2014年世界科技發(fā)展回顧（新材料篇）

在納米材料、生物材料、金屬材料以及非金屬材料領(lǐng)域獲得多項(xiàng)突破。

田學(xué)科(本報(bào)駐美國記者)在納米材料領(lǐng)域，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的研究人員通過在納米尺度上采用一種獨(dú)特的三明治結(jié)構(gòu)，開發(fā)出一種多壁碳納米管材料，其整體厚度還不到人類頭發(fā)直徑的百分之一，卻可以大幅降低泡沫制品的可燃性。國家直線加速器實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)合作，首次揭示了石墨烯插層復(fù)合材料的超導(dǎo)機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)一種潛在的工藝能使石墨烯這個(gè)具有廣闊應(yīng)用前景的“材料之王”獲得人們夢寐以求的超導(dǎo)性能。賓夕法尼亞州立大學(xué)生產(chǎn)出超細(xì)“鉆石納米線”，其核心由鉆石的基本單位結(jié)構(gòu)連接而成——碳原子以三角四面體結(jié)構(gòu)首尾相連，外圍包著一層氫原子，這種鉆石納米線的強(qiáng)度和硬度都超過了目前最強(qiáng)的納米管和聚合材料。哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院合作，鑄造出小于25納米的三維技術(shù)物件：研究人員在精心設(shè)計(jì)的不同三維DNA模塊中植入極小的金屬納米“種子”，并激發(fā)其生長成為一個(gè)與該模塊相同維度的立方體納米粒子。這是首次根據(jù)指定的三維形狀，打造僅有25納米甚至更小的無機(jī)納米粒子，同時(shí)誤差小于5納米。

在生物材料領(lǐng)域，麻省理工大學(xué)合成出包含生物成分和非生物成分的活性生物材料，其中的活細(xì)胞能對環(huán)境起反應(yīng)，產(chǎn)生復(fù)雜的生物分子，非生物材料能導(dǎo)電或發(fā)光。萊斯大學(xué)納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出一項(xiàng)全新的彩色顯示技術(shù)，可以顯示出生動(dòng)的紅、藍(lán)、綠三色，朝著制造“烏賊皮”超材料邁出了關(guān)鍵一步。這類材料可以感知到周邊環(huán)境顏色，并自動(dòng)改變自身顏色與周邊環(huán)境融為一體，實(shí)現(xiàn)人們期待已久的完美光學(xué)偽裝。

在金屬材料方面，美中科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，通過對一種名為孿晶誘導(dǎo)塑性(TWIP)鋼材進(jìn)行預(yù)處理，就能打破鋼材的強(qiáng)度和韌性只能取其一的均衡，讓鋼材兼具極好的強(qiáng)度和韌性，借助該技術(shù)也有望生產(chǎn)出性能更好的鋼材。

在非金屬材料方面，喬治·華盛頓大學(xué)推進(jìn)器和納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室通過結(jié)合兩個(gè)單原子厚的碳結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建了一個(gè)新的超級電容，其混合石墨烯片與單壁碳納米管，二者具有互補(bǔ)性，使該設(shè)備兼具了高性能與低成本。美國科學(xué)家成功地將硅與非硅材料實(shí)現(xiàn)“混搭”，研制出一種具有三維結(jié)構(gòu)的納米線晶體管，能夠?qū)⒐枧c非硅材料集成到一個(gè)集成電路中，該技術(shù)有望幫助硅材料突破瓶頸，為更快、更穩(wěn)定的電子和光子設(shè)備的制造鋪平道路。美國科學(xué)家還研制出一種新的陶瓷材料，由納米支桿相互交錯(cuò)而形成，在壓力下會彎曲，但隨后會恢復(fù)形狀，成為有史以來最堅(jiān)固、最輕質(zhì)的材料之一。

另外，美國多家研究機(jī)構(gòu)合作，以納米微格為基礎(chǔ)，將“結(jié)構(gòu)承重”深入到微觀尺度，造出極為通透而堅(jiān)固的材料，同時(shí)具有高硬度、高強(qiáng)度、超低密度的優(yōu)點(diǎn)，該方法還可用于金屬、高聚材料等，有望使相同重量的材料在硬度方面刷新紀(jì)錄。

