materials science，材料科學(xué)是研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應用金屬材料、無(wú)機非金屬材料、高分子材料和復合材料的工程領(lǐng)域。
新型超材料實(shí)現增強光發(fā)射和捕捉光
據美國科學(xué)日報1月16日報道，美國紐約市立大學(xué)的一支科研小組成功地展示了如何提高光發(fā)射和捕捉嵌有納米發(fā)光晶體的超材料發(fā)出的光。由物理學(xué)家維羅德•曼諾(Vinod Menon)博士帶領(lǐng)的這項研究或引領(lǐng)包括超快LED、納米級激光和高效單光子源在內的一系列應用。
在演示中，研究小組使用了具有雙曲線(xiàn)分散的超材料以提高納米晶體的光發(fā)射性能，同時(shí)設計了一個(gè)有效的提取光的方案。“在光學(xué)領(lǐng)域，按照人們的意愿控制光在媒介中的行為是使用超材料的意義。”光子學(xué)專(zhuān)家曼諾教授這樣說(shuō)道，他專(zhuān)攻納米級別的光-物質(zhì)相互作用的控制。
“我們的研究既實(shí)現了光發(fā)射的增強，也能夠提取光”,曼諾補充說(shuō)道。這項研究發(fā)表在期刊Optica上（Optica, 2015, 2, 1, 62-65, DOI: 10.1364/OPTICA.2.000062）。
日本開(kāi)發(fā)出反復蓄熱的新陶瓷
筑波大學(xué)副教授所裕子和東京大學(xué)研究生院教授大越慎一領(lǐng)導的研究小組，利用特殊條件燒結用于制造白色顏料的二氧化鈦，制作出一種名為“λ-五氧化三鈦”的陶瓷。當這種陶瓷受到光照或有電流通過(guò)時(shí)，它就能積蓄熱能。此后若向這種蓄滿(mǎn)熱能的陶瓷施加一定的壓力，其結構就會(huì )發(fā)生變化，轉變成“β-五氧化三鈦”。這時(shí)，其內部積累的熱能也會(huì )隨之散發(fā)出來(lái)。
反之，如果加熱“β-五氧化三鈦”，它就會(huì )在一定溫度下又恢復為“λ-五氧化三鈦”且繼續吸熱。由于這種轉變能反復發(fā)生，因此可以反復蓄熱和散熱。
在利用太陽(yáng)能熱量驅動(dòng)渦輪機的發(fā)電中，為了在夜間穩定發(fā)電，蓄熱材料的作用非常關(guān)鍵。雖然很多科研人員在嘗試用蓄熱效率很高的熔鹽，但難以解決熔鹽腐蝕管道等難題。
研制上述新陶瓷的專(zhuān)家認為，這種新材料很廉價(jià)，散熱條件不高，因此有望將其開(kāi)發(fā)成太陽(yáng)能發(fā)電所需的蓄熱材料或用于收集工廠(chǎng)排放的廢熱。
這一研究小組還準備繼續改良工藝，以增大新陶瓷的蓄熱量。有關(guān)這一研究成果的論文已刊登在最新一期英國《自然·通訊》雜志網(wǎng)絡(luò )版上。
德美科學(xué)家發(fā)明超強記憶新材料
科學(xué)家早在上世紀60年代就發(fā)明了鎳鈦記憶合金，這種合金在受熱和冷卻時(shí)會(huì )變形，并很快會(huì )恢復到最初機械加工時(shí)確定的形狀。我們熟悉的大多數合金在兩種晶格狀態(tài)下轉變幾千次，就會(huì )出現裂紋甚至斷裂，《科學(xué)》上刊登的這篇新論文解釋說(shuō)，這是因為在金屬高溫相（奧氏體）會(huì )出現越來(lái)越多的低溫相（馬氏體）晶體結構，兩相之間的轉換不完全會(huì )導致合金斷裂。
《科學(xué)》雜志評價(jià)認為，德國基爾大學(xué)的這項發(fā)明大大拓寬了記憶合金的應用領(lǐng)域，電磁耦合器、溫度傳感器、微電子和光學(xué)器件、信息存儲介質(zhì)，以及醫療領(lǐng)域中的人工心臟瓣膜等都有廣泛應用潛力。另外，還可以利用這種記憶合金將外界和環(huán)境中的熱能轉化為電能，或開(kāi)發(fā)新的冷卻單元。
