...吸光材料、軟硬重複可變的超材料、可降解「蠶絲蛋白骨釘」 ……

原標題：材料最前沿：對抗高精度武器的變色材料、近完美柔性寬頻紅外吸光材料、軟硬重複可變的超材料、可降解「蠶絲蛋白骨釘」 ……

整理：諶為

• 俄羅斯開發出可對抗高精度武器的變色材料

• 美研發出可軍民兩用近完美柔性寬頻紅外吸光材料

• 日本研發在晶片上形成GaN元件功率半導體的關鍵技術

• 美密西根大學發明表面軟、硬重複可變的超材料

• 芝加哥大學研發能使任何材質都浮得起來的熱懸浮技術

• π共軛路易斯鹼—高效的鈣鈦礦太陽能電池界面修飾

• 廉價的高性能等離激元材料—三維雜化鋁納米結構陣列

• CVD法製備石墨烯清潔無損轉移難題攻克，高端應用迎來曙光！

• 「黑紙」造出超低價太陽能蒸餾器，或可解決飲用水難題

• 科研人員發明可降解「蠶絲蛋白骨釘」

俄羅斯開發出可對抗高精度武器的變色材料

據俄塔社2017年2月23日莫斯科報導，俄羅斯電子儀器公司（隸屬於俄羅斯國家技術公司）的研究人員研製出能夠通過改變顏色來躲避高精度武器攻擊的變色材料，該種材料可以改變顏色，甚至可以根據需要形成諸如樹葉之類的複雜圖像。該種塗層是一種特殊的聚合物材料，在電脈衝的作用下可以改變顏色。利用該技術形成的塗層具有低可見性，可將被保護的目標隱藏起來。目前俄羅斯完成這種變色材料模型及其控制系統的開發。

該種合成材料在對抗高精度武器方面具有廣闊的前景。因為當前的制導設備是在識別分析圖像和目標特性的基礎上進行制導，而該種材料是一種可見光視覺偽裝技術，且無明顯的熱輻射或者電磁輻射特徵，未來在對抗高精度武器打擊上是一種較好的偽裝與屏蔽措施。

（來源：國防科技信息網，作者：中國船舶工業綜合技術經濟研究院 董姍姍 丁宏）

美研發出可軍民兩用

近完美柔性寬頻紅外吸光材料

美國工程師網站2017年2月2日報導，美國加利福尼亞大學聖地牙哥分校的研究人員近日開發出一種輕薄、柔性的紅外吸光材料。這種輕薄材料的吸光效率超過太陽能電池的3倍，可以吸收超過87%的近紅外光（波長從1200-2200納米），其中98%是1550納米波長光。以上紅外波段是光纖通信的波段。因此，這種材料被稱為近完美寬帶吸收體。

這種材料可以轉移到任何類型的基底上，可以大規模生產，並應用到大表面積的設備上。因此具有廣闊的應用前景，例如，可以阻擋熱探測，用作透明窗口塗層，在軍用上可以讓裝備實現紅外隱身，在民用上可以讓建築物和汽車在太陽下保持涼爽。該技術目前仍處於開發階段。研究人員繼續嘗試不同材料、幾何形狀和設計，開發在不同波長光起作用的吸光體。

（來源：國防科技信息網，作者：中國航空工業發展研究中心 胡燕萍）

日本研發在晶片上

形成GaN元件功率半導體的關鍵技術

GaN功率半導體是碳化矽功率半導體的下一代技術。日本通過發光二極體的開發積累了GaN元件技術，GaN晶片生產量佔據世界最高份額。功率半導體有利於家電、汽車、電車等的節能，產業需求很大。GaN功率半導體中，矽基板上形成橫型GaN系的高電子遷移率電晶體等設備已經量產，但是，GaN基板上形成GaN的金屬-氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）高性能設備的研究剛剛起步。

日本三菱化學及富士電機、豐田中央研究所、京都大學、產業技術綜合研究所的聯合團隊成功解決了在氮化鎵（GaN）晶片上形成GaN元件功率半導體關鍵技術。日聯合團隊製作了高質量2英寸GaN晶片和MOSFET。三菱化學面向功率半導體改良了GaN晶片量產技術「氨熱熱法」。優化晶體成長條件，將晶片平均缺陷密度，減少到以往的數百分之一、每1平方釐米數千個水平。富士電機等製作的MOSFET，元件性能指標之一的移動度比碳化矽功率半導體高，確保了實際工作所必要的正閾值電壓。豐田中央研究所通過新離子注入法試製成功了GaN的pn結。

「新一代功率電子工業」為日內閤府發展戰略性創新創造計劃的一環。今後，日研究團隊將從晶片到元件形成、加工技術、基礎物性的解讀等各個方面入手，檢驗其實用性，特別要將元件縱型製作，以便通過大電流。