英國

石墨烯研究應(yīng)用依然領(lǐng)先，其他新型材料研究及應(yīng)用取得新成果。

劉海英(本報(bào)駐英國記者)在石墨烯領(lǐng)域，9月，劍橋大學(xué)科學(xué)家開發(fā)出世界上首個(gè)基于石墨烯的柔性顯示器，證明石墨烯可被用于制造基于晶體管的柔性裝置;同月，曼徹斯特大學(xué)研究人員利用有“白色石墨烯”之稱的二維材料六方氮化硼，層疊合成了含有六方氮化硼夾層的石墨烯材料，這種材料具備儲存電子能量和動(dòng)量的功能，未來或成為制造新一代晶體管的材料首選。

其他新型材料的研究方面：3月，倫敦大學(xué)利用結(jié)晶紫、亞甲藍(lán)這兩種染料和金納米粒子的組合，研發(fā)出一種新型光活性抗菌材料，不僅可在光照條件下對細(xì)菌產(chǎn)生致命效果，在黑暗環(huán)境中亦具有很好的抗菌作用。7月，英國薩里納米系統(tǒng)公司利用比頭發(fā)細(xì)10000倍的碳納米管在鋁箔片上培育出了“最黑”材料，僅僅反射0.035%的光，達(dá)到了肉眼根本無法分辨的程度。該材料的導(dǎo)熱效率是銅的7.5倍，抗拉強(qiáng)度是鋼的10倍，創(chuàng)造了一項(xiàng)新的紀(jì)錄。9月，南安普敦大學(xué)開發(fā)出名為二硫化鉬的超薄材料，除具備極佳的導(dǎo)電性能和超強(qiáng)的硬度外，其還具有發(fā)光特性，有望成為石墨烯有力的挑戰(zhàn)者。

德國

成功研發(fā)人造骨髓、離子液體聚合物智能薄膜、鋼鋁混合化合物等新材料。

李山(本報(bào)駐德國記者)卡爾斯魯厄理工學(xué)院等開發(fā)出人造骨髓。與標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)胞培養(yǎng)方法相比，人造骨髓中有更多的干細(xì)胞保留了其特殊性能，為白血病的治療提供了新的前景。德國生物過程和分析測量技術(shù)研究所則研制出一種基于光敏玻璃的微流控芯片，這種納米結(jié)構(gòu)的細(xì)胞載體系統(tǒng)在生產(chǎn)人造組織中起著關(guān)鍵作用。

卡爾斯魯厄理工學(xué)院應(yīng)用3D激光光刻技術(shù)研發(fā)出多孔和非實(shí)心的殼體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)材料，其密度小于水，承重能力超過鋼。此后，該學(xué)院又成功研制出一種聚合物材料，這種按次微米精度構(gòu)造的晶體結(jié)構(gòu)可以讓手指或測量儀器無法感受到隱藏在其中的物體。

萊布尼茨凝聚態(tài)與材料研究所在無支撐石墨烯孔內(nèi)制備出單原子厚度的鐵層狀物。這種新材料具有一些潛在的有用而新奇的性質(zhì)，比如大磁矩。海德堡大學(xué)則用化學(xué)方法成功分離了一個(gè)穩(wěn)定的金碳烯復(fù)合體，并首次直接對在其他情況下不穩(wěn)定的雙鍵金碳進(jìn)行了研究。慕尼黑大學(xué)用超導(dǎo)性硒化鐵(FeSe)和鐵磁性氫氧化鋰-鐵(Li,Fe)OH層交疊合成出適于化學(xué)修飾的鐵磁超導(dǎo)化合物。

萊布尼茨高分子研究所研發(fā)一種新的防水防油聚合物膜。馬克斯普朗克膠體與界面研究所等發(fā)明了一種可瞬時(shí)響應(yīng)的離子液體聚合物智能薄膜。它具有獨(dú)特的化學(xué)組成和孔狀結(jié)構(gòu)，在“嗅”到空氣中少量有機(jī)溶劑時(shí)，可在0.1秒時(shí)間內(nèi)發(fā)生快速卷曲運(yùn)動(dòng)。海德堡大學(xué)等成功研發(fā)一種支持性脂質(zhì)單分子膜與氮化鎵納米結(jié)構(gòu)，這種混合生物膜上的蛋白結(jié)合可利用電化學(xué)電荷傳感器檢測。