美合成可替代稀土的磁性納米材料
這種新材料由鐵納米顆粒以及具有磁性的鈷和碳納米顆粒構成，后兩者的尺寸大約為5納米左右。實(shí)驗顯示，這種材料在磁性方面完全能夠媲美那些由稀土制成的、傳統的永磁材料。此外，這種材料還能在516.85 ℃的高溫下存儲信息，具有良好的耐熱性和穩定性，并具備長(cháng)程有序的特點(diǎn)，在數據存儲應用領(lǐng)域也有潛在的應用價(jià)值。
稀土具有“工業(yè)維生素”的美譽(yù)，如今是極其重要的戰略資源，在石油、化工、冶金、紡織等領(lǐng)域具有廣泛的應用價(jià)值。特別是那些用稀土制成的永磁材料，對通訊、電子以及汽車(chē)制造等行業(yè)而言更是必不可少。此外，隨著(zhù)綠色科技市場(chǎng)的出現和快速發(fā)展，純電動(dòng)以及混合電動(dòng)汽車(chē)、直驅風(fēng)力發(fā)電機動(dòng)力系統和儲能系統的市場(chǎng)越來(lái)越大，永磁材料及稀土資源的需求量也隨之增加，資源短缺問(wèn)題日益凸顯。
論文第一作者、弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)博士后艾哈邁德·埃爾—詹蒂（Ahmed A. El-Gendy）說(shuō)，對解決稀土資源短缺而言這是一項重要的發(fā)現。該校納米科學(xué)與納米科技項目負責人埃弗雷特·卡彭特（Everett E. Carpenter）教授表示，這種新材料已經(jīng)顯示出了很多出色的特性，有些方面甚至超過(guò)了傳統永磁材料?！?br />
比紙還薄比鋼強的新材料
通常在人們的概念當中，氧化鋁是一種較為脆弱的材料。但是現在，通過(guò)這種最新的納米工藝將它進(jìn)行過(guò)加工之后，不論彎曲到怎樣的程度它都能夠很好的恢復原樣。并且，它有著(zhù)超強的導電性和導熱性。
這種材料將被用來(lái)開(kāi)發(fā)許多最新的高科技產(chǎn)物，比如已經(jīng)在構想當中的機器昆蟲(chóng)，類(lèi)似于機器蜜蜂或是機器蒼蠅這種，那么這樣的材料將會(huì )是用來(lái)制作翅膀的首選。當然，它的作用還不只于此，基于這種材料的各種特性，科研人員將能夠開(kāi)發(fā)出各種新的用途。
NASA發(fā)明可自動(dòng)修復新材料
美國航空航天局（NASA）發(fā)明一種新材料，可以在2秒鐘內，自動(dòng)修補損壞的部位。該材料可能用于宇宙飛船及軍用飛機和坦克外殼的自動(dòng)修補。
科學(xué)家在試驗中演示，帶有一個(gè)或兩個(gè)聚酯層的金屬被洞穿后，因為氧氣進(jìn)入并與之混合，含有三丁基硼烷（tributylborane）的聚酯液體膠發(fā)生化學(xué)反應，很快變硬，最后修復金屬的破損部位。
研究者人員表示：“這種液體膠和空氣接觸幾秒鐘，即從液態(tài)變成固態(tài)。”目前，該材料仍需進(jìn)一步的研究，檢測其應用特性。該材料非?？赡苡糜谛扪a宇宙飛船上的破損洞，以及用于軍事設備，如飛機或坦克。這種自我修補材料是
美國航空航天局和密西根大學(xué)的科學(xué)家合作研制的。密西根大學(xué)的吉姆 斯哥特（Timothy Scott）解釋?zhuān)@種材料不能作為組成成分單獨使用，而是需要和其他材料混合應用。斯哥特說(shuō)：“我們的目的是迅速修補（破損洞）。”而且，這種材料的特點(diǎn)是，越薄起效越快。試驗中，材料板的厚度是1毫米。實(shí)際產(chǎn)品中，材料板會(huì )更薄，可能厚度為一毫米的幾十之一或幾百分之一。
中國制造超級材料，堅如金屬輕如氣球
