2018年值得期待的20大新材料

　　2018-03-30 18:34技術

　　材料工業是國民經濟的基礎產業，尤其新興材料，將會給工業帶來革命性的變革。新材料是材料工業發展的先導，是重要的戰略性新興產業。21世紀的今天，科技革命迅猛發展，新材料產業升級、材料更新換代步伐加快。以下總結了2018年最具潛力的20大新材料。

　　01

　　特種纖維

　　

　　特種纖維是具有特殊的物理化學結構、性能和用途，或具有特殊功能的化學纖維。這些纖維大都應用於工業、國防、醫療、環境保護和尖端科學各方面。

　　特種纖維分別具有不同的特殊性能，如耐強腐蝕、低磨損、耐高溫、耐輻射、抗燃、耐高電壓、高強度高模量、高彈性、反滲透、高效過濾、吸附、離子交換、導光、導電以及多種醫學功能。

　　02

　　柔性電極材料

　　

　　柔性電極是將電子器件製作在柔性或可延性塑料或薄金屬基板上的電子技術。柔性電極可作為可穿戴電子器件。也就是說，如果成功，以後，我們帶有「智能」的衣服或者體內的供電設備就不會再被僵硬的電路掣肘了。

　　03

　　全息膜

　　

　　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發表的綜合衍射圖（hologram）技術的實際應用，是國際上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。

　　04

　　微格金屬

　　

　　微格金屬（microlattice）材料是由連通中空管構成的3D多孔聚合物材料，中空管壁厚度不足人體頭髮直徑的千分之一。它其中的金屬微點陣是由相互連接的空心支柱組成；每支柱的直徑～100um，壁厚100um，全部結構的99.99%為空氣；表觀密度為0.9g/cm3，是一種合成的多孔極輕3D開放式蜂窩聚合物結構金屬材料。

　　05

　　量子金屬

　　

　　由俄羅斯遠東聯邦大學、俄羅斯科學院遠東分院的科學家與日本東京大學的同行組成的國際研究團隊近日合成了世界上首例量子金屬。遠東聯邦大學發布消息稱，這種新材料具有以多晶硅為襯底的雙層鉈原子結構，當溫度低於零下272攝氏度時，變為超導材料。

　　實驗表明，二維繫統在轉變為絕緣體或超導體的同時，仍可保持正常的金屬態。這種不尋常的狀態被稱為量子金屬或玻色金屬。研究人員將繼續對這種合成材料的電子特性進行深入研究。

　　06

　　超固體

　　

　　超固體（Supersolid）是一種空間有序（比如固體或晶體）的材料，但同時還具有超流動性。換句話說，超固體同時具有固體和流體的特性。當量子流體，比如 He－4 冷卻到某特徵溫度以下時，He－4 將經歷超流轉變，進入一個零黏性的態。這個轉變被認為與發生玻色－愛因斯坦凝聚有關。

　　超固體是回到1969年由俄羅斯物理學家首先預測的。他們假設在某些條件下，氦-4同位素可以同時顯示固體和液體特性。

　　07

　　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。

　　08

　　過渡金屬硫化物

　　

　　TMDCs是具有MX2型的半導體，M代表過渡金屬（如Mo、W等），X代表硫族元素（如S、Se、Te）。TMDCs的研究歷史非常悠久，1923年Linus Pauling就確定了其結構，到1960s已經發現了超過60種TMDCs。1986年，單層的MoS2被首次合成，進一步推進了2D-TMDCs的研究。

　　09

　　錫烯

　　

　　單層錫原子構成的厚度小於0.4納米的二維晶體——錫烯，可在常溫下達到100％導電率的超級材料，其導電性只存在於材料的邊緣或表面，而不是內部。當拓撲絕緣體只有一層原子厚的時候，它的邊緣導電性就會達到完美的100％。遠勝近年來熱議的石墨烯，可實現室溫下無能量損耗的電子輸運。

　　10

　　新型透明導電材料

　　

　　美國賓州州立大學研究人員選擇了一種電子間相互作用大於其動能的材料，由於電子強關聯作用，電子能「感覺」到彼此，從而使其性質類似於「液體」，而不是沒有相互作用的「氣體」。這種電子「液體」仍然非常導電，但是可見光波段的反射卻大大降低，從而提高了透明度。

　　11

　　第三代半導體

　　

　　碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、氮化鋁等寬緊帶半導體材料。具有寬的禁帶寬度，高的擊穿電場，高的熱導率，高的發光效率，高的電子飽和速率及高的抗輻射能力。更適用於製作高溫高頻、抗輻射及大功率器件。

