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新材料之探索 | 2016年新材料技术发展盘点二
时间:2018-03-27 12:42:14    文字大小:【】【】【

新能源材料

   新能源材料是实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料,目前重点发展的有太阳能电池光伏材料、储能技术中的动力电池材料、风能材料、生物质材料等。

                  

1. 锂电池和氢燃料混合动力小型飞机试飞

    2016 年9月,德国的团队成功试飞一架只需要氢燃料的小型飞机,飞机由飞机制造商蝙蝠(pipistrel)公司、德国乌尔姆大学、德国宇航中心共同研发,这架 飞机不会排出各类碳化合物,只会有少量的水蒸气排出。据称,这架飞机使用锂电池和氢燃料混合动力,飞行速度可达165千米/时,最长续航距离约为1500 千米。


2. 美国“太阳能计划”推出 

     2016 年10月29日,马斯克在美国洛杉矶的环球影城全面展示了他的“太阳能计划”,他直接把太阳能板和屋顶瓦片整合在了一起,推出了全新的屋顶太阳能瓦片,瓦 片有四种花纹可以选择,以适应不同类型的房屋。发布会上的另一个重点就是特斯拉全新的Powewall 2.0家用储能电池,最大的变化在于容量的提升,相比老款的7 kWh和10 kWh两个版本,powewall 2.0的性能提升了一倍,14kWh的储电量,额定输出功率为5kW,自带逆变器(将直流电变为交流电),可以保证一个两居室公寓一整天的用电。


生物医用材料

生物医用材料发展迅速,据有关数据,2020年全球市场将超5000亿美元,从2010年起,年均增长率达15%。

                               

1. 完全降解吸收的心血管支架投放市场 

    2016 年7月,美国雅培公司(Abbott)生产的Absorb GT1全吸收式生物血管支架系统(BVS)获得美国食品药品监督管理局(FDA, Food and Drug Administration)的上市批准,用于冠状动脉疾病的介入治疗。该产品是全世界首个能完全降解吸收的心血管支架产品,也是全世界第一个非金属基 的心血管支架,目前已经在包括美国在内的100多个国家上市销售。


2. 生物3D打印技术可制备大尺寸且结构稳定的人体“活”组织 

    2016 年2月,生物3D打印器官获得新突破。美国维克森林大学科学家开发了一款“集成型组织-器官打印机”。这项技术突破了传统生物3D打印机打印尺寸和强度的 局限,可以打印大尺寸且结构稳定的“活”组织。科学家目前已成功打印出耳朵、下颌骨、颅骨和肌肉组织,距离打印出真正的人体组织乃至器官又迈进了一大步。

新一代信息技术材料

    2016 年,随着信息载体从电子向光电子和光子的转换步伐的加快,信息功能材料与器件正向材料、器件、电路一体化的功能系统集成芯片材料和纳米结构材料方向发展。 光通信、光传感、光存储和光转换技术是发展的重点方向。微型化仍然是信息技术的主要发展趋势,描述微电子技术发展的摩尔定律也扩展为“延续摩尔定律”和 “超越摩尔定律”两条发展途径。微电子技术的发展体现在降低单位功能成本的系统级芯片和功能多样化、集成化。低功耗、低成本、高性能和高可靠性是未来光电 子器件必需具备的基本要求,光电子集成是光电子技术发展的必由之路,微纳结构光电子器件是下一代新型光电子器件发展的主攻方向。

                                    

1. 研究人员开发出全球最小晶体管 

     2016 年10月,美国劳伦斯伯克利国家实验室的科学家利用碳纳米管和二硫化钼开发出了栅极只有1纳米、全球最小的晶体管。长期以来,栅极长度是衡量晶体管性能的 重要指标之一,一般认为小于5纳米的栅极难以正常工作。该研究团队放弃基于硅材料来缩小器件尺寸的传统思路,选择二维半导体材料二硫化钼。然而对于硅基器 件,如果栅极线宽小于5纳米时,将会产生量子隧穿效应,栅极势垒将无法阻止电子从源极流向漏极,导致晶体管无法关闭。由于二硫化钼的阻抗更高,因此在栅极 线宽较小的情况下,源漏电流仍可经由栅压控制。二硫化钼材料的厚度还可进一步缩小至原子水平,从而带来更小的介电常数,在栅极线宽缩小至1纳米时,这些特 性将有助于优化对晶体管内电流的控制。由于传统光刻技术并不适用于这样小的尺度,研究人员转向了碳纳米管,采用碳纳米管栅极的二硫化钼晶体管能够有效控制 电子流动。该成果表明,晶体管的栅极不再被局限至大于5纳米。通过采用新型半导体材料和适当的器件结构,在一段时间内摩尔定律将继续适用。


