讓所有老外驚愕窒息！ 俞書宏院士研發的到底是種什麼材料？

要說最近一段時間化工界什麼話題最火，材料一定是繞不開的話題。因為疫情的影響，從口罩到熔噴布再到聚丙烯，我們快速見證了熔噴布從一文不名到五十萬/噸的天價，而後又跌的讓很多投機商褲衩不剩的情況。之所以如此瘋狂，和很多媒體的引導是分不開的，但和很多行業的靠概念炒作不一樣，化工行業一直是依靠技術推動的。化工人堅信大潮退去才知道誰在裸泳。

當有些人在忙著投入身家性命去炒概念，另一批人則在務實的科研和創新。同樣在五月份，化工界的一件大事成為公眾街頭巷尾熱議的重點：中國科學技術大學俞書宏院士團隊在國際上首次將納米纖維素加工成一種新材料，該材料在汽車、航空航天等領域具有應用前景，並有望替代工程塑料減少汙染。

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1纖維素納米紙

納米纖維素(NC)作為自然界來源豐富的可再生天然高分子材料，不僅具備纖維素的基本性質， 還擁有納米材料的一些特殊性能，有著巨大的發展潛力。目前，以納米纖維素為基本單元成功製備了多種性能優異的結構和功能材料， 極大提高了纖維素的附加值和利用效率。由納米纖維素通過真空過濾等方法製備的纖維素納米紙(CNP)不僅擁優異的力學性能、光學性能和熱性能，同時還具有來源豐富、可再生的優點，是一種極具前景的柔性、透明膜材料。目前已被成功應用於太陽能電池、超級電容器和有機發光二極體等柔性/可穿戴電子領域。

納米纖維素來源( 包括植物、動物和微生物) 廣泛、儲量豐富， 是人類近期難以人工合成的材料之一。根據材料來源、製備方法及纖維形態不同，納米纖 維素可分為纖維素納米晶體(CNC)、纖維素納米纖絲(CNF)、細菌合成納米纖 維(BNC)和靜電紡絲纖維(ECC)4大類。

纖維素納米紙的疏水改性及應用研究纖維素表面含有大量的活性羥基，造成它具有強烈的親水性。在水分子的作用下，纖維素內部氫鍵斷裂，纖維素納米紙整體結構遭到破壞，機械性能急劇下降。甲矽烷基化、 乙醯化/酯化、聚合物接枝和物理吸附等有效改善了纖維素納米紙的表面疏水性，同時一定程度上提高了纖維素納米紙在潮溼環境下的應用性能。儘管纖維素納米紙的疏水改性研究已有多年，但依然存在兩個主要問題:第一、 改性過程中保持纖維素的原始結構和性能發生破壞。由於大量分子間氫鍵和高結晶度，納米纖維素具有優異的力學性能， 改性過程中羥基逐步被其它官能團取代或被疏水分子包裹遮蔽纖維素納米紙的力學性能受到一定程度的影響。此外結晶度的下降會進一步削弱其力學性能． 第二、「綠色化」 改性問題。目前化學改性通常使用大量有機溶劑，不僅造成一定的環境汙染問題， 還增加了成本，不利於大規模的產業化生產。

研究表明以水作為反應溶劑進行化學改性是一種可行的、環境友好的方法。隨著纖維素改性技術的不斷的深入發展與完善，製備的柔性、透明纖維素納米紙材料會逐漸趨於高性能和多功能，其應用會更加廣泛，並在各種高端領域發揮出前所未有的價值。

2硼墨烯

位於元素周期表中的第五位元素硼, 其豐富的化學結構和多樣的成鍵方式僅次於有機化學和生物科學中的核心元素——碳元素。硼的缺電子性質導致其必須通過多中心鍵的方式共享電子以平衡體系的電子分布, 因此硼團簇多具有獨特的幾何結構和電子離域的成鍵特性。近年來, 硼團簇及其材料的研究越來越受到人們的重視, 並取得了一系列研究成果。

