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2012年世界科技发展回顾解读新材料

IT
来源: 作者: 2019-05-16 21:47:12

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美国

在无机非金属材料、金属材料、高分子材料和生物医用材料领域取得了多项成果。

田学科(本报驻美国)无机非金属材料领域:斯坦福和南加州大学开发出一种设计碳纳米管线路的新方法,首次生产出一种以碳纳米管为基础的全晶片数字电路。全部线路即使在许多纳米管发生扭曲偏向的情况下仍能工作,既不牺牲材料的能效,又能与现有制造装备兼容,易于商业化;莱斯大学研究人员开发出一种可将普通碳纤维制成石墨烯量子点的新方法,其最大优势在于只需一个步骤就能得到大量量子点。这种一步到位的技术比现有的石墨烯量子点研制工艺更加简化,所得到的量子点不足5纳米,具有高溶解性,大小可以通过设定制造时的温度来加以控制,在电子、光学和医学领域有巨大的运用潜力。另外,美科学家在巴基球中加入一种有机二甲苯溶剂进而制造出一种新的碳化合物,混合了晶体和非晶体两种结构,是一种“有序化的无序排列”,可谓“混沌”晶体,这种材料非常坚硬,乃至能在钻石上留下凹痕。

金属材料领域:俄勒冈大学发现可以用非晶体来制造“超材料”并实现负折射,进而研制出一种能以低成本生产负折射材料的新技术,并为该技术申请了专利,这1成果有望带来全新的产品甚至影响制造业。康奈尔大学利用氨基酸将金属原子和硅原子相连,在争取更大的表面面积进行化学反应的同时,使多孔金属薄膜的导电性提高1000倍,这1技术为制造多种可应用于工程和医学领域的金属纳米结构开启了大门。

麻省理工学院利用电子束光刻技术和剥离进程开发出无缺陷半导体纳米晶体薄膜,种材料的导电率约为传统方法制成的有裂缝薄膜的180倍,可广泛应用并开辟潜在的重点研究领域。西北大学和密歇根州立大学基于经常使用的半导体碲化铅,合作开发出一种稳定的环保型热电材料,热电品质因数(ZT)创下世界纪录,达到2.2,可将15%至20%的废(余)热转换成电力,成为迄今报告的最高效率。

触摸显示屏或太阳能电池板导电涂层透光性越强越好,美研究人员利用一种化学溶液制造出迄今透明度最高的氧化铟锡导电薄膜,厚度只有1460亿分之一米,可使93%的光透过,堪比玻璃。该技术简单、成本低廉,可曲折的基底使其在制造柔性显示屏方面也具有潜力。

高分子材料领域:西北大学等用名为聚二甲基硅氧烷的聚合物造出一种多孔三维高分子材料,再将液态金属灌入孔中,从而开发出了能够像橡皮筋一样延展拉伸的电子材料,就算被弯曲或拉伸到原始尺寸的200%也能够正常工作,其在医疗器械和消费电子设备制造等领域具有相当广泛的应用价值。

宾夕法尼亚大学研究人员展示了一种硒化镉纳米晶体,能被“印”或“涂”在柔软塑料上,制成多种性能优良的电子设备,且根据硒化镉纳米晶体的性能标准,其运载电子的速度比非晶体硅要快22倍。新型镉硒化纳米晶体电路结合了柔韧性、相对简单的制作工艺和低能耗的优点,为生物医学和安全应用领域的新型设备、各种传感器及其他方面的应用铺平了道路。

生物医用材料领域:匹兹堡大学和麻省理工学院研制出一种会自动收缩舒张的BZ凝胶,施加一定的机械压力后,原本不跳动的BZ凝胶可再次恢复跳动,就像医疗中的心肺复苏术那样。这类特性因很像人类皮肤而具有广泛的应用前景,有助于进一步研究能感知机械刺激和化学反应的先进材料。此外,美科学家开发出的一种新奇混合纳米纤维生物材料,可在整形外科手术中作为载荷支架或受伤组织补钉,既能为细胞提供足够宽松的生长空间,又能指示它们按肌理排列成新组织,利用该技术生长出的半月板组织,几近能与真正的人体半月板媲美。

美生物工程师开发出一种“聪明”水凝胶,可在几秒钟内凝固构成黏合剂的新型水凝胶,如尼龙搭扣般足以抵受反复拉伸,使一个切口或创面迅速“自修复”,即使反复多次,其焊接强度也不发生任何减弱。该材料可广泛应用于医学和工程领域,如医疗缝合、靶向给药、工业密封剂和自修复塑料等方面。