2. 硅基激光器研究获得重大突破  

     2016 年3月,英国伦敦大学学院研究人员携手来自英国谢菲尔德大学及英国卡迪夫大学的科研团队在硅光电子领域取得突破性进展,相关工作发表在国际顶级学术期刊 Nature Photonics。该团队在国际上首次直接在硅衬底上利用分子束外延技术生长III-V族量子点激光器的方法,将高性能III-V族通信波段激光器集成 到硅衬底上,实现了可实用高性能硅激光器,打破了硅基光电子领域30多年来没有可实用硅基光源的瓶颈。该硅激光器工作于1310纳米通信波段,其预计使用 寿命超过10万个小时。这一突破性进展为未来大规模硅基光电子集成找到了新的方向。

节能环保材料

1. 欧洲成功实现卷对卷生产柔性OLED材料 


     2016 年4月,基于TREASORES项目,瑞士联邦材料科学与技术实验室(Empa)专家Nüesch开发出了可以像报纸一样卷对卷式生产的柔性照明箔片。这 种柔性电极的三种基质——碳纳米管、金属纤维或银薄片或于今年商业化生产,将大幅度降低OLED生产和使用成本。在Fraunhofer FEP研究所,带有该项目标志的OLED光源卷已经在银薄片上采用卷对卷技术制成。项目进一步的研究成果将着眼于探索新的方法来发展、检测、扩大生产透明 屏蔽箔(防止氧气和水蒸气接触到有机电子设备的塑料薄层),这种屏蔽层能够有效延长电子设备的寿命。

                                          

2. 防雾霾利器——更轻、更薄、过滤效果更好的纤维材料

    2016 年3月,俄罗斯科学院理论与实验生物研究所的研究团队合成出一种可用于保护呼吸器官、分析研究和其他用途的理想材料。它主要由直径小于15纳米的尼龙纤维 制得,且具有超轻(10-20mg/m2),近乎透明(95%的透光度),对空气流动阻力低以及能够拦截极细小颗粒(小于1微米)等特点,在性能上它远超 同类材料。该材料可用于净化空气和水,并且有望在生物研究中发挥作用。

 

纳米材料

 

1. Pt基金属合金纳米结构的ORR超高质量活性

    随着能源危机和环境污染的日益加剧,开发新型的清洁能源变得刻不容缓。其中涉及电化学过程的氧还原反应(ORR)是最具实际应用前景的能源转换和存储方式之 一。2016年12月,美国加州大学伯克利分校的研究团队在此领域取得了突破。报道了一种带有锯齿结构的Pt纳米线,在ORR反应中实现了超高质量活性。 高应力的表面是这种锯齿结构Pt纳米线ORR质量活性提高的重要原因。2016年11月,美国斯坦福大学崔屹课题组的研究获得突破,该团队开发了一种利用 电池电极材料直接、连续控制Pt纳米催化剂的晶格应力,并调控其ORR催化活性的普适性策略。

                               

2. 利用太阳能转化CO2为燃料,纳米结构催化剂效率提升千倍

    将二氧化碳(CO2)转化为燃料是近几年的研究热点。由于CO2自身的化学惰性,导致催化效率低。因此,研究者们一直在寻找开发更高活性的催化剂。美国伊利 诺伊大学芝加哥分校的Amin Salehi-Khojin和阿贡国家实验室的Larry A. Curtiss等科学家在2016年7月报道了一种高效的过渡金属二硫属化合物(如WSe2)纳米结构催化剂,并设计出一种新型太阳能电化学催化反应装 置,能在低过电位下于离子液体中直接将CO2转化成合成气,生成一氧化碳的效率可达传统银纳米颗粒催化剂的1000倍,整个过程廉价且高效,稳定性好。随 后作者设计了一种新型太阳能电池装置。采用上述装置模拟太阳光,系统能量转换效率约4.6%,而采用相同装置分解水反应的能量转换效率为2.5%。连续使 用100小时性能未见明显下降。

(以上内容来自中国材料研究学会分发表的《2016年世界十大新材料技术发展盘点》)

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