一大波新材料横空出世，改变世界超出你想象（八十三）
仿生人工木材
研究团队成功研制出一种新型仿生人工木材，具有轻质、高强度、耐腐蚀、隔热防火等优点，有望代替天然木材，实现在苛刻或极端条件下应用。
天然木材的独特平行孔道结构赋予了其轻质高强的特点，有关仿木头结构的研究是国际上仿生材料研究领域的热点之一。然而，传统的仿木头结构材料是“徒有其型”，虽然以往的研究实现了取向孔道结构的模仿，但其力学性能远不能令人满意。因此，如何制备真正具有轻质高强特点的仿木材结构材料是仿生材料研究领域面临的挑战。
最近，研究团队发明了一种冰晶诱导自组装和热固化相结合的新技术，以传统的酚醛树脂或密胺树脂为基体材料，成功研制了一系列具有类似天然木材取向孔道结构的新型仿生人工木材。
据介绍，该系列仿生人工木材具有轻质高强、耐腐蚀和隔热防火等优点，且力学强度优于已开发的多种仿木结构的陶瓷材料，与天然木材性能相当。
专家称，作为一种新型的仿生工程材料，其多功能性优于传统的工程材料，这类人工木材有望代替天然木材，实现在苛刻或极端条件下的应用。此外，这种合成方法为制备和加工一系列高性能仿生工程材料提供了新的思路，其功能的可设计性等优点将有助于拓宽该方法和制备的材料在多种技术领域中的应用。
新型材料可用于修复人体器官或组织
科研人员开发了一种由胶原蛋白和壳聚糖组成的类似于骨组织的三维多孔材料。这种材料可以使因外伤或疾病而缺失的骨头得到恢复。
科学家们表示，这种材料开启了医疗领域的新大门，对俄罗斯乃至全世界都有着巨大的影响。这项新材料的名称还没有确定，它们现在暂被称为“戏弄”材料，因为它们具有欺骗身体的能力。这种聚合物基质可以被植入受损的肝组织、骨骼或血管中，并充满它们的细胞。由于这些材料是由生物相容性成分（壳聚糖和胶原蛋白）制成的，所以身体也不会发现并排斥这种“外来物”。基质会随着时间的推移而分解，人造组织逐渐被自然组织取代。
科学家们发明了具有生物相容性的聚合物材料
图片来源：圣彼得堡理工大学
实验室负责人解释道：“我们并非在欺骗自然，而是在帮助它解决一个医学问题。专家们目前正在讨论使用植入物和恢复器官的优劣性。使用人造器官的患者在整个余生都必须有药物为伴，以防身体发生排斥反应。毕竟人造器官不是从人类细胞中培养出来的。”
而人造器官的发展则是现代医学的当务之急。这一领域的成功发展在很大程度上都要归功于生物相容性聚合物材料的产生。
这种技术，不仅可以制造出能刺激自然组织恢复的生物相容性材料，而且还可以控制恢复时间。植入物必须保证在组织成型之前不发生解体。临床结果表明，一块嵌入骨头的三维海绵会在一段时间后被自然的骨组织覆盖，而材料本身则会分解。此外，适用于肝脏组织和肌肉组织胶原蛋白海绵也得到了医学界的大力发展，这也刺激了器官自然组织的恢复。
研究人员还开发了伤口覆盖、血管修复和缝合线等技术。这些材料已经在活体临床试验中证明了自己的有效性。因此医学界希望可以将这些材料用于组织工程和细胞移植。
新型超级绝缘凝胶
气凝胶是当前最轻且优质的热绝缘材料，其重量的 9 成以上都是空气。但云雾状的浑浊外观，意味着它们难以当做“窗户”来使用，毕竟这是导致热量逃离建筑物的原因之一。好消息是，科罗拉多大学的研究人员们，已经找到了将之变透明的方法，重点是借助啤酒酿造时的副产品。
新型透明气凝胶，被安置在一个压着玻璃板的浴缸中
气凝胶的主要组成部分也是空气，这使得它们成为极佳的绝缘体，并且已经普遍用于砖块、小房子、以及冬季夹克中。然而要将它们变成窗户的话，不得不考虑其独特的材料结构：气凝胶具有十字交叉的固体材料结构，能够产生数十亿个气孔来吸收空气、但也散射出大量光线，使它们有时看起来会被称作‘冷冻烟雾’。
为此，团队着手开发一种更加透明的气凝胶。它不仅可以安装在窗户上让光线通过，还能保持住热量。为此研究人员转向了纤维素材料，这是一种常见的植物糖，可以操纵其分子、以均匀的格子图案连接起来。但最机智的是，他们采用了收购来的液体废弃物。作为啤酒酿造的副产物，啤酒麦汁通常会被工厂丢弃掉。但在被该团队回收后，他们添加了专门的细菌，可以在大约两周的时间内，从啤酒麦芽汁中制造纤维素。对于手上的材料，研究团队可以诱导纤维素自组装称纳米纤维，然后用于制造凝胶。最终结果是，它不仅薄膜透明，且高度耐热。
