一大波新材料橫空出世，改變世界超出你想象（八十七）

　　廢糖轉化合成功能材料

　　生物煉製設施對於推動經濟增長至關重要，其主要作用是將木屑、草屑和其他生物材料轉化爲燃料、熱量、動力和化學物質。

　　目前，研究人員發現了一種利用生物精煉過程中產生的不純廢糖製造功能材料的方法。

　　研究人員利用水熱碳化這種在高溫高壓條件下將生物質轉化爲碳的合成技術，將廢糖轉化爲球形碳材料。這些碳球可以用來形成改進的超級電容器，超級電容器是一種能量存儲設備，可以實現對智能手機、混合動力汽車和安全警報系統等的技術供電。

　　通過改進合成過程，研究人員創造了兩種新的碳球。在壓力下將糖和水混合會產生固體球，而用乳液物質(一種使用化學物質將油和水混合的液體)代替水通常會產生空心球。

　　研究人員稱：“只要用水代替這種液體，我們就可以控制碳的形狀，從而可能對超級電容器的性能產生巨大影響。”研究小組還發現，改變合成的持續時間會直接影響球體的大小和形狀。

　　爲了進一步探索實心碳結構和空心碳結構之間的差異，研究人員在納米材料科學中心( CNMS )使用透射電子顯微鏡( TEM )和小角度X射線散射( SAXS )工具來表徵碳樣品的性能和結構。

　　研究小組測試了一個超級電容器，該超級電容器帶有由空心碳球製成的電極，在5000次充電循環後，該電極保留了大約90 %的電容——儲存電荷的能力。雖然超級電容器不能像電池一樣儲存那麼多能量，但是它們比電池有很多優點，比如充電速度更快，壽命更長。而且將一些技術既包含提供日常能量的電池，也包含在峯值功率需求期間提供額外支持的超級電容器。

　　電池一般只能支持智能手機和其他電子設備的使用，但是超級電容器對於許多大功率應用來說非常有用，例如，如果一輛車開着許多乘客登上陡峭的山坡，額外的壓力可能會導致超級電容器啓動。

　　從廢糖到空心碳球再到超級電容器的路徑展示了生物精煉廠以前未開發副產品的新潛力。研究人員正在計劃尋找和測試從廢糖中提取的碳材料的其他應用，例如用碳纖維增強聚合物複合材料。

　　利用廢物流也有助於科學家在更大範圍內追求各種形式的可持續能源。生物煉製可以產生可再生能源和化學物質的有益組合，但是還沒有盈利到足以與傳統能源競爭的程度。然而，研究人員預計，從廢物中開發的有用材料不僅有助於提高效率和降低成本，而且還能使這些設施的產出成爲石油和其他化石燃料的可行替代品。

　　小分子實現多重熒光發射

　　過去，人們須用多種不同材料才能發射出不同波長的熒光，而且紅光到近紅外光只有靠結構複雜的“大分子”才能發出。如今，只用一種結構單一、便宜易得的“小分子”熒光染料，就能實現從綠光到近紅外光的多重熒光發射。

　　據介紹，研究人員利用一種經過芳基修飾的氟硼熒光染料，首次實現了從綠光到近紅外光的多重熒光發射。令人驚奇的是，這些多重發射峯不僅可被不同的激光光源照射產生，而且多重發射峯之間存在“多米諾”式的能量轉移過程，因此有望在新一代照明顯示、生物成像、疾病診療等領域得到廣泛應用。

　　將來若用於電視屏幕上，只用這一種材料就可使屏幕色彩更鮮豔明快、多姿多彩；若將這一小分子染料放進血管，便可讓醫生透過血管中熒光信號的變化，更準確清晰地看到機體中病變的部分。

　　氯化鉻吡嗪：新型量子電子納米材料

　　研究人員合成了一種具有電學和磁學特性的新型納米材料，這將應用在未來量子計算機和其他電子領域。

　　氯化鉻吡嗪（化學式CrCl2(吡嗪)2）是一種層狀材料，也就是是所謂的2D材料的前體。原則上2D材料僅具有單個分子的厚度，這通常導致其性能與相同成分的3D材料相差很大，尤其是在電學性能方面。在3D材料中，電子的運動可以是任意方向；而在2D材料中，只要電子的波長大於2D層的厚度，它們就會被限制爲水平移動。

　　石墨烯是一種最典型的二維材料。石墨烯由碳原子組成晶格結構，這使其具有顯著的強度。自2004年首次合成石墨烯以來，科學家們已經合成了數百種其他2D材料，其中一些可能應用在量子電子領域。但這些材料如同石墨烯一樣都是無機的，而氯化鉻吡嗪是一種有機/無機混合材料。

