一大波新材料横空出世，改变世界超出你想象（八十七）

　　废糖转化合成功能材料

　　生物炼制设施对于推动经济增长至关重要，其主要作用是将木屑、草屑和其他生物材料转化为燃料、热量、动力和化学物质。

　　目前，研究人员发现了一种利用生物精炼过程中产生的不纯废糖制造功能材料的方法。

　　研究人员利用水热碳化这种在高温高压条件下将生物质转化为碳的合成技术，将废糖转化为球形碳材料。这些碳球可以用来形成改进的超级电容器，超级电容器是一种能量存储设备，可以实现对智能手机、混合动力汽车和安全警报系统等的技术供电。

　　通过改进合成过程，研究人员创造了两种新的碳球。在压力下将糖和水混合会产生固体球，而用乳液物质(一种使用化学物质将油和水混合的液体)代替水通常会产生空心球。

　　研究人员称：“只要用水代替这种液体，我们就可以控制碳的形状，从而可能对超级电容器的性能产生巨大影响。”研究小组还发现，改变合成的持续时间会直接影响球体的大小和形状。

　　为了进一步探索实心碳结构和空心碳结构之间的差异，研究人员在纳米材料科学中心( CNMS )使用透射电子显微镜( TEM )和小角度X射线散射( SAXS )工具来表征碳样品的性能和结构。

　　研究小组测试了一个超级电容器，该超级电容器带有由空心碳球制成的电极，在5000次充电循环后，该电极保留了大约90 %的电容——储存电荷的能力。虽然超级电容器不能像电池一样储存那么多能量，但是它们比电池有很多优点，比如充电速度更快，寿命更长。而且将一些技术既包含提供日常能量的电池，也包含在峰值功率需求期间提供额外支持的超级电容器。

　　电池一般只能支持智能手机和其他电子设备的使用，但是超级电容器对于许多大功率应用来说非常有用，例如，如果一辆车开着许多乘客登上陡峭的山坡，额外的压力可能会导致超级电容器启动。

　　从废糖到空心碳球再到超级电容器的路径展示了生物精炼厂以前未开发副产品的新潜力。研究人员正在计划寻找和测试从废糖中提取的碳材料的其他应用，例如用碳纤维增强聚合物复合材料。

　　利用废物流也有助于科学家在更大范围内追求各种形式的可持续能源。生物炼制可以产生可再生能源和化学物质的有益组合，但是还没有盈利到足以与传统能源竞争的程度。然而，研究人员预计，从废物中开发的有用材料不仅有助于提高效率和降低成本，而且还能使这些设施的产出成为石油和其他化石燃料的可行替代品。

　　小分子实现多重荧光发射

　　过去，人们须用多种不同材料才能发射出不同波长的荧光，而且红光到近红外光只有靠结构复杂的“大分子”才能发出。如今，只用一种结构单一、便宜易得的“小分子”荧光染料，就能实现从绿光到近红外光的多重荧光发射。

　　据介绍，研究人员利用一种经过芳基修饰的氟硼荧光染料，首次实现了从绿光到近红外光的多重荧光发射。令人惊奇的是，这些多重发射峰不仅可被不同的激光光源照射产生，而且多重发射峰之间存在“多米诺”式的能量转移过程，因此有望在新一代照明显示、生物成像、疾病诊疗等领域得到广泛应用。

　　将来若用于电视屏幕上，只用这一种材料就可使屏幕色彩更鲜艳明快、多姿多彩；若将这一小分子染料放进血管，便可让医生透过血管中荧光信号的变化，更准确清晰地看到机体中病变的部分。

　　氯化铬吡嗪：新型量子电子纳米材料

　　研究人员合成了一种具有电学和磁学特性的新型纳米材料，这将应用在未来量子计算机和其他电子领域。

　　氯化铬吡嗪（化学式CrCl2(吡嗪)2）是一种层状材料，也就是是所谓的2D材料的前体。原则上2D材料仅具有单个分子的厚度，这通常导致其性能与相同成分的3D材料相差很大，尤其是在电学性能方面。在3D材料中，电子的运动可以是任意方向；而在2D材料中，只要电子的波长大于2D层的厚度，它们就会被限制为水平移动。