基爾大學(xué)用鈀作為反應(yīng)催化劑首次成功地將有機(jī)錫摻雜到半導(dǎo)體聚合物中，這種新聚合物能夠增大光譜的吸收范圍。馬爾堡大學(xué)等研發(fā)可用于光化學(xué)反應(yīng)的不對稱催化劑。為高效的、綠色的不對稱合成提供一個(gè)新的途徑。

基爾大學(xué)進(jìn)一步研究了金屬玻璃材料，解釋了液態(tài)金屬合金凝固成玻璃，即形成無序的原子堆積結(jié)構(gòu)的原因。弗勞恩霍夫材料和光束技術(shù)(IWS)研究所研制出鋼鋁混合化合物。不來梅大學(xué)等發(fā)現(xiàn)納米金剛石可像金屬銀、銅一樣有效殺除細(xì)菌，其殺菌特性與表面上一種名為酸酐的特定含氧基團(tuán)有關(guān)。德國電子同步加速器(DESY)研究所等研發(fā)一種新的超強(qiáng)耐磨的纖維素纖維，未來可用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片。

俄羅斯

在世界上首次使用可吸收血管支架，培育出可制造軟骨組織的人工材料，開發(fā)出具有防竊聽功能的復(fù)合涂層。

亓科偉(本報(bào)駐俄羅斯記者)3月，在世界上首次使用可吸收血管支架。這種支架能像金屬支架一樣恢復(fù)受阻冠狀動(dòng)脈血液流通，將藥物送達(dá)患處，完成治療后支架則會自動(dòng)吸收，血管中只留下兩對微小的金屬標(biāo)識器，以幫助醫(yī)生提示手術(shù)位置并協(xié)助監(jiān)測患病血管今后的狀況。這種生物可吸收支架由聚乳酸制成，通過這種方式處理的血管因不含硬金屬植入物而能維持正常的功能和彈性。

俄科學(xué)院西伯利亞分院生物學(xué)與基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所和血液循環(huán)病理學(xué)研究所合作，利用靜電紡絲技術(shù)培育出能用于代替冠狀血管和制造軟骨組織并能促進(jìn)細(xì)胞生長的人工材料。該技術(shù)可以從聚合物溶液中獲得直徑10納米到幾微米的纖維;可以在材料中加入其他元素，使兩種聚合物或藥物溶解在一起，滿足醫(yī)學(xué)材料在性能上的要求。

俄羅斯托木斯克國立大學(xué)所屬的創(chuàng)新型企業(yè)“托木斯克輻射防護(hù)”公司的研究人員發(fā)明了一種由復(fù)合材料構(gòu)成的涂層，使用該涂層的房間具有很強(qiáng)的防竊聽功能。這種涂層是微波鐵氧體和不同含量的納米碳構(gòu)成的混合粉末，涂層根據(jù)不同成分吸收或者反射輻射。如果碳納米含量較低，幾乎能實(shí)現(xiàn)完全吸收輻射;如果碳納米含量較高，則涂層能夠反射輻射。這種涂層可以將會談室變得十分安全，任何人也無法聽到會談內(nèi)容。

法國

研制出可吸收污染物的納米管海綿，高導(dǎo)電性有機(jī)金屬材料以及一種新結(jié)晶形式“冰十六”。

李宏策(本報(bào)駐法國記者)2月，南特大學(xué)的研究人員與意大利合作研制出碳納米管海綿，能夠吸收水中化肥、農(nóng)藥和藥品等污染物，凈化效率超過之前方法的3倍。經(jīng)摻雜硫后，還可提高吸收油污的能力，可用于工業(yè)事故和溢油清理。碳納米管是由類似石墨結(jié)構(gòu)的六邊形網(wǎng)格卷繞而成的中空“微管”。法意研究者設(shè)計(jì)的碳納米管多孔結(jié)構(gòu)可浮在水面上，一旦吸附油飽和后，比較方便取出，只需擠壓將油釋放即可重新使用。

