满眼生机转化钧，天工人巧日争新。创新的科技有如天上繁星之多，在全面建设社会主义现代化国家新征程上，科技创新是引领发展的第一动力。2022年，我国科技事业密集发力、一大批重大科技创新成果竞相涌现，或将引发行业的革命性变革。今天，小编就来盘点下全世界新材料方面的科技突破。
1.新材料推动钠离子电池逐步淘汰昂贵的锂电池
随着锂的价格比一年前高出5倍以上，来自Skoltech和莫斯科国立大学的研究人员开发了一种钠离子电池材料，为日益昂贵的锂离子技术提供了一种替代方案。这种新材料是一种具有特殊晶体结构的磷酸钠钒氟化粉。用于电池阴极，它提供了创纪录的高储能能力，消除了新兴钠离子技术的瓶颈之一。
锂离子电池无处不在：它们为便携式电子设备和电动汽车提供动力，并储存风电场产生的能量，以平衡不规则的风模式。然而，仅仅依靠锂是有风险的，因为它的化学制品越来越贵，生产它们相当脏，而且矿石在世界各地分布不均匀。在元素周期表中，更丰富的碱金属钠可能成为锂的替代品。
到目前为止，钠离子电池技术是相对较新的，虽然电池的基本结构是相同的，但必须使用不同的材料来制造主要组件。其中，阴极是决定电池特性的关键。在他们最近的论文中，Skoltech和密歇根州立大学的研究人员提出了一种新的阴极材料，可以确保电池能量密度比目前的顶级竞争者高出10%-15%。
根据科学家们的说法，一旦对钠离子电池的高效材料进行了更多的研究，它们很可能会取代锂离子蓄电池用于重型电动汽车，如公共汽车和卡车，以及风能、太阳能发电厂和其他地方的固定能量存储。
2.广西大学研究团队研究出一种可从雾中收集水滴的纤维素
纤维素是地球上最古老、最丰富的天然高分子，是一种具有强吸湿性的可再生材料，其分子骨架上丰富的羟基为雾收集提供了高效的亲水域。然而，连续的亲水域会导致表面成核液滴的钉扎以及凝聚水膜的界面屏蔽。
鉴于此，广西大学研究团队从仙人掌刺和甲壳虫翅膀表面构造中获得灵感，发明了可从雾中收集水滴的纤维素新材料。通过选择性调控纤维素表面自由能的极性分量和色散分量，实现了非连续的分子级亲/疏水域。随后将其涂敷在非对称刺表面，简单构造了可以实现液滴快速成核和去除的双重仿生表面。值得注意的是，雾滴与收集器之间自发的界面电荷作用被首次开发和利用，水收集效率高达93.18kg/（m2·h）。
3.中科院化学所有机固体实验室发现碳家族单晶新材料
碳材料一直被认为是一种未来材料，甚至有的材料学家认为人类社会将由现今的“硅基电子时代”迈入到未来的“碳基电子时代”。通过调节碳材料的带隙，可以使其表现出迥异的电学性质（如金属、半导体和绝缘体），从而在晶体管、能源存储器件、超导等领域具有广泛应用。碳材料的性能与其拓扑结构密切相关，因此，研究新的二维碳同素异形体，特别是具有带隙的新型结构，建立结构与物性之间的关联，具有重要意义。
6月16日，中国科学院化学研究所研究员郑健团队在国际学术期刊《自然》（Nature）上发表了题为Synthesis of a monolayer fullerene network 的新成果。该工作在常压下通过简单的反应条件，创制了一种新型碳同素异形体单晶—单层聚合C60。这是一种全新的簇聚二维超结构，由 C60簇笼在平面上通过C-C键相互共价键合形成规则的拓扑结构。这种新型碳材料具有较高的结晶度和良好的热力学稳定性，并具有适度的禁带宽度，为碳材料的研究提供了全新思路。
迄今为止构筑二维材料的最小单元是单个原子，被称为人造原子的纳米团簇作为基本单元构筑更高级的二维拓扑结构一直未能实现。由于碳碳成键的反应收率不是100%且反应不可逆，因此使用传统化学反应自下而上通过分子“垒砖头”的方法制备二维团簇碳材料单晶几乎无法完成。郑健课题组历时5年，利用掺杂聚合-剥离两步法，成功制备了单层二维聚合C60单晶，获得了确凿的价键结构。
二维单层聚合物C60的结构
该研究工作由中科院化学所有机固体实验室独立完成。该工作得到科技部国家重点研发计划纳米科学专项、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项和北京分子科学国家研究中心的支持。
图a：准六方聚合C60的单晶结构示意图，每个C60与周围6个C60通过C-C共价键相连。
图b：单层聚合C60的STEM图片，C60笼簇在STEM图片中显示为圆环。