　　石墨烯是一种最典型的二维材料。石墨烯由碳原子组成晶格结构，这使其具有显著的强度。自2004年首次合成石墨烯以来，科学家们已经合成了数百种其他2D材料，其中一些可能应用在量子电子领域。但这些材料如同石墨烯一样都是无机的，而氯化铬吡嗪是一种有机/无机混合材料。

　　这种材料代表着一种新型的化学反应，我们可以替代其中的某些反应模块从而改变材料的物理和化学性质。而在石墨烯中这是无法做到的。例如，人们不能用其他原子替换石墨烯中的一部分碳原子。这种方法可以更精确地设计2D材料的属性。

　　除了电学性能外，氯化铬吡嗪的磁学性能也可以精确的设计。这与“自旋电子学”密切相关。普通电子学只涉及到了电子的电荷，而自旋电子学涉及到了更深层次的量子力学性质——自旋。这对于量子计算应用非常有意义。因此，电学和磁学性质对纳米级材料的发展至关重要。

　　除了量子计算之外，氯化铬吡嗪可能在未来的超导体、催化剂、电池、燃料电池和电子产品中引起关注。

　　高性能导电水凝胶纤维

　　弹性可拉伸导电纤维是制备可拉伸电子器件的关键材料。导电水凝胶具有一定的弹性和可拉伸性，但导电水凝胶中的高分子链通常处于无序排列的状态，这种无序结构限制了导电水凝胶材料的力学性能和导电性能。通过调控导电水凝胶中高分子链的排列和取向，从而制备出具有有序结构的导电水凝胶纤维，是制备弹性可拉伸导电纤维的一种新策略，并具有重要的应用价值。

　　蜘蛛丝具有多层次的有序结构，从而表现出优异的力学性能。受蜘蛛丝的有序结构和纺丝方法的启发，中国科学技术大学马明明课题组通过凝胶纺丝的方法，实现了调控导电水凝胶中高分子链的排列和取向、制备出高性能导电水凝胶纤维的目标：在室温下由聚丙烯酸钠（PAAS）溶液直接纺丝得到水凝胶纤维，通过涂覆聚丙烯酸甲酯（PMA）防水层，形成具有核-壳结构的PMA-PAAS水凝胶纤维（MAPAH纤维）。在MAPAH纤维中，PAAS结晶区和非晶区共存并且可以快速可逆互变，使MAPAH纤维表现出优异的机械性能、导电性能以及抗冻性能。MAPAH纤维具有高拉伸强度（5.6 MPa）和大断裂伸长率（1200％），并且可以在大幅度拉伸后快速回复。PAAS水凝胶作为导电芯（电导率为2 S m-1），PMA层作为防水和绝缘涂层，使MAPAH纤维可以作为具有高可拉伸性的弹性导线。MAPAH纤维在-350C也能保持其可拉伸性和导电性，表现出优异的抗冻性能。作为一种高性能和低成本的弹性可拉伸导电水凝胶纤维，MAPAH纤维将可用于开发基于纺织材料的可拉伸电子器件。

　　多功能石墨烯复合材料

　　研究人员将具有丰富官能团的氧化石墨烯加入仿生矿化凝胶体系，形成氧化石墨烯、无定形碳酸钙纳米粒子、聚丙烯酸交联网络结构（图1）。提出了一种室温下快速合成多功能石墨烯宏观组装体的方法。通过调节水分含量调控石墨烯组装体的软硬状态，实现反复造型功能及可回收性，有望用于石墨烯材料的多维多尺度快速加工与成形。

　　该复合材料在湿润状态下具有柔性、延展性及可拉伸性，可实现复杂造型。在干燥条件下保持原有造型，具有高强度、韧性及硬度。通过水分控制实现了两种状态的可逆转变。此外，该复合材料具有极佳的重塑性和自愈合能力，可进一步修饰或加工以满足各种特定的应用需求（如能源储存、促动器、传感器）。该方法具有简便、高效、低成本等特点，可推广至其它材料的灵活组装。

　　来源：材料科技在线、中国科学报、材料科技在线、中国科大新闻网、MaterialsViews

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