 11月4日消息，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的研究人員利用細小的管狀石墨烯構成一個(gè)擁有與鉆石同等穩定性的蜂窩狀結構，從而創(chuàng )造出了這種泡沫狀材料。
一個(gè)這種石墨烯泡沫承受了力度超過(guò)每平方英寸1.45萬(wàn)磅的外力的重擊——幾乎相當于在世界海洋最深處——約10.9千米深——位于美國關(guān)島沿海的馬里亞納海溝，即所謂的“挑戰者”號海淵——的壓力。這個(gè)上海的研究小組稱(chēng)，他們新創(chuàng )造出的這種材料能夠承受較之以往報道的石墨烯材料更大的沖擊。
報道稱(chēng)，這種材料還可以被擠壓成其原始大小的約5%，而且依然能夠恢復其原來(lái)的形態(tài)，而且即使這一過(guò)程重復1000次還能保持完好無(wú)損。這種新材料的特性意味著(zhù)其可以用在防彈衣的內部和坦克的表面作為緩沖墊，以吸收來(lái)自射彈(如子彈、炮彈、火箭彈等)的沖擊力。
南開(kāi)陳永勝教授團隊首發(fā)現“光驅動(dòng)”新材料
 南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授及其團隊6月公布了一項研究成果——新型石墨烯材料，可以在太陽(yáng)光等各種光源照射下驅動(dòng)飛行。作為世界首個(gè)“光驅動(dòng)”新材料，該成果被發(fā)表在國際著(zhù)名學(xué)術(shù)刊物《自然-光學(xué)》上。
陳永勝教授表示，“我們在3年多前切割一種特殊三維石墨烯材料時(shí)，意外發(fā)現光可以對其產(chǎn)生推動(dòng)效果。此后‘光是否不僅能推動(dòng)細胞還可以推動(dòng)宏觀(guān)物體’就成了我們最重要的研究課題。”后來(lái)，陳教授團隊聯(lián)合該校物理學(xué)院田建國教授共同研制出了這種能用光進(jìn)行驅動(dòng)的石墨烯材料。
據該成果的視頻資料顯示，在幾十厘米的真空管里，在一束光的瞬間照射下，幾毫克的新型石墨烯材料能一次前進(jìn)幾厘米到十幾厘米，最遠時(shí)可以運動(dòng)40厘米。目前對這種新型材料的整體研究還處在實(shí)驗室起步階段，但隨著(zhù)研究的進(jìn)一步深入，或許未來(lái)在三維石墨烯的助力下，宇宙飛船也能利用“光驅動(dòng)”穿梭太空。
德國科學(xué)家發(fā)現巨磁電阻新材料磷化鈮
 德國馬普固體化學(xué)物理研究所和亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心（HZDR）及荷蘭拉德堡大學(xué)（Radboud）的科學(xué)家共同發(fā)現了一種具有超快速電子的新型巨磁電阻材料——磷化鈮（NbP）。在研究該材料時(shí)，科研人員首次在單一材料上觀(guān)察到電阻增加近萬(wàn)倍。該材料可用于生產(chǎn)電子元件，在信息技術(shù)領(lǐng)域具有巨大的應用潛力。
研究發(fā)現，當對磷化鈮施加強磁場(chǎng)時(shí)，其電阻急劇增強。研究人員還發(fā)現了電子非?？焖?、靈活的原因。在磷化鈮中，這一特殊屬性是由特定的電子態(tài)負責的：在所謂的Weyl金屬中有一些電子，他們好像是無(wú)質(zhì)量的，從而可以移動(dòng)得非?？?。研究人員認為，磷化鈮的巨磁電阻效應可以通過(guò)巧妙的材料設計進(jìn)一步得到改進(jìn)。馬普固體化學(xué)物理研究所和亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心的專(zhuān)家們希望將來(lái)繼續合作，共同開(kāi)發(fā)Weyl金屬。
