汽有效分离，且冷凝所得的镁粉不发生爆炸。这项新的冶炼技术被称作“镁音速”MagSonic。“超音速喷嘴”是一个类似火箭发动机喷嘴的装置，可使热还原产物镁蒸汽和一氧化碳以4倍于音速的毫秒级速度通过其中，令镁蒸汽瞬间凝结、固化成为镁金属。

2016年7月， 日本东北大学的Daisuke Ando 和Yuji Sutou 等人发现Mg-Sc 原子比在4:1 左右时能够形成形状记忆合金，而该合金的密度仅为2g/cm³左右，远远小于已有材料。这种轻质镁钪形状记忆合金在对重量控制严苛的领域存在着巨大的应用潜力。X射线衍射（X-Ray Diffraction，XRD）发现，Mg-20.5at%Sc 这种合金在热处理并降温后有着与普通镁基金属的六方密堆积不同的体心立方结构（bcc），同时伴随少量的六方密堆积相（hcp）。研究员在不同温度下对样品进行应力应变测试，发现在-150℃时，样品可以在卸力后恢复原始的形状，且最大超弹性应变达到了4.4%，可与β 相Ti- 基形状记忆合金媲美。这种合金的质量比以往的形状记忆合金轻70％左右，有望应用于航空航天等要求轻量化的工业产品领域以及扩张支架等医疗器具。该项研究发表在Science 期刊上。

十、高温合金材料

2016 年11 月17 日，美国代顿空军研究实验室与凯斯西储大学联合开发出一种受壁虎脚启发的新型干性仿生粘结材料，可在极端温度下保持超强粘结特性，甚至在温度越高时粘结越牢固。研究人员将这种由碳纳米管组成的粘结材料制成双面胶带，无论在液氮低温环境还是在熔融的金属银中，胶带粘结性能都不会下降。这种碳纳米管新型粘结材料在-196℃下保持粘附力，在418℃时粘附力是常温的2 倍，而在1033℃下达到6 倍。这种新型粘结材料在温度变化达数百摄氏度的太空环境中具有巨大的应用前景。该研究成果发表于《自然通讯》期刊。

十一、先进复合材料

2016年11月，美国麻省理工学院和美国国家航空与航天局强强联合，研究员们开发出一种新型可变形的超轻复合材料机翼—利用小型、轻量的模块化结构组装而成，可实现机翼整体平滑变形，不但能提升机翼空气动力学性能，还大大降低了燃料的消耗成本，同时提升了整机飞行的敏捷性，其重量是传统机翼的十分之一。该研究成果发表于国际杂志Soft Robotics 上。

2016年5月，全球碳纤维垄断企业—日本东丽推出新的超高强碳纤维品种T2000，抗拉强度达到60GPa，是T1000 级碳纤维强度的10 倍。有研究表明碳纤维理论强度为180GPa，目前工业化的T1000 碳纤维的强度有6.37GPa。也仅仅不到理论强度的4%。而T2000 碳纤维达到理论值的33%。这种新型超高强碳纤维将大幅提升碳纤维复合材料的性能，或引发航空航天技术颠覆性的跨越。

第三部分　前沿新材料

十二、石墨烯材料技术

2016 年2 月，石墨烯的应用研究继续取得突破性进展，其潜力和价值不断展现。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和加州大学Santa Cruz 分校研究人员合作，通过在气凝胶电极石墨层间加入锂离子和高氯酸根离子，发明了一种使3D 打印石墨烯超级电容器性能提高1 倍的方法。其3D 打印过程也称为直接打印和石墨烯氧化物复合打印。该研究结果发表在《纳米快报》杂志上。

2016 年1 月，英国曼彻斯特大学的科学家使用石墨烯等离子体的独特性能，开发了一款可调谐太赫兹激光器，改变了现有太赫兹激光器只能固定一个波长的限制。为了构建该激光器，该团队使用了石墨烯来取代原先使用的金属，他们将一系列不同厚度的量子铝砷化镓和砷化镓放置在基板上，然后将由黄金制成的波导覆盖在这些砷化镓上，在镀金层上放置一层石墨烯；而研究人员事先已经在镀金层上形成了一些狭缝以便于让电子通过，最后将高分子聚合物电解质覆盖该三明治结构，并通过悬臂对激光器进行调谐。该成果发表在Science 期刊。

2016 年， 美国宾夕法尼亚大学的Joan Redwing 教授和Joshua Robinson 科学家采用石墨烯封装方法，首次成功合成了氮化镓（GaN）二维材料，其具备的优异电子性能和强度将产生颠覆性应用效果；该大学科学家还基于双层石墨烯开发出电子流态控制设备，可能开辟电子学新的发展方向。该研究成果发表在Nature Materials 上。