俄罗斯

开发出可降解P2P监管或将取消杠杆管理既定方向,第三方支付将被挤出市场
的聚乙烯包装材料、使钢材到达“无磨损效果”的锻造技术和具有生物相容性的新型骨粘固剂。

张浩(本报驻俄罗斯)3月,俄罗斯沃罗涅日技术学院开发出一种采取食品工业废料作为添加剂,生产可降解聚乙烯包装材料的工艺。利用该工艺制成的可降解聚乙烯包装材料硬度高,降解期短。普通聚乙烯材料需要超过300年才能降解,而这种新材料放置8个月后就会变脆,用手即可碾碎。

7月,俄罗斯莫斯科国立鲍曼工程学院、俄罗斯科学院布拉冈拉沃夫机械研究所和全俄航空材料研究院的多位专家宣布研制出了一种技术方法,可以将钢材锻造至接近无损的程度。这种技术可使钢制机械零部件的实际寿命延长10倍,磨损率降低100倍,有望在发动机喷嘴、凸轮轴、齿轮等机械装置上获得应用。

10月,俄罗斯科学院巴依科夫冶金和材料学研究所、俄罗斯国立沃罗涅日大学、莫斯科赫尔岑肿瘤科学研究所的科学家们宣布,他们成功研制出一种新型医用生物材料——骨粘固剂。该粘合剂是一种用于填充骨与植入物间隙或骨腔并具有自凝特性的生物材料,与纳米陶瓷材料具有生物相容性,可修复受伤骨组织并溶解到人体组织内,最大限度减少二次手术及术后并发症的概率。

英国

诺贝尔奖得主领头带动石墨烯研究不断出现新成果;富勒烯研究取得重大突破;世界最轻材料问世。

刘海英(本报驻英国)1月,因最早制作出石墨烯而获得2010年诺贝尔物理学奖的英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆利用氧化石墨烯制作出了一种新型隔气透水材料,该种材料可隔绝大多数液体和气体,但水蒸气可以畅通无阻透过它,因此具有广阔的应用前景;2月,另一位2010年诺贝尔奖获奖者,英国曼大的康斯坦丁·诺沃肖洛夫在《科学》杂志上撰文称,将一层二硫化钼置于两层石墨烯之间,形成的三明治结构石墨烯晶体管可有效减少电子泄漏,这一发现将以石墨烯为基础制造超快计算机的研发进程向前推进了一大步;10月,曼大研究人员研究表明,将石墨烯和氮化硼的单原子层晶体精确地堆叠起来,从而构建出一种“多层糕”式的结构,可作为纳米级的变压器。这一研究证明,将石墨烯及有关单原子厚度晶体以原子精度一层层地搭建平面,能够造出有多种功能的复杂设备。

除石墨烯外,英国科学家在新材料领域研发成果还包括:5月,富勒烯的研究取得了重大进展,英日两国科学家在《自然》杂志上发表文章称,他们对富勒烯结构构成进行解析取得了重大突破,揭开了存在于化学领域二十多年的未解之谜;7月,英德两国科学家们研制出了迄今为止全球最轻的材料“飞行石墨”,其密度仅为0.2毫克/立方厘米,这种材料性能稳定,具有良好的导电性、可延展性而且非常坚固,可广泛应用于电池、航空航天和电气屏蔽等领域。

德国

三个方面值得关注:1是稀土材料的循环利用与替换研究;二是与可再生能源存储和利用相干的材料研究;三是纳米的应用和安全性研究。

李山(本报驻德国)2012年,德国在高技术战略“电动汽车领域关键技术”专项的统筹下,开发稀土材料循环利用关键技术。如报废机电内永磁体部件的拆解、修复及循环使用技术,永磁体内稀土元素的回收技术,适应循环使用电机的设计技术,生产过程的经济与环境影响控制等。为提高能源和资源的利用率,液态金属研究也在德国受到更多重视。2012年,由亥姆霍兹德累斯顿研究中心牵头的液态金属研究同盟在德国成立。液态金属可用于新型液态金属电池储能、零排放氢生产、或是制造太阳能电池,因而被纳入未来技术的行列。

纳米研究方面,2012年,德国联邦环境部、德国联邦职业与健康安全研究所与巴斯夫研究所联合启动实施了《纳米材料安全性》长时间研究项目。目标就是要了解各类重要纳米材料可能对周边环境产生的长期影响,特别是在低剂量情况下对工作场所和居住环境的长期影响。

德国慕尼黑大学成功研制出“纳米耳”,可以探测到强度为-60分贝的声波,比人耳的灵敏度高几百万倍。这种“纳米耳”的主要部份是一个直径约60纳米的黄金纳米球,它在激光束的作用下处于悬浮状态,在受到微小声波的作用时会沿声波方向产生纳米级的振动,纳米黄金球的这种运动可以通过暗视场显微镜观察到并进行摄像记录,由此可以测定出微观世界极为微弱的声波。