（來源：科技部）

美密西根大學發明表面軟

硬重複可變的超材料

2017年1月23日，美國密西根大學宣布，該校的研究團隊發展了一種新方法來設計一種超材料，使該材料可在軟、硬之間切換，同時不損壞材料或進行外部改變。該項研究成果的論文已發表於《自然通訊》。

密西根大學指出，新方法可簡化對材料的控制，以此設計的超材料可使表面硬度產生數量級的改變——提升前後硬度的區別相當於橡膠和鋼之間的區別。由這些性質是「拓撲保護的」，即材料的性質來自其總體結構，不會因為外力改變，因此能軟硬狀態之間來回變化。研究人員表示，「這種超材料的創新在於其表面可在軟、硬兩種狀態之間變化，而傳統材料的硬度一般很難被改變，在材料製成的時候，它的軟或硬就已經確定了」。他表示，這種新材料可能在未來被用作建造新型汽車或運載火箭。「當你駕駛車輛時，你希望自己的車堅固耐用並且可以支撐足夠的負載……在撞擊發生後，你希望所有的車身組件都可以免得更加柔軟有彈性，來吸收碰撞中產生的能量，從而保護車中的乘客」；在運載火箭上，可以抵抗結構損傷，幫助火箭等進行重複利用。該校研究人員認為，這種材料還可用於自行車輪胎，使之可自動適應沙地等鬆軟路面，使騎行更加輕鬆。

（來源：空天防務觀察（ID:AerospaceWatch）作者：中國航空工業發展研究中心 陳濟桁）

芝加哥大學研發能使

任何材質都浮得起來的熱懸浮技術

芝加哥大學研究團隊利用真空腔中金屬板之間的溫度差，在兩塊金屬板之間懸浮起了各種各樣的物體，例如陶瓷球、聚乙烯球、玻璃泡、冰粒、棉線、薊花種子等等。

這項工作在懸浮時長、方向、方法等多個方面都取得了突破性進展：時長上，相比與以往懸浮時長僅幾分鐘的技術，該技術能夠保持一小時以上的懸浮；方向上，該技術既能從徑向又能從縱向控制住懸浮穩定性，而以往則只能實現縱向控制；方法上，該技術採用了溫度梯度，以替代以往研究中的光或磁場。這項工作發表在了今年1月20日的《應用物理快報》（Applied Physics Letter）上。

Chin說：「磁懸浮只能用於磁性顆粒，光懸浮則只能用於能被光極化的物體，但這種全新的熱懸浮技術能夠讓普通物體都懸浮起來，這是史無前例的。」

Mykhaylo Usatyuk（左）與Frankie Fung（右）。

圖片來源：Jean Lachat

該文章的第一作者Fung說：「大溫度梯度所產生的力可以平衡重力，實現物體的穩定懸浮。我們定量測算了熱泳力，定量結果與理論預測值吻合得很好，這讓我們的後續工作成為可能，讓我們能夠進一步研究不同種類物體的懸浮。」（熱泳是指顆粒在溫度梯度的作用下進行運動的現象。）

研究人員表示，該裝置可以用作新型陸地平臺（ground-platform），幫助研究人員探索天體物理學、化學、生物學等系統中的動態過程。

因其在空間、大氣與天體化學研究中的廣泛應用，科學家對宏觀物體在真空環境下的懸浮很感興趣。此外，熱泳現象已經在氣溶膠熱沉澱器（aerosol thermal precipitator）、核反應堆安全性、光纖的真空沉積法製備中取得了應用，能夠在製備過程中慢慢累積原子層或分子層。

芝加哥大學的物理學榮譽教授Thomas Witten認為，這種新的懸浮方法具有重要意義，因為這種方法能夠在無接觸、無汙染的條件下操縱物體。「例如，在微機電系統方面，這種方法開闢了大批量組裝微小零件的新方法，而且還能測量這些系統中非常小的力。」

他補充道：「該研究也促使我們去探討『從動氣體（driven gas）』與一般氣體究竟有何區別，『從動氣體』在這裡指的是由熱流等因素驅動的氣體。『從動氣體』有望用於在懸浮顆粒之間建立起新形式的相互作用。」

這篇論文總結說，陸地上的物體懸浮實驗可以為研究人員提供理想平臺，用於研究顆粒在純淨、孤立環境下的動力學與相互作用過程。目前，Chin實驗室正在研究如何懸浮起尺寸大於1釐米的宏觀物體。同時，他們也在探討物體在無重力環境下是如何發生相互作用或聚集起來的。