　　這種材料代表着一種新型的化學反應，我們可以替代其中的某些反應模塊從而改變材料的物理和化學性質。而在石墨烯中這是無法做到的。例如，人們不能用其他原子替換石墨烯中的一部分碳原子。這種方法可以更精確地設計2D材料的屬性。

　　除了電學性能外，氯化鉻吡嗪的磁學性能也可以精確的設計。這與“自旋電子學”密切相關。普通電子學只涉及到了電子的電荷，而自旋電子學涉及到了更深層次的量子力學性質——自旋。這對於量子計算應用非常有意義。因此，電學和磁學性質對納米級材料的發展至關重要。

　　除了量子計算之外，氯化鉻吡嗪可能在未來的超導體、催化劑、電池、燃料電池和電子產品中引起關注。

　　高性能導電水凝膠纖維

　　彈性可拉伸導電纖維是製備可拉伸電子器件的關鍵材料。導電水凝膠具有一定的彈性和可拉伸性，但導電水凝膠中的高分子鏈通常處於無序排列的狀態，這種無序結構限制了導電水凝膠材料的力學性能和導電性能。通過調控導電水凝膠中高分子鏈的排列和取向，從而製備出具有有序結構的導電水凝膠纖維，是製備彈性可拉伸導電纖維的一種新策略，並具有重要的應用價值。

　　蜘蛛絲具有多層次的有序結構，從而表現出優異的力學性能。受蜘蛛絲的有序結構和紡絲方法的啓發，中國科學技術大學馬明明課題組通過凝膠紡絲的方法，實現了調控導電水凝膠中高分子鏈的排列和取向、製備出高性能導電水凝膠纖維的目標：在室溫下由聚丙烯酸鈉（PAAS）溶液直接紡絲得到水凝膠纖維，通過塗覆聚丙烯酸甲酯（PMA）防水層，形成具有核-殼結構的PMA-PAAS水凝膠纖維（MAPAH纖維）。在MAPAH纖維中，PAAS結晶區和非晶區共存並且可以快速可逆互變，使MAPAH纖維表現出優異的機械性能、導電性能以及抗凍性能。MAPAH纖維具有高拉伸強度（5.6 MPa）和大斷裂伸長率（1200％），並且可以在大幅度拉伸後快速回復。PAAS水凝膠作爲導電芯（電導率爲2 S m-1），PMA層作爲防水和絕緣塗層，使MAPAH纖維可以作爲具有高可拉伸性的彈性導線。MAPAH纖維在-350C也能保持其可拉伸性和導電性，表現出優異的抗凍性能。作爲一種高性能和低成本的彈性可拉伸導電水凝膠纖維，MAPAH纖維將可用於開發基於紡織材料的可拉伸電子器件。

　　多功能石墨烯複合材料

　　研究人員將具有豐富官能團的氧化石墨烯加入仿生礦化凝膠體系，形成氧化石墨烯、無定形碳酸鈣納米粒子、聚丙烯酸交聯網絡結構（圖1）。提出了一種室溫下快速合成多功能石墨烯宏觀組裝體的方法。通過調節水分含量調控石墨烯組裝體的軟硬狀態，實現反覆造型功能及可回收性，有望用於石墨烯材料的多維多尺度快速加工與成形。

　　該複合材料在溼潤狀態下具有柔性、延展性及可拉伸性，可實現複雜造型。在乾燥條件下保持原有造型，具有高強度、韌性及硬度。通過水分控制實現了兩種狀態的可逆轉變。此外，該複合材料具有極佳的重塑性和自癒合能力，可進一步修飾或加工以滿足各種特定的應用需求（如能源儲存、促動器、傳感器）。該方法具有簡便、高效、低成本等特點，可推廣至其它材料的靈活組裝。

　　來源：材料科技在線、中國科學報、材料科技在線、中國科大新聞網、MaterialsViews

　　往期相關文章推薦

　　一大波新材料橫空出世，改變世界超出你想象（八十六）

　　一大波新材料橫空出世，改變世界超出你想象（八十五）

　　一大波新材料橫空出世，改變世界超出你想象（八十四）

　　一大波新材料橫空出世，改變世界超出你想象（八十三）

　　一大波新材料橫空出世，改變世界超出你想象（八十二）

　　一大波新材料橫空出世，改變世界超出你想象（八十一）

　　一大波新材料橫空出世，改變世界超出你想象（八十）

　　一大波新材料橫空出世，改變世界超出你想象（七十九）

　　其他：大國博弈|貿易戰| 習近平|DARPA|蘭德研究報告|潘建偉| 梅宏|李德毅|盧秉恆|王鳳嶺 | 名家言論 |國防建設 |外軍動態其他主題文章陸續整理中，敬請期待······

　　小藍君