十三、材料3D打印技术

3D 打印技术前沿又有新突破。2016 年2 月，美国堪萨斯州立大学(K-State) 的林栋博士等研究人员研发出一种新技术，可以制造出具有复杂微观结构的超轻石墨烯气凝胶。他们将石墨烯氧化物与水混合，并在- 25℃的低温环境下进行3D 打印。这样每打印出来的一层都会被冰冻住，然后在冰的支持下再打印下一层。在此基础上，研究者们能够创建出密度范围在0.5～10 毫克每立方厘米的气凝胶，而且具有良好的导电性和高压缩性。

十四、智能材料

2016年12月，加州大学河滨分校科学家汪超与同行联合开发的一种拥有智能化的自愈能力的透明、高延展性导离子材料。这种材料可赋予机器人发生机械故障后的自愈能力、延长电动汽车及锂离子电池使用寿命，以及改善医学和环境监控领域中生物传感器性能等，应用潜力广泛。新研究首次将自愈性材料与离子导体“合二为一”。自愈材料能自动修复使用造成的损耗、延长使用寿命并降低成本；而能让离子在其内流动的离子导体，在能源储存、太阳能转换、传感器和电子设备中扮演着重要角色。该研究成果发表在《先进材料》杂志上。

十五、纳米材料与器件

2016 年5 月13 日，厦门大学郑南峰教授团队利用光化学法在室温条件下制备出Pd 原子的稳定分散，该Pd 原子负载量高达1.5% 的稳定的原子级分散Pd₁/TiO₂催化剂。该催化剂催化氢化苯乙烯的TOF 是商业Pd/C 催化剂的9 倍。另外，研究人员还发现，由于这种独的活化氢气的路径，使得该单原子Pd₁/TiO₂催化剂催化氢化苯甲醛具有超高活性，其TOF 是商业Pd/C 催化剂的55 倍。研究员试图将C、N 和储量丰富的单原子Fe、Co 等相结合。该成果发表在Science 期刊上。

2016 年12 月16 日，美国加州大学伯克利分校以及加州理工学院的国际研究小组段镶锋教授、黄昱教授和William A.Goddard 教授课题组合作在此领域的突破。研究者发现带有锯齿结构的Pt 纳米线，在ORR 反应中实现了超高质量活性。高应力的、富菱形结构的表面是这种锯齿结构Pt 纳米线ORR 质量活性提高的重要原因。Pt 纳米颗粒为代表的电催化剂在燃料电池和水裂解等能源领域的重要性不言而喻。系统提升电催化剂催化活性的主要策略之一是调控金属纳米颗粒的电子结构。该成果发表在Science 期刊上。

2016 年6 月，德国基尔大学一研究团队成功试验发现了在不影响金属的机械稳定性以及改变金属特性的情况下，改善金属表面性能的方法。这种新方法从根本上来说，是通过电化学腐蚀的过程将金属最外层表面变得粗糙化，并将蚀刻深度严格控制在微米级别。通过这个“纳米雕刻”的过程，如铝、钛、锌等金属能够永久的与其他一些材料相粘结，从而使材料变得防水，或提高其生物相容性。这些性能卓越的“超级连接”结合物从工业金属加工到医药科技领域中都有应用前景。目前，该研究团队研究结果发表在皇家化学学会的权威杂志Nanoscale Horizon 上。

2016年6月，哈佛大学的研究团队利用高度约600纳米的二氧化钛“纳米砖”制造出超薄膜聚光镜片。此镜片放大倍数高达170倍，放大后的图像其分辨率能完全媲美常规的玻璃透镜。科学家们还通过这块纳米砖的不同排列，成功将通过的光“聚焦”。该研究成果发表在Science 期刊上。

2016年6月，中佛罗里达大学Ayman F.Abouraddy 教授课题组发现不同材质的脆芯会拉断形成长径比固定的均匀短棒。研究员们把脆性材料的细芯放进聚合物的包层中，制备成复合材料纤维，然后通过可控拉伸，聚合物纤维中的脆芯断裂成了尺寸一致的短棒。他们在多种材料中都重现了这一奇妙的现象。通过拉伸造成芯材的可控断裂，再将聚合物溶解，即可大规模的制备均匀的纳米棒，该法具有较强的工业化应用的前景。聚合物包括聚醚砜、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚砜等等热塑性聚合物，而脆芯包括硒化砷玻璃、硅、锗、金、聚苯乙烯等。该研究成果发表在Nature 杂志上。

2016年3月，基于TREASORES（有机光电设备的透电极的批量生产）项目，瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）专家Nüesch 结合来自9家企业、6个研究机构的技术开发出了可以像报纸一样卷对卷式生产的柔性照明箔片。这种柔性电极的三种基质—碳纳米管、金属纤维或银薄片或于今年商业化生产，将大幅度降低OLED生产和使用成本。在Fraunhofer FEP研究所，带有该项目标志的OLED 光源卷已经在银薄片上采用卷对卷技术制成。项目进一步的研究成果将着眼于探索新的方法来发展、检测、扩大生产透明屏蔽箔（防止氧气和水蒸气接触到有机电子设备的塑料薄层），这种屏蔽层能够有效延长电子设备的寿命。该研究发表在Science Daily 上。

参考文献（略）

作者：王达　高晓巍　曹学伟