4.多名科研人员发现超高力学性能新材料
美国北卡罗来纳州立大学Dickey实验室博士后王美香以第一作者的身份，在Nature Materials上发表论文，介绍了一种重0.2克却可以提起5公斤重的物体的“绳子”。这是一种力学性能惊人的新材料，它不但具有很好的拉伸性能，拉伸长度能达600%，而且还非常坚韧。这款新材料属于离子液体凝胶的一种，在抗拉伸性能和韧性上创造了这类材料的最高纪录，也展现出比水凝胶更广阔的应用前景。
“通常凝胶的机械性能很弱，比如豆腐。但在自然界中也有例外，比如人体内的软骨。一些研究人员一直在努力制造坚韧的凝胶，这启发了我们。”论文共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学Dickey实验室负责人Michael D. Dickey告诉《中国科学报》。
此次创造出的离子液体凝胶含有超过60%的离子液体，主要包含丙烯酸和丙烯酰胺两种物质，前者是用于婴儿尿不湿吸水的主要材料，后者是用于隐形眼镜的主要材料。最后，混合材料兼具了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸离子液体凝胶的优点，实现了1+1≥10的效果。
王美香介绍，新材料透明度达90%以上，其内部的聚合物网络微结构使凝胶拥有极高的力学性能，可拉伸而且非常坚韧。拉伸的长度能达600%，模量有约50个兆帕，断裂强度约有13个兆帕。这是目前离子液体凝胶界的最高纪录。
论文中展示的是用0.2克的离子液体凝胶材料，轻松提起1公斤重量的物体。事实上提起5公斤的重量也不在话下，但因实验室没有5公斤的标准件，他们后来用5公斤的水桶做了实验，材料本身不会有任何破损。
不同凝胶在提起1公斤重物时的表现
5.新发现Nat Phys-铜氧化物高温超导新材料
铜氧化物cuprate材料，尤其是共角CuO4铜氧corner-sharing CuO4 plaquettes备受关注，主要是因为在其中发现了高温超导、自旋与电荷、或自旋与轨道自由度分离等奇异状态。在这些系统中，自旋通过超交换机制强烈地反铁磁性耦合，不同化合物之间具有不同的高近邻耦合。还已知铜氧化物的电子性质，对垂直于CuO2平面上出现的顶角氧apical oxygens、距离和位移高度，都非常敏感。
德国马克斯·普朗克固体研究所Nikolay A. Bogdanov，Ali Alavi团队在Nature Physics上发文，报道了两个铜氧化物，Sr2CuO3和La2CuO4，反铁磁antiferromagnetic AF超交换最近邻耦合J的从头算ab initio量子化学计算。前者缺少顶角氧，而后者每个CuO2单元含有两个顶角氧，在每个Cu原子周围形成扭转八面体环境。对于两个系统，获得了与实验估计良好的一致性。对关联波函数和扩展超交换模型的分析表明，库仑相互作用和O–Cu跳跃存在着重要协同效应，即关联呼吸增强跳跃机制correlated breathing-enhanced hopping mechanism。这是超级交换模型中的一种新成分。抑制这种机制，会产生AF耦合的急剧减少，表明它在产生强相互作用中是最重要的。研究还发现，当Cu和顶角氧之间的距离增加时，反铁磁AF超交换耦合J显著增加。
6.天津大学成功研制仿生向日葵新材料
作为向光性植物的典型代表，向日葵不仅可以感知阳光的方向并随之响应，而且可以自发不断地紧紧追踪阳光运动，表现出了一种自我调节的生物智能。天津大学封伟教授团队受自然界向日葵向光特性启发，成功开发了一种能“追光”的智能新材料——基于MXene增强液晶弹性体的仿生向日葵管状液晶驱动器。相关成果已发表于国际权威期刊《先进功能材料》。
天津大学成功研制仿生向日葵新材料
“作为概念验证演示，我们用这种新材料制备了一个‘仿生向日葵’，它能够实时迅速追踪不断变化的非聚集光源。”封伟教授说，“这项研究不仅为开发兼具感知、自反馈和执行功能的软物质智能材料提供了新思路，还有望为高分子智能材料在自适应光电子学、智能软机器人等领域的应用研究奠定基础。”