（來源: 芝加哥大學、環球科學）

π共軛路易斯鹼—

高效的鈣鈦礦太陽能電池界面修飾

半導體材料中的缺陷態是限制半導體器件性能提高的主要因素之一。有機—無機雜化鈣鈦礦作為一種新興的高性能光伏材料，具有超長的載流子擴散長度，大大降低了其晶體內部的載流子複合。然而其多晶薄膜表面缺陷是不可避免的，表面缺陷態密度通常也比晶體內部要高出幾個數量級。因此，如何簡單高效地鈍化表面缺陷是提高鈣鈦礦太陽能電池性能的研究重點之一。

以最為常用的雜化鈣鈦礦材料CH3NH3PbI3為例，CH3NH3PbI3的熱穩定性較低，同時其組分CH3NH3I容易從晶體結構中分離，因此在CH3NH3PbI3多晶薄膜製備過程中，不可避免的熱退火工藝會分解表面的CH3NH3PbI3生成PbI2，從而形成的大量的未飽和的Pb缺陷。此類缺陷是正電荷缺陷，較容易與富電子的路易斯鹼相結合，從而達到鈍化缺陷的效果。

最近，美國內布拉斯加大學林肯分校的黃勁松教授課題組採用了一種π共軛的路易斯鹼作為鈣鈦礦太陽能電池的界面修飾材料，該材料可以通過簡單地低溫溶液加工，理論及實驗證明其具有高效地鈍化CH3NH3PbI3表面缺陷的能力。與此同時，該類材料也具有很好的n型半導體性能，從而實現了對鈣鈦礦層光生電荷有效提取。最終，π共軛路易斯鹼鈍化的鈣鈦礦太陽能電池器件獲得19.5%的光電轉化效率。研究中採用的π共軛路易斯鹼由合作者北京大學佔肖衛教授課題組提供。該研究工作為開發高效的鈣鈦礦半導體器件界面材料提供了新的設計思路。此類材料不僅應用在太陽能電池中，也可以廣泛地應用在光電器件領域，例如超快光探測器、發光二極體等。

相關文章發表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201604545）上，文章第一作者是黃教授課題組的林禹澤博士。

（來源：MaterialsViews）

廉價的高性能等離激元材料

三維雜化鋁納米結構陣列

等離激元（plasmonic）納米材料在入射光的照射下，產生局域表面等離激元共振現象，在材料表面形成很強的電場，因而，在光譜傳感器、太陽能利用等領域擁有廣泛的應用前景。基於貴金屬的研究表明，間距為納米級尺寸的兩個顆粒之間存在強烈的等離激元共振耦合效應，能夠進一步促進電場增強，也稱為「熱點」。「熱點」可顯著提升光譜傳感器的靈敏度，提高太陽能-電能/化學能轉化效率。因此，納米結構中的等離激元耦合是形成「熱點」的關鍵。傳統貴金屬（金、銀）等離激元材料成本高，且銀表面易氧化導致穩定性不佳。金屬鋁是一種新興的、廉價等離激元材料，具有紫外到可見光波段等離激元共振特性，很有希望代替貴金屬，特別對於紫外-表面增強拉曼光譜（SERS）領域，鋁是一種很理想的襯底材料，近兩年受到關注。然而，目前已報導的鋁納米結構主要是由孤立的納米顆粒構成的二維陣列，結構單元之間距離很大，缺少等離激元耦合或「熱點」。因此，較低的「熱點」密度嚴重製約了這種低成本等離激元材料的發展。

近期，天津大學材料學院楊靜研究團隊開發了一種簡便、高效的雷射液氮直寫技術，在鋁片上一步原位製備了面積為1平方釐米左右、具有高密度等離激元「熱點」的三維雜化鋁納米結構（3D-Al-HNSs）。3D-Al-HNSs由三維堆積的雜化單元組成，而每個雜化單元由數個20 nm的Al@Al2O3核殼納米顆粒自組裝在一個50 nm的大顆粒上構成。數值模擬表明，每個雜化結構中相鄰顆粒之間的薄氧化鋁層能夠激發強烈的雙重等離激元共振耦合，形成「熱點」，氧化層表面的電場增強明顯高於文獻報導的其他鋁納米結構；此外，雜化結構的三維堆積可進一步提高「熱點」密度。這種大面積、高密度「熱點」的鋁納米結構具有很強的深紫外到可見光寬波段的光捕獲能力。同時，該材料可直接作為紫外-SERS的襯底，應用於痕量分子檢測。實驗結果表明，其SERS增強因子比已報導的鋁納米材料高出至少三個數量級，對於非共振分子的檢測極限和SERS增強因子達到了貴金屬水平。另外，該結構的等離激元特性和探測靈敏度具有長達六個月的穩定性，結構穩定好，並且可以多次重複使用。該研究工作為研發低成本、高性能鋁基等離激元材料提供了新思路，這種新型鋁納米結構在等離激元傳感器及太陽能轉換等領域應用前景廣闊。

相關論文發表在Advanced Functional Materials （DOI: 10.1002/adfm.201605703）上，並以Inside Back Cover形式報導。

