科技 | 一大波新材料横空出世，改变未来就是现在

　　每一次新材料的发现和应用都会给人类文明带来巨大进步。从石器时代、青铜时代、铁器时代到硅时代、碳时代，新材料对我们生活的改变越来越大。

　　而现在，一大波新材料的横空出世，将为我们的生活构筑起更美好的未来。

　　01

　　科学家研制出新型航天器外层防护材料

　　根据12月1日中国科学报消息，中国科学技术大学俞书宏院士团队研制出一种新型航天器外层防护材料——聚酰亚胺-纳米云母复合膜。这种新材料由于采用了独特的仿生设计，其力学性能和空间极端环境耐受性均得到显著提升，有望取代现有的聚酰亚胺基复合膜材料。该成果日前发表于《先进材料》。

　　图片来源：中国科学报

　　聚酰亚胺薄膜因其优异的力学性能、绝佳的热稳定性和突出的耐化学性，成为太空探测器“防护服”的绝佳材料。然而，与其他碳氢聚合物一样，该材料在太空环境中极易受到原子氧攻击，导致其物理和力学性能急剧下降，目前还没有很好的解决手段。此外，宇宙射线辐射和空间碎片撞击等也给其稳定性带来严峻考验。

　　俞书宏院士团队受天然珍珠母的“砖-泥”层状结构启发，利用云母的优越本征特性来弥补聚酰亚胺的不足。这种设计策略不仅实现了材料力学性能的有效提升，而且使其上表面对原子氧、紫外辐射和空间碎片等具有更高的抵抗性能。

　　研究表明，这种新型仿生复合膜的拉伸强度、杨氏模量和表面硬度分别为125兆帕、2.2吉帕和0.37吉帕，比纯聚酰亚胺膜分别高出45%、100%和68%。由于独特的双层类珍珠母结构以及云母纳米片的固有性能优势，双层聚酰亚胺-纳米云母复合膜表现出更优越的原子氧耐受性，明显优于纯聚酰亚胺薄膜、单层类珍珠母结构的聚酰亚胺-云母复合膜和以往报道的聚酰亚胺基复合材料。此外，其抗紫外线老化性和高温稳定性也得到明显提升。

　　业内人士认为，这项研究提出的独特双层仿珍珠母结构设计策略，为设计构筑其他高性能纳米复合材料提供了新思路。

　　02

　　MIT团队找到新型“半固态”液流电池材料

　　为了构建一套可负担得起的电网储能解决方案，液流电池装置也于近年再次引起了研究人员的普遍关注。

　　麻省理工学院研究团队开发出了一种类似于软冰淇淋的新型电极材料，认为可将之集成到“半固态”电池中，从而以更廉价的方式来存储可再生能源。

　　图片来源：Thaneer Narayanan/MIT News

　　在可再生能源的储存方面，液流电池是一个相当吸引人的研究方向。与锂离子电池相比，它们具有灵活、可扩展、以及低成本等优点。更棒的是，液流电池可将能量储存数月之久，以填补太阳能、风能的峰谷缺口。而MIT研究团队的新方案，又将成本发挥到更加极致的状态。

　　研究作者Thaneer MalaiNarayanan表示：“我们开展了全面且自上而下的分析、并考虑了各种权衡，以了解电池的成分到底对性能和成本有多大影响。结果证明，我们的系统较其它对照组都更便宜，且能够灵活扩大规模”。

　　03

　　新聚合物将硅砂结合成复合材料

　　由橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员设计了一种新型聚合物，以粘结并增强硅砂，用于粘合剂喷射式增材制造。这是一种3D打印方法，在工业中用于原型设计和生产部件。

　　ORNL团队创造了一种聚乙烯亚胺(PEI)粘合剂，与传统粘合剂相比，它可将砂件的强度提高一倍。

　　图片来源：ORNL

　　通过粘合剂喷射打印的部件，最初从打印床移出时是多孔的。通过渗透设计，额外加入一种名为氰基丙烯酸盐的强胶材料，可以填补缝隙并提高强度。在第一步的基础上，第二步的强度增加了8倍，使聚合物砂复合材料比其他任何已知的建筑材料(包括砖石)都更坚固。

　　该项目的首席研究员Tomonori Saito表示：“很少有聚合物适合用作此类应用的粘合剂。研究人员一直在寻找能实现最佳效果的特殊性质，比如溶解性。关键发现是，PEI粘合剂具有独特的分子结构，可以与氰基丙烯酸盐发生反应，以实现卓越的强度。”