該研究成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《自然物理》上。
最輕材料，99.99%是空氣，硬度可調節
 據國外媒體報道，美國加州HRL實(shí)驗室的科學(xué)家們研發(fā)出一種名為“microlattice”的材料，這種材料的制造技術(shù)由波音公司和通用汽車(chē)公司共同擁有。這種新材料是由微型空心管網(wǎng)絡(luò )構成的，它大約比泡沫聚苯乙烯還要輕百倍。
為了節省燃料，波音公司和通用公司不斷嘗試在不犧牲結構完整性的前提下盡可能的減輕材料重量。研究人員稱(chēng)，構建這種新材料的過(guò)程是完全可行的，這種材料不僅極輕而且非常牢固。
HRL實(shí)驗室的一位化學(xué)家Sophia Yang稱(chēng)：“這種材料事實(shí)上是由很常見(jiàn)的鎳磷材料打造的，但是我們必須計算出材料的構建結構，這樣才能創(chuàng )造出一種能夠獨立支撐的材料，它非常輕盈以至于能夠站立在蒲公英花朵的頂部而且不會(huì )壓碎它。”
研究人員稱(chēng)，這種材料空心管連接網(wǎng)絡(luò )模擬的是橋梁支撐的結構。但是在這個(gè)項目中，空心管的壁厚僅有100納米，大約只有人類(lèi)頭發(fā)的千分之一，這就意味著(zhù)這種材料99.99%的成分是空氣。
這種材料構造借助了一種革命性的添加制造過(guò)程，有點(diǎn)類(lèi)似于3D打印技術(shù)。但是3D打印技術(shù)是一層一層的進(jìn)行構建，而HRL實(shí)驗室使用了能夠對光做出反應的特殊聚合物，而且是一次成型。
研究人員不僅能夠調整這種結構的硬度，而且能夠調整它的構造。這就意味著(zhù)他們不僅能夠創(chuàng )造出高度靈活的填充結構，而且也能夠創(chuàng )造出用于提供結構支撐的牢固構造。
中國科學(xué)家研制出超強電動(dòng)車(chē)電池
中科院上海硅酸鹽所科學(xué)家已研制出一種高性能超級電容器電極材料——氮摻雜有序介孔石墨烯。該材料具有極佳的電化學(xué)儲能特性，可用作電動(dòng)車(chē)的“超強電池”：充電只需7秒鐘，即可續航35公里。相關(guān)研究成果已于12月18日發(fā)表在世界頂級期刊《科學(xué)》上。
超級電容器，是介于傳統電容器和電池之間的一種電化學(xué)儲能裝置。由于具有功率密度高、循環(huán)壽命長(cháng)、安全可靠等特點(diǎn)，現已廣泛應用于混合電動(dòng)汽車(chē)、大功率輸出設備等多個(gè)領(lǐng)域。如何讓超級電容器兼具高功率、高能量，長(cháng)期以來(lái)科學(xué)家并沒(méi)有找到理想材料。
為破解這一難題，中科院上海硅酸鹽所聯(lián)合北京大學(xué)、美國賓夕法尼亞大學(xué)展開(kāi)持續攻關(guān)。黃富強研究團隊最終發(fā)現，石墨烯是超級電容器電極的最佳選擇。
通過(guò)反復試驗、設計、合成，黃富強研究團隊發(fā)現，氮摻雜有序介孔石墨烯的性能表現最佳。不僅能實(shí)現高能量密度、高功率密度，而且還可以通過(guò)使用水基電解液，做到無(wú)毒、環(huán)保、價(jià)格低廉、安全可靠。
據介紹，該新型石墨烯超級電容器體積輕巧、不易燃也不易爆，可采用低成本制備，實(shí)現規模生產(chǎn)。因性能較鉛酸、鎳氫等電池有明顯的競爭優(yōu)勢，且在快速充放方面又遠遠優(yōu)于鋰電池，因此該“超級電池”可廣泛應用于現有混合電動(dòng)汽車(chē)、大功率輸出設備的更新?lián)Q代。
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