“自然界是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。向日葵独特的向光性为我们开发新型仿生智能材料与技术提供了丰富的灵感。”据封伟教授介绍，液晶弹性体是一类优异的智能高分子材料，兼具聚合物弹性和液晶各向异性，同时具有多刺激响应性、类似肌肉的机械性能、可逆驱动变形以及形状可编程等性能，在仿生智能材料、人工肌肉和自适应系统等领域均具有广泛的应用前景。
7.美研究人员发现新材料可使电池寿命增加50％
不可充电电池（原电池）依然在许多重要用途中发挥着关键作用，例如起搏器等植入式医疗设备。美国麻省理工学院研究人员利用一种对能量输送具有活性的材料，代替传统的非活性电池电解质，以提高原电池的能量密度。在给定的功率或能量容量下，新方法可使电池使用寿命增加50%，或相应地减小尺寸和重量，同时还能提高安全性，而成本几乎没有增加。
更换心脏起搏器或其他医疗植入物中的电池需要进行外科手术，因此延长电池寿命可能对患者的生活质量产生重大影响。之所以在此类重要设备中使用原电池，因为在给定尺寸和重量的情况下，原电池可提供大约3倍于可充电电池的能量。
研究团队创新的关键是一种新型电解质。使用一种新的液态氟化化合物，他们发现可将阴极和电解质的一些功能结合在一种化合物中，这可减轻典型原电池的大部分重量。
研究人员解释说，除了这种新化合物之外，还有其他材料理论上可在高容量电池中发挥类似的阴极电解液作用，但这些材料的固有电压较低，与传统起搏器用CFx电池中的电压不匹配。因为电池的总输出不能超过两种电极材料中较小的那个，额外的容量会因为电压不匹配而浪费掉。但是对于这种氟化液体新材料，其主要优点之一是它们的电压与CFx的电压非常一致。
在传统CFx电池中，液体电解质必不可少。但是，这些电解质实际上是化学惰性的，构成电池重量的一部分。这意味着大约50%的电池关键部件（主要是电解质）是非活性材料。但在采用氟化阴极材料的新设计中，自重可减少到20%左右。
8.学者发现新材料帮助糖尿病伤口快速愈合
生命科学与药学学院的专家筛选了315种不同的聚合物表面，检查了每种聚合物的不同化学组成，直到他们确定了一种聚合物类型，这种聚合物可以积极驱动成纤维细胞和免疫细胞促进愈合。工程学院的一个团队制造了小颗粒，在其表面用这种聚合物装饰。这些颗粒可以直接应用于伤口区域。
聚合物是一种化学化合物，由分子以长的重复链结合在一起。这种结构使聚合物具有独特的性能，可以针对不同的用途进行调整。使用聚合物微粒，该团队展示了这种新材料如何在动物模型上输送到伤口时，在长达96小时的时间内产生三倍多的成纤维细胞活性，并实现了80%以上的伤口闭合。这种新型聚合物可以作为涂层应用于标准伤口敷料，以提供快速有效的治疗。
诺丁汉大学生命科学学院的Amir Ghaemaghami教授是这项研究的主要作者之一，他说：“这项研究是朝着能够为糖尿病伤口创造一种新的、低成本的、有效的治疗方法迈出的重要一步。我们所看到的结果仅在一个应用程序中获得，这可能会对患者产生变革性影响，因为他们目前的治疗通常需要训练有素的医疗专业人员进行重复治疗。”
诺丁汉大学药学院的Morgan Alexander教授补充道：“我们在之前的工作中已经展示了新型聚合物的医疗潜力；我们的细菌生物膜抗性材料被用于NHS的导尿管，显示了这种材料如何通过改变聚合物表面的细菌细胞行为来防止感染。这些聚合物也有可能容易地应用于敷料，我们已经与行业合作伙伴合作开发这有助于伤口愈合。
9.提速100万倍，MIT发现用于人造模拟突触速度的新材料
由麻省理工学院（MIT）研究人员组成的多学科团队使用实用的无机材料，显著推动了先前开发的一种人造模拟突触的速度极限，将设备的运行速度提快100万倍，约比人脑中的突触快约100万倍。
不仅如此，这种无机材料还使电阻器非常节能。与早期版本的设备中使用的材料不同，新材料与硅制造技术兼容，因此可使制造纳米级设备成为可能，并可能为集成到深度学习应用的商业计算硬件铺平道路。
可编程电阻器是模拟深度学习的关键组成部分，就像晶体管是数字处理器的核心元件一样。通过在复杂层中重复可编程电阻器阵列，研究人员可以创建一个模拟人工“神经元”和“突触”网络，就像数字神经网络一样执行计算。然后可以训练该网络以实现复杂的AI任务，例如图像识别和自然语言处理。
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