8月，斯特拉斯堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種高導(dǎo)電性有機(jī)金屬材料。該材料是由大量3-氨基三芳香基胺(TATA)分子堆疊構(gòu)成的一維超分子聚合物，同時(shí)具有導(dǎo)電性高、重量輕、柔軟等特性。有機(jī)金屬成本低，易于生產(chǎn)，可一次性使用，可避免大量電子垃圾造成污染，可用于替代金屬等無機(jī)材料用于電子設(shè)備中。

9月，艾克斯-馬賽大學(xué)所在的歐洲聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)成功合成二維材料鍺烯。該材料是由單層鍺原子構(gòu)成，是一種堅(jiān)固的二維拓?fù)浣^緣體，可在室溫下用于未來量子計(jì)算等設(shè)備制造。

12月，法德研究人員制造出水的一種新結(jié)晶形式“冰十六”。這一成果未來可用于解決能源生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲存中遇到的問題。這是科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室中直接量化水分子和氣體分子相互作用的影響，有助于進(jìn)一步了解氣體水合物，對地質(zhì)學(xué)和化學(xué)研究意義重大。

加拿大

研制出先進(jìn)“隱形”偽裝布料，設(shè)計(jì)出可顯著降耗的納米光纜。

馮衛(wèi)東(本報(bào)駐加拿大記者)Hyperstealth生物科技公司研發(fā)一種先進(jìn)的偽裝布料，未來或能夠讓士兵變成“隱形人”。這種“量子隱形”偽裝布料，能夠彎曲周圍的光波，進(jìn)而達(dá)到隱形效果。

阿爾伯塔大學(xué)的電子工程師成功設(shè)計(jì)出可在計(jì)算機(jī)芯片中取代銅導(dǎo)線的納米光纜，可顯著提高計(jì)算速度并降低電子器件的能耗。研究人員設(shè)計(jì)了一種全新的非金屬超材料，可在不產(chǎn)生熱量、減弱信號或丟失數(shù)據(jù)的前提下把光波限制在納米光纜中。研究人員將在硅芯片上創(chuàng)建超材料，以超越當(dāng)前工業(yè)界中使用的光波限制策略。

AeroVelo公司設(shè)計(jì)出新型自行車Eta，結(jié)合了空氣動(dòng)力學(xué)和傳動(dòng)系統(tǒng)，打破目前133.8km/h的最快速度記錄。Eta的外殼由碳纖維制成，內(nèi)部框架則是碳纖維復(fù)合材料。整車重量只有20.4千克。

加一家公司開發(fā)出鋁合金深海潛水裝，可讓專業(yè)潛水員抗衡巨大水壓，更自由自在地在海底探索。該深海潛水裝采用鋁合金制成，裝配有18個(gè)與關(guān)節(jié)連接的旋轉(zhuǎn)接頭，令潛水員的手腳及頭部能保持靈活活動(dòng)，抗衡巨大水壓。

肯考迪亞大學(xué)研制出一種智能衣，其可隨穿著者的運(yùn)動(dòng)來改變衣服顏色及外型。該“卡瑪變色龍”項(xiàng)目通過將電子纖維編織在衣服之中，將身體的能量存儲起來，從而使衣服可對手機(jī)進(jìn)行充電。

韓國

根據(jù)市場需求，繼續(xù)深耕應(yīng)用材料領(lǐng)域，在太陽能電池和可穿戴電子裝備的可用材料方面取得突破。

薛嚴(yán)(本報(bào)駐韓國記者)2月，浦項(xiàng)工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)系教授趙吉元(音譯)的團(tuán)隊(duì)首次提出有機(jī)太陽能電池薄膜的形成原理，成功開發(fā)了比現(xiàn)有有機(jī)太陽能電池的效率增加20%以上的太陽能電池。

4月，開發(fā)出在半導(dǎo)體晶片上反復(fù)合成單結(jié)晶石墨烯的技術(shù)。如果該技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，將可在未來5年內(nèi)生產(chǎn)出處理速度比現(xiàn)在快10倍以上的半導(dǎo)體，還有望大幅提前開發(fā)出像紙片一樣可以折疊兩三次或彎曲起來放在口袋里的易彎曲顯示屏和可穿戴電腦。