（來源：MaterialsViews）

CVD法製備石墨烯清潔無損轉移難題攻克

高端應用迎來曙光！

化學氣相沉積（CVD）方法製備的大面積石墨烯薄膜在柔性有機發光二極體（OLED）、有機太陽能電池等薄膜光電器件領域具有重要的應用前景，而其潔淨、無損轉移是實現上述應用的關鍵。雖然目前發展了多種以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為代表的高分子作為轉移介質的轉移方法，但高分子與石墨烯間的相互作用較強且不易在溶劑中溶解，導致轉移後的石墨烯表面有大量的高分子殘留和破損，不僅降低了石墨烯的光電性能，還極大地增加了石墨烯的表面粗糙度，如PMMA轉移後單層石墨烯的表面粗糙度可達數百納米。

因而，以此作為透明電極製備的薄膜器件易發生短路、效率低，大面積器件的製備尤為困難。目前已報導的採用石墨烯作為透明電極的OLED器件的發光面積大多小於1平方釐米，而有機太陽能電池的活性面積則小於0.6平方釐米。

最近，金屬所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室先進炭材料研究部石墨烯研究組發展了一種以小分子松香作為轉移介質的轉移方法，實現了大面積石墨烯的潔淨、無損轉移。相比於傳統使用的PMMA等高分子轉移介質，小分子松香樹脂不僅易溶於多種有機溶劑，與石墨烯的相互作用弱得多，而且可以形成足夠強度的薄膜以起到在轉移過程中支撐石墨烯的作用。

上述結果為CVD方法製備的石墨烯等二維材料的潔淨無損轉移提供了一個通用策略，對促進其在大面積電子、光電等器件中的應用具有重要意義。

該成果得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委傑出青年基金、重大項目、創新群體以及中科院重點部署項目等的資助，於2月24日在Nature Communications上在線發表（Nature Communications, DOI: 10.1038/NCOMMS14560, 2017）。

（來源：烯碳資訊）

「黑紙」造出超低價太陽能蒸餾器

或可解決飲用水難題

飲用水資源枯竭和衛生條件惡化是全球人類面對的嚴峻挑戰之一。有預測稱，到了2025年，世界上將有半數的國家面臨淡水資源緊張的嚴峻形勢，而到2050年，世界上75%的人口將面臨水資源短缺的困境。因此，提升水資源供給能力和研發消毒淨化技術就顯得至關重要。目前，在水資源淨化和海水淡化領域中，反滲透膜分離技術佔據主導地位。然而，該方法不但成本高，對環境影響也比較大。因此，有必要開發一種既能滿足實際需要，又符合「可持續」原則的水資源淨化方案。為解決這一需求，世界各國的研究者都在研發新技術，其中，太陽能蒸餾器就是目前最有前景的技術之一。

太陽能蒸餾器裝置實物圖及戶外實驗，來源：Global Challenges

近日，紐約州立大學布法羅分校的甘巧強課題組和復旦大學的江素華課題組等合作，設計出一種可攜式太陽能蒸餾器。該系統不需要昂貴笨重的光學聚焦組件，通過使用價格低廉的炭黑粉末、親水多孔紙張和聚苯乙烯泡沫塑料製成的「黑紙」，可以使太陽能轉換效率達到88%（太陽能的88%都被用於蒸發水）。這使得1平方米大小的這種裝置在太陽光下每小時可純化1升左右的水，而且無需光學裝置聚光，這一速度是當前商用裝置的數倍。更重要的是，這種裝置的原材料成本小於2美元每平方米，極具大規模推廣的市場前景。該工作發表於Global Challenges雜誌，並被Science網站作為亮點報導（DOI: 10.1126/science.aal0699）。

（來源：X-MOL資訊）

科研人員發明可降解「蠶絲蛋白骨釘」

基於傳統的起固定作用的醫療器械「骨釘」目前大多採用鈦合金或不鏽鋼製成，病人康復後有二次手術取出的困擾。近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所傳感技術聯合國家重點實驗室研究員陶虎帶領團隊，使用傳統紡織業的蠶絲最新研發了一種可降解且降解速度可控的生物醫療器械。陶虎團隊在實驗室完成了從蠶繭到蠶絲再到蠶絲蛋白溶液、提取成固體，最後用車床精密加工成骨釘的生物材料製作過程。該生物材料除了具備精確可控的降解功能外，還具備包裹藥物、微整形、信息隱藏、食品保鮮、藥物儲藏等多方面功效。日前，該項技術已經完成動物實驗階段，並進一步與生物醫藥企業合作，開展臨床研究，預計三到四年內可產品化並上市，進而形成產、學、研一體化創新發展。該項技術一旦成型問世，有望將傳統的低附加值的產業變成高科技高附加值的生物醫藥產業。

（來源：中國科學院上海微系統與信息技術研究所）

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