科學家一直感興趣這種單層二維材料的獨特屬性，特別是其電子性質。硼墨烯是一種不同尋常的材料，因為它在納米尺度表現出很多金屬特性，而三維硼或者散狀硼都只是非金屬半導體。因為硼墨烯同時具有金屬性和原子厚度，從電子產品到光伏發電都具有廣泛的應用可能性。

與其在元素周期表上的「鄰居」碳元素相似，硼也經常以不同的「面孔」示人，被稱為「同位異形體」。石墨由很多二維層堆疊而成，可以被整層「撕開」，但對於二維硼墨烯而言，則不具備這樣的屬性。領導這項研究的納米科學家南森·郭爾辛格說：「硼墨烯非常有趣，它不同於先前的二維材料，不會自然出現。」

對這些硼墨烯薄膜的分析顯示，有些薄膜和「硼墨烯」分子結構模型具有一定的相似之處，都是由36個硼原子形成三個相互聯結的準平面環，中間留下一個六邊形的空洞。不過，這些新型薄膜並非由單個分子構成，而是由若干層這樣的環狀結構組成，顯示出面外彎曲振動特徵。這些片段會自行形成一個六邊形結構，中間環繞著一個硼原子，就好像一隻蜜蜂坐在蜂巢正中間一樣。此外，科學家還觀察到了其它結構，如一種絲帶狀的材料等。

同素異形體的微觀結構並非由二維結構堆疊而成, 因此硼墨烯無法像石墨烯一樣可以經過層間剝離產材料的合成在這項最新研究中，科學家使用物理氣相沉積技術製造出了硼薄膜。使用這種方法時，硼在超高級真空下被氣化。氣化後的粒子在真空中轉移到目標平面上(這項研究中採用的是銀)，並沉積成一層薄膜。研究人員能夠獲得一系列不同的平面硼結構，取決於硼粒子的移動方向和沉積條件。需要指出的是，發現和合成硼墨烯實際上藉助了計算機模擬仿真工具。

3冷沸材料

我們周圍的物質材料一般都是熱沸材料，隨著溫度的上升而依次呈現固、液、氣、等離子體四態。在宇宙中還存在著一種性質截然相反的冷沸材料，隨著溫度的下降而依次呈現固態、液態和氣態。在月球的骨架材料中，就大量存在著這種由四極夸克構成的冷沸材料。聚集態的冷沸材料在常溫及高溫為固態，在零下 121 ℃變為液態，在絕對溫度 3 K(約零下 270 ℃變為氣態(也稱游離態)。冷沸材料的特殊性能在月球的特殊構造的形成過程中發揮了關鍵作用。月球的構成極不均勻，一側是密度為 3. 2 ～3. 4 g/cm3的月巖，另一側 4 ～6 km 深的月球內部則含有大量由四極夸克構成的天然冷沸材料，密度約為 0. 05 g/cm3; 在月球表面 40 ～60 km 以下的月核部分所含的冷沸材料的純度更高。聚集態的冷沸材料在常溫和高溫時則熱而彌堅，愈熱強度愈高，冷沸金屬材料最高耐受溫度可達10 200 ℃，在常溫及高溫時均可保持電超導和磁超導特性; 冷沸非金屬材料可耐 7 400 ℃ 的高溫，是優秀的耐磨和阻磁材料。2006 年初英國劍橋大學的學者在對太陽周圍的暗物質暈進行觀察時發現，暗暈的溫度可以高達一萬多攝氏度，但更高的溫度區域就不再存在暗物質暈了，該項觀察結果印證了冷沸金屬材料的高溫極限。自然界中極少存在凝聚態的天然冷沸材料，只有像月球這樣的冷星球骨架材料中存在著四極凝聚態夸克(通常質子中的夸克都是三極的)可供採掘。我們之所以把冷沸材料稱為超級材料，是因為它具有一系列人類目前使用的熱沸材料所未有的性能，可以用於研製一系列前未有的航空航天發動機和飛行器、超級機械和電子設備，引發新一輪的工業科技革命。