团队称，透明气凝胶的最佳案例，就是粘贴在窗户上的薄膜。它可以大大提升隔热性，在增加热效率的同时、成本更加低廉。此外，这项技术还有许多其它应用前景，包括智能衣物、汽车绝缘、以及消防防护。
透明度是一项实用的功能，因为你可以在窗户上使用这种凝胶，甚至在外星生境中使用它。你可以通过隔热材料采集和储存阳光的能量，保护自己免受火星或月球上巨大的温差振荡。
高性能仿贝壳云母薄膜让电子器件“柔软透明”
从合肥工业大学获悉，研究人员创新性地采用“解组装—仿生组装”的两步策略，以廉价天然云母粉为原料，成功实现高质量云母纳米片的大量制备，并组装成高性能透明柔性仿贝壳结构云母复合膜。
云母是一种常见的层状结构铝硅酸盐天然矿物，具有特殊的可见光透过和紫外屏蔽性能，并有高电气绝缘性、耐酸碱与高温稳定性等优点，是未来柔性透明电子器件等领域的理想材料。但由其制备的天然云母粉的粒径大且纵横比低，剥离成高质量的云母纳米片极为困难，难以通过仿生组装制备高性能的宏观尺度膜。
科研人员通过液相剥离制备的单层或少层超薄云母纳米片在溶液中可以稳定分散超过1个月。同时，利用喷涂技术，成功将超薄云母纳米片与壳聚糖混合溶液组装成微纳尺度上具有“砖—泥”层状结构的仿贝壳结构云母复合膜，并进行了组分和结构优化。研究结果表明，当云母含量达到60％时，这一新型复合膜显示出优异的机械强度、良好的可见光透过率（38％—65％），以及独特的紫外屏蔽性（62％—100％），其整体性能优于天然片云母和其他种类的粘土仿贝壳薄膜。经受144小时紫外（313nm）照射后，拉伸性能几乎不变，因此具有优异的抗紫外老化性能。
由于这一成果易于工业化放大，而且在聚合物复合材料以及透明的紫外屏蔽涂层的研发中可以普遍推广，在柔性透明电子器件等领域应用前景广阔。同时也为廉价低品位的天然碎云母的精加工和升级应用提供了新的思路和技术。
这种柔性电池或能使衣服发光发热
能像毛线一样编织，能像纸板一样对折，也能像皮肤一样紧紧贴在身上。这样轻便柔韧的材料居然是电池。容量达到600毫安时每克以上，循环寿命超过1000次，500次以上对半折也不影响其性能……近日，南京大学化学化工学院研究团队在高容量柔性能源器件方面取得的新进展引起了不少人的关注。
研究人员利用碳纳米管、石墨烯和无机纳米纤维等材料的高柔韧性和导电性，用来充当储能电极材料的优秀柔性“骨架”。在这些材料的基础上，经过巧妙的结构设计，坚固厚重的电池在研究人员手里逐渐改变了传统的模样。
一般而言，能源器件分两种，一种负责能源存储，一种负责能量转换。前者将电能存储为化学能，在需要使用的时候释放，所对应的是锂离子等储能电池，被称为化学电源器件；后者往往可以将光能等其它形式的能量转换成电能，例如太阳能电池，其所对应的能源器件被称为物理电源器件。
无论哪种能源器件，如果做成柔性、便携和集成化的，都可能开拓新的应用领域。光电转换效率达到9.5%，可以弯折、缠绕、打结，能够实现仅需7秒钟的快速充电……除了储能电池，研究人员在柔性太阳能电池方面也取得了新的成果。
该团队以碳纳米纤维材料为基础，通过修饰TiO2和MoS2二维材料制备出了多功能的同轴纳米复合纤维电极材料。利用这种纤维电极组装了可弯折、可编织的柔性线状太阳能电池和光充电能量纤维，获得了优异的性能，并且能够在光照下快速自发充电。与传统平面状能源器件相比，纤维状能源器件质量更轻、柔性更好、集成度更高，同时有可能在未来像高分子纤维一样通过纺织技术进行大规模的生产和应用，从而满足各种便携式和可穿戴柔性电子设备的需求。
想象一下未来穿上可以提供电能、发光发热的衣服吧，你的冬天不再冷冰冰。警示服、腕表、射频卡片……柔性电池可以做到让能源随身携带。除了民用，柔性电池也能满足未来信息化作战的能源供应需要。
来源：国际仿生工程学会、材料科技在线、学术帮、科技日报、中国科学报
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