日本

開發(fā)出世界上最耐熱的生物塑料、高強(qiáng)度醫(yī)用凝膠和更節(jié)省稀土的磁石制造技術(shù)。

葛進(jìn)(本報(bào)駐日本記者)北陸先端科技大學(xué)院大學(xué)與筑波大學(xué)的研究人員利用轉(zhuǎn)基因大腸菌制造出具有堅(jiān)硬構(gòu)造的桂皮類物質(zhì)，并使用光化學(xué)手段對其進(jìn)行加工，成功制造出世界上最耐熱的生物塑料。該物質(zhì)有望在未來成為汽車和電器零部件中金屬和玻璃的替代品。

東京大學(xué)的研究人員成功開發(fā)出一種即使放入水中也不會膨脹的高強(qiáng)度醫(yī)用凝膠，這種物質(zhì)未來可用于制造人工軟骨等醫(yī)療器材，并在干細(xì)胞治療中發(fā)揮作用。

立命館大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種低費(fèi)用的深紫外發(fā)光體，該發(fā)光體使用LED光源，未來作為殺菌處理的新型光源代替目前使用的水銀燈。

產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的研究人員用沙子的主要成分硅石與酒精進(jìn)行反應(yīng)，成功制出了硅化學(xué)產(chǎn)業(yè)的主要原料四乙氧基硅烷。這種新技術(shù)不但效率高，而且由于是直接合成，也相對簡便，對未來的硅化學(xué)產(chǎn)業(yè)可能產(chǎn)生重大影響。

九州大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新工藝，通過減少作為觸媒的白金粒子直徑和其在固體表面上的固化密度，大大減少燃料電池中白金的使用量，達(dá)到目前的十分之一。這項(xiàng)成果的出現(xiàn)意味著未來燃料電池的費(fèi)用可能會大大削減。

物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)的研究人員成功合成一種新的磁石化合物NdFe12Nx，這種新型磁石與目前在混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)馬達(dá)中使用的釹磁石相比，使用的稀土量更少，而且具備更優(yōu)良的磁力特性。

以色列

納米材料應(yīng)用研究聚焦先進(jìn)醫(yī)療技術(shù)，破解視網(wǎng)膜機(jī)理促進(jìn)發(fā)明新型感光膠片，發(fā)現(xiàn)罕見化學(xué)材料，運(yùn)用新粒子材料設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)。

馮志文(本報(bào)駐以色列記者)希伯來大學(xué)科學(xué)家運(yùn)用納米技術(shù)發(fā)明新型感光膠片，這使得制造基于這種新型納米材料的人造視網(wǎng)膜成為可能。

本古里安大學(xué)研究人員提出了新的量子計(jì)算機(jī)模型，他們的設(shè)計(jì)利用了最近發(fā)現(xiàn)的馬約拉納粒子及其與光的獨(dú)特互動(dòng)特性，新型固態(tài)原件可存儲和處理量子信息，其可控性優(yōu)于現(xiàn)在的其它材料。

巴伊蘭大學(xué)研究人員發(fā)明了可治療癌癥的納米機(jī)器人。這種納米機(jī)器人可注入病人體內(nèi)，它能夠識別并殺死癌細(xì)胞，而不影響健康細(xì)胞。到目前為止，機(jī)器人可以識別包括白血病和實(shí)體瘤等十幾種類型的癌癥。這種機(jī)器人還可幫助檢查癲癇患者和糖尿病患者胰島素水平。

以色列理工學(xué)院的一個(gè)交叉學(xué)科研究小組首次發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜膠質(zhì)細(xì)胞的光學(xué)機(jī)理，這為如何改善視力探索了新路。研究發(fā)現(xiàn)人類的視網(wǎng)膜不僅是捕捉信息的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，還是一個(gè)復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)。

特拉維夫大學(xué)研究人員使用納米技術(shù)治療耐藥卵巢腫瘤，這種全新的納米藥物輸送系統(tǒng)，使用特定的納米粒子集群，引導(dǎo)和輸送化療藥物在特定的腫瘤細(xì)胞聚集，產(chǎn)生顯著療效。