根據《藍星科技暢想》，如能將質子的內核夸克和外圍的膠子分離，人工方法就可提取到夸克構成的冷沸材料，而利用介子射線器構成梯壓振動心聚真空射浮分離技術，即可大批量分解質子、實現工業化生產冷沸材料的目的。質子流被介子射線衝擊轟炸而發生分解之後所產生的夸克-膠子等離子體可在電磁離心機上加以分離。重質量的夸克從離心機上甩出後，保存在零下60攝氏度的環境中呈游離態。繼續降溫到零下121攝氏度並予以壓縮之後變為膠狀，可進行塑性加工；再降溫則呈現液態；當溫度低於絕對溫度3K之後，冷沸物質變成游離氣態，這也是「冷沸」一詞的由來。只要向冷沸物質中滲入一定量的惰性氣體，就可獲得在超低溫、低溫、常溫、高溫以及超高溫廣闊溫度範圍內都具有超級強度的固態材料。

4超高溫陶瓷

超高溫陶瓷材料（Ultrahigh-Temperature Ceramics,簡稱UHTCs）最早由美國空軍開發，主要指高溫環境（2000℃以上）和反應氣氛中（如原子氧環境）能夠保持化學穩定的一種特殊材料，通常包括硼化物、碳化物、氧化物在內的一些高熔點過渡金屬化合物，由上述化合物組成的多元複合陶瓷材料統稱為超高溫陶瓷材料。

如此優秀的高溫性能，航空航天領域必須要有超高溫陶瓷的一席之地。比如說高超聲速飛行器，它在長時間高超聲速巡航、跨大氣層飛行和大氣層再入等極端環境下，飛行器機翼前緣和鼻錐等關鍵部件在飛行過程中會與大氣劇烈摩擦，產生極高的溫度——如 Falcon計劃中機翼前緣的駐點區域溫度可以超過2 000℃，如果材料不夠「耐燒」，飛一趟就得報廢了。雖然除了超高溫陶瓷外，難熔金屬材料、C/C複合材料也都具備優異的高溫性能，但前者難加工、抗氧化能力差，後者C /C 在高溫下容易發生氧化，這都限制了它們在超高溫領域，尤其是在可重複使用飛行器上的應用。而陶瓷基複合材料，特別是過渡金屬硼化物（TiB2、YB4）和碳化物（ZrC等），由於具有高熔點、高硬度、高熱導率和適中的熱脹係數，具有良好的抗燒蝕性和化學穩定性，被認為是高超音速飛行器和再入式飛行器的鼻錐和前緣等部位最具前途的熱防護材料。

2017年時，曼徹斯特大學和中南大學的研究人員合作設計了一種陶瓷塗層，可以抵抗高速飛行器因高溫引起的兩個最大的問題——燒蝕和氧化。報導中稱有兩種候選材料被寄予厚望，一是ZrC，通常用於塗覆超音速飛行器的鑽頭和發動機零件；二是其表兄ZrB2，不僅可以在高達1500攝氏度的溫度下抗氧化，而且密度低且成本相對較低。不過後者有一定的風險，當硼原子確實被氧化時，就會使其易於被燒蝕，因此如果塗層的某個部分碰巧發生意外時，就會造成災難性的後果。不過，就算不「上天」，超高溫陶瓷材料在切削工具、電子材料、研磨材料等領域也有用武之地，例如具備高硬度的TaC就已在切削領域得到了應用。至於超高溫陶瓷還具有多少的其他潛力，就等科學家慢慢告訴我們吧！

5全息投影膜

透明全息投影膜擁有獨一無二的透明特性，在保持清晰顯像的同時，能讓觀眾透過投影膜看見背後景物。畫質100%清晰亮麗，非凡超薄境界，絕無空間設限。有此神奇效果，得益於在國際市場上首次發表的綜合衍射圖(hologram)技術的實際應用，是國際上首次實現在無論光源是否充足的情況下，皆能透過正面及背面兩側同時、多角度直接觀看影像的劃時代專利技術投影膜。全像彩色濾光板結晶體（HCFC）為核心材料，融合納米技術，材料學、光學、高分子等多學科成果和製備加工技術，以有機材料、無機納米粉體和精細金屬粉體為原料，生產而成。輕薄內部蘊含先進的精密光學結構，以達致高清晰、高亮度的完美顯像。