　　超高强度砂的潜在应用之一是先进的复合材料制造模具。硅砂是一种容易获得的低成本材料，在汽车和航空航天领域日益受到欢迎，可用于制造复合材料部件。

　　例如，利用3D打印的砂芯或“模具”，包裹碳纤维或玻璃纤维等轻质材料，然后加热固化。硅砂比较适合用作模具，因其在加热时不会改变尺寸，而且在可清洗模具中具有独特的优势。在复合材料应用中，使用水溶性粘合剂来构建砂模，具有重要意义，因为可通过自来水进行简单的冲刷去除砂粒，留下中空的复合材料形式。主要研究人员Dustin Gilmer表示：“为了确保模具部件的精确度，需要一种在加工过程中不会改变形状的材料，因此硅砂很被看好。挑战在于克服砂件的结构弱点。”

　　04

　　NTNU研究出新型蜘蛛丝弹性材料

　　图片来源：前瞻网

　　受超强蛛丝的启发，新西兰科技大学的研究人员开发了一种新材料，该材料克服了在韧性和刚度之间进行权衡的问题。

　　新材料是一种被称为弹性体的聚合物，具有橡胶一样的弹性。这种新开发的极具弹性的聚合物特点是分子在一个重复单元中有八个氢键，正是这些氢键帮助均匀分配施加在材料上的应力，使其如此耐用。

　　NTNU结构工程系力学与材料教授Zhiliang Zhang说：“这八个氢键是这种非凡力学性能的起源。”

　　科学家们此前已经注意到，蜘蛛丝——特别是提供蛛网辐条和外缘的拖丝——异常坚硬和坚韧。刚度和韧性在工程中是截然不同的性质，往往对立。坚硬的材料在变形前可以承受很大的压力，而坚硬的材料在断裂前可以吸收大量的能量。例如，玻璃虽然坚硬，但并不坚硬。

　　除了机械性能，这种材料还是透明的，研究表明它甚至可以在80°C以上的温度下实现自我修复。如果产量能够扩大，这种新材料有一天可能会用于柔性电子产品，特别是易损坏和破损的可穿戴设备上。

　　此外，研究人员还希望扩展这种材料的性能，使其具有防冰(在低温下防止冰粘在上面)和防污染(防止贻贝和藻类等水生生物附着在上面)的特性，这样它就可以在极端条件下使用，比如北极。

　　05

　　木材废料可用于可再生/可回收的热固性塑料替代品

　　大多数热固性树脂不仅由不可再生的成分制成，而且还很难回收。瑞典科学家已经着手解决这些问题，并开发了一种新的可以多次重复使用的木质素基热固性材料。

　　木质素是一种有机聚合物，构成了包括树木在内的植物的大部分支撑组织。它也是纸浆和造纸业的一种副产品，曾被提出用于更便宜的电池、废弃的碳纤维和更强的混凝土等领域中。

　　图片来源：网络

　　斯德哥尔摩大学的研究人员将木质素与一种从乙二醇中提取的无毒交联化学品结合起来，创造出了一种具有与传统热固性树脂很相似的特性材料。该材料不需要事先对木质素进行化学改变，只需与交联剂一起被"煮"过，便可通过传统的铸造或注射成型技术形成多种形状，可以说使用起来非常简单环保。

　　研究人员通过改变木质素与交联剂的比例，可以来调整该材料的特性——它可以是软而坚韧的，也可以是硬而脆的。此外，它还可以被热分解并多次重复使用，仍保持良好的机械强度，这样的特性据说能与现有的工程塑料相媲美。

　　06

　　新的碳纤维复合材料可利用热能进行愈合

　　华盛顿大学教授Aniruddh Vashisth开发了一种新的、非常坚固的、轻型的碳纤维复合材料。对于目前的碳纤维材料来说，一旦被损坏，基本上是不可能修复或回收的。而这种新的碳纤维复合材料与传统的碳纤维不同，它可以被反复修复。

　　图片来源：cnBeta.COM

　　新的碳纤维复合材料与传统的碳纤维一样坚固，但有一个好处，那就是可以利用热量反复修复，即热量可以逆转材料的任何疲劳损伤，当材料需要回收时，它也可以被用来分解。

　　由于传统的碳纤维无法被回收，开发一种可以使用传统热源或射频加热进行回收或修复的材料是一项关键的发现。

　　改变未来的最好时机就是现在。相信随着科技的发展，会有越来越多让人意想不到的新材料出现在我们的生活中，助力人类构筑更美好的明天。

　　来源：中国科学报、科创板日报、前瞻网、cnBeta.COM等，由化工新材料整理编辑