德国慕尼黑工业大学的研究人员发明一种可回收利用的新型防辐射屏蔽材料。这种材料含有铁颗粒、石蜡油和硼化合物,看起来像湿的黑色砂子。与传统重混凝土相比,这种材料重量要轻20%,而且可重复使用。它填充在钢制容器中,置于实验终端以屏蔽辐射;若此处不再使用,可从容器中取出,异地再用。

法国

采用新技术从工业废水中滤出黄金;证明蛋白质中水化膜并不是不可替代。

李钊(本报驻法国)10月,法国巴黎一家名为MagpiePolymers的公司开始售卖一项类似于“炼金术”的专利技术,能从废水中过滤黄金。该技术实际上是一种从工业废水中提取贵金属的方法,即使是含量极微的稀有金属也能提取出来。提取工艺是利用一种微小的塑料树脂小珠,当废水通过这种小球泵出时,金、铂、钯、铑等稀有贵金属会慢慢地粘在珠子上,从水中分离出来。据称1升这种树脂能处理5—10立方米废水,提取价值3000—5000欧元的稀有金属。新技术除了提取微量贵金属,还能用来过滤水中的有害金属,如铅、汞、钴、铜和铀。

8月3日,法国国家科研中心发表公报称,一个国际研究小组证实,一种聚合物纳米膜具有和水化膜涉足车联网,中兴“由硬到软”野心何在?
类似的特性,能够维持蛋白质活性。这种纳米膜的作用将为工业、药理学和医学等领域开启新的研究方向。

日本

开发出能从饮用水中去除砷的廉价材料、不使用稀土的电动机、低熔点玻璃和转换率达37.7%的太阳能电池。

葛进(本报驻日本)日本物质材料研究机构的研究人员开发出一种新型的便宜材料,可以很方便快捷的去除饮用水中的砷。

日立制作所的研究人员采用非晶硅金属制造马达的铁芯部分,从而成功开发出不使用稀土的高效率永磁同期马达。该马达目前已发展到产业用的11千瓦级别。

产业技术综合研究所的研究人员开发出一种新材料,该材料在受到光照射时可以在固化和液化之间反复转换,而且不受温度的影响。该研究成果可应用于新型光机能材料等方面。

日立制作所与日立化成工业的研究人员开发出一种在220—300摄氏度就可以熔解的低熔点玻璃。该成果可应用于金属与电子部件的焊接材料。由于其可以利用各种光源进行加热熔融,将使各种部件的构造设计与制造程序大大丰富。

新能源产业技术综合研究开发机构与夏普公司开发出世界最高转换率的太阳能电池。该电池的吸光层是由三层铟镓为主的化合物构成,转换率可达到37.7%。

日本科学技术振兴机构与北海道大学的研究人员开发出一种新型晶体管,可以将在电脑等电器中使用的半导体集成回路的消耗电力降低到目前的十分之一以下。人们期待该研究成果在未来可以大幅度降低数码产品和的电力消耗。

韩国

以国家层面科研项目为依托,继续加大在纳米领域的研发投入。同时,在燃料电池领域也有新的突破。

薛严(本报驻韩国)6月,韩国知识经济部和教育科学技术部表示,韩国到2020年将投入5130亿韩元(约合人民币28.2亿元)推动“纳米融会2020项目”。为此,韩国政府将从基础研究到产品开发的全部阶段提供资金支持,并成立专门的财团法人机构,赋予其计划制定、课题开发和市场开辟等方面的独立行使权,力促推出10个全球明星级纳米技术融合产品。

6月,韩国汉阳大学能源工程学宣良国教授率领的研究小组表示,已开发出续航时间达到现有电动车电池5倍左右的新一代电动车高性能锂空气电池系统。该研究小组用碳代替过去制造电池使用的镍、钴等金属开发出锂空气电池。由于把帮助锂离子往返阴阳两极的电解质换成醚系列的新物质,因而提高了效率。

南非

大力推进航空材料制造业发展,制造出纤维素纤维绝缘材料。

李学华(本报驻南非)南非科技与工业研究院下属的国家激光中心与南非航空制造公司Aerosud合作开展Aeroswift项目研究。Aeroswift的目标是,自主开发高速度、大体积的高性能金属零件激光添加材料制造系统,为全球航空工业制造钛金属材料配件。

南非开普敦的Eco-Insulation公司利用回收的报纸作原料,制造出纤维素纤维绝缘材料。使用该材料可以实现广泛围的覆盖,由于其流体黏度可以使得它填充那些不易到达的隐藏的角落。实验证明,与其他绝缘材料如玻璃纤维、聚酯纤维相比,该材料可以更有效地阻隔建筑物中的火焰扩散,减少火灾损失。同时,由于其密度特性,该材料还能有效较低噪音。

《科技》( 2版)

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