360度全息投影同樣能給人帶來極強的三維立體的效果，但實際上卻是一種偽全息顯像技術。因為根據維基百科的定義真正的全息影像技術是指通過相干光（ 雷射就是其中一種） 幹涉原理對圖像進行處理，以便可以精確地再現被記錄物體的三維外觀。是一種記錄被攝物體反射（ 或透射）光波中全部信息（ 振幅、相位）的照相技術。而360度全息投影技術便相對簡單。其中關鍵的顯像部分便是全息膜，它在保證了顯像清晰的情況下使觀察者能透過它清晰地看到其中的像。周杰倫與「 鄧麗君」的同臺對唱便利用了這樣的全息膜。兩者的原理也相差無幾，它們都利用了一種光學現象，即佩波爾幻象，來實現虛擬和現實的疊加。它要求觀察者既能看到材料上映出的像，又能透過材料看到另一邊，性能優良的全息膜便是極好的材料。再加上現代高超的數字渲染技術， 不同的畫面在空間中疊加便呈現出了極好的演示效果。與其說它的進步體現了全息投影技術的進步，不如說其代表了智能渲染技術的日臻成熟。

空氣投影和交互技術與360度全息投影技術同屬偽全息投影技術，但也是現今發展前景最好的一種顯像技術。迄今為止，它也是最接近科幻電影中全息投影效果的成像技術。利用特殊機器吸入空氣，經過加熱處理將其噴出，來改變空氣的成像特性（比如密度），之後再由特定方向射入光線，進行投影，使物體仿佛浮在空中。觀察者便能從各個方向觀察物體。這種成像模式在某種程度上也與海市蜃樓的形成原理類似，當氣體溫度發生變化， 氣體的折射率便也會隨著溫度的改變而改變。一般情況下，由於冷空氣的密度比熱空氣大， 其折射率便也顯著大於熱空氣。當光線從冷空氣（光密介質）入射進入熱空氣（ 光疏介質）時，全反射便也有了發生的條件。而在兩種介質間也會由於折射率不同而發生折射。於是， 在折射與反射的共同作用下，同時加以高性能計算機的協作，空氣投影和交互技術便能實現物體的三維成像工作。

要實現動態全息顯示，全息材料的解析度、可刷新速率、幹涉衍射效果和所顯圖像的尺寸等是使其實現的重要物理參數。而實現全息動態視頻一直以來的最大難題就是視頻的刷新速率。近些年，不少專家學者對於此問題仍出於研究狀態。2012 年，日本 Kinashi 等報導了光折變聚合物材料中刷新時間為 0.2 s 的準實時動態全息顯示結果。Ishii1 等為實現全息視頻的刷新，發現光致變色材料可作為全息介質。但要實現全息圖像的完全擦除更新需要 100 多毫秒，並且還有圖像拖尾嚴重影響可視度。上海大學高洪躍博士利用超快液晶薄膜實現了全息響應時間在毫秒量級的實時動態全息顯示，突破了動態全息顯示的技術瓶頸，真正實現了無串擾的全息視頻刷新。

從上面如此眾多的材料創新點上我們可以看出，以創新材料為代表的化學，不僅一個國家科研能力的表，更是決定了我們能否在不遠的將來能否搶佔技術制高點的關鍵。清華大學教授、中國科學院院士邱勇就曾經直言我國的新材料發展大大滯後於製造業的需求。所以在這裡我們也要說出化工人的心聲：請媒體不要再引導我們的年輕人變成短視的守財奴！我們需要的是有更多的俞書宏，而不是更多的熔噴布大亨！