　　12

　　4D列印材料

　　

　　所謂的4D列印，比3D列印多了一個「D」也就是時間維度，人們可以通過軟體設定模型和時間，變形材料會在設定的時間內變形為所需的形狀。準確地說4D列印是一種能夠自動變形的材料，直接將設計內置到物料當中，不需要連接任何複雜的機電設備，就能按照產品設計自動摺疊成相應的形狀。

　　4D列印最關鍵是記憶合金。4D列印由MIT與Stratasys教育研發部門合作研發的，是一種無需印表機器就能讓材料快速成型的革命性新技術。大小形狀可以隨時間變化。

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　　金屬氫

　　

　　金屬氫是液態或固態氫在上百萬大氣壓的高壓下變成的導電體。導電性類似於金屬，故稱金屬氫。 金屬氫是一種高密度、高儲能材料，之前的預測中表明，金屬氫是一種室溫超導體。

　　金屬氫內儲藏著巨大的能量，比普通TNT炸藥大30─40倍。2017年1月26日, 《科學》雜誌報道哈佛大學實驗室成功製造出金屬氫[1] 。2017年2月22日，由於操作失誤，這塊地球上唯一的金屬氫樣本消失了。

　　14

　　高熵合金

　　

　　高熵合金概念由台灣科學家葉均蔚於1995年提出的。高熵合金含有多種主要元素，每種元素介於5%-35%之間。傳統金屬則是以一種元素為主，而高熵合金是多元素共同作用的結果。所以高熵合金是一種顛覆數千年以來的合金製備方法。與傳統合金相比，高熵合金錶現出更高的強度、硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐輻照等等。

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　　硼墨烯

　　

　　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。導電屬性具有方向性，較高的拉伸強度。

　

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　　鋰空氣電池

　　

　　鋰空氣電池，也稱為鋰-O2，有望使用質輕的方法改變本世紀的能源存儲方式。他們有很大的潛力，比目前為手機和平板電腦供電的鋰離子電池的能量高五倍。它甚至可能成為可充電電池，高達1000瓦時/公斤，所需要的僅是氧氣。這種電池可以用於燃料電動汽車和儲存太陽能板和風力渦輪機產生的電能。

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　　量子隱形材料

　　

　　「量子隱形」材料製作成衣服，透過反射穿衣者身邊的光波，可以使得穿著這種衣服的人達到「隱形」的效果。通過折射周圍光線來實現「完全隱形」。「量子隱形」材料完全可以在不藉助其他技術的情況下實現隱形，甚至可逃過紅外望遠鏡和熱力學設備的追蹤。

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　　冷沸材料

　　

　　隨著溫度的下降而依次呈現固態、液態和氣態。聚集態的冷沸材料愈熱強度愈高，冷沸金屬材料最高耐受溫度可達10200 ℃，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7400 ℃ 的高溫，是優秀的耐磨和阻磁材料。

　　冷沸材料的優異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。

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　　時間晶體

　　

　　時間晶體是一種四維以上的空間晶體晶格，在時空中擁有一種超短程的周期性結構運動。時間晶體的主特質是超對稱粒子的超對稱破缺即CPT破壞，並粒子組合在空間軸線做非平移運動，揭示了『超額外維度』粒子的客觀存在。

　　可以將它看作是一隻可以永遠保持走時精確無誤的鐘，即便是在宇宙達到熱寂之後也是如此。2012年初，時間晶體的理論由諾貝爾物理學獎得主麻省理工學院物理學家弗蘭克·維爾澤克提出，並在2017年10月31日由中國科學家在自然界的物質中首次「發現」時間晶體的天然真實存在。

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　　光子晶體

　　

　　光子晶體是由周期性排列的不同折射率的介質製造的規則光學結構。具有速度快、靜止質量為零、彼此間不存在相互作用、具有電子所不具備的頻率和偏振等特徵；建立了光子的能帶理論，打開了控制光的傳播及光與物質相互作用的新領域—凝聚態物理和光學的新交叉領域；創造了一種人工設計的新材料---光子半導體；為發展新型光子器件奠定了物理基礎。

　　反光鏡、放大器、彎曲光路、超稜鏡、激光器、非線性開關、光子纖維和發光二極體等基於光子晶體的全新光子學器件相繼被提出。在新的納米技術、光計算機、激光器、光子器件、晶元、光通訊、生物等前沿和較差領域具有廣泛的應用前景。

　　來源：材智匯NewM

　　封面圖及配圖來源：攝圖網、原文、創客貼