科学家以见微知著、锲而不舍的精神，在实验室中发现新材料。每一次新材料的发现和应用都会给人类文明带来巨大进步。编者以时间为顺序整理2021年全球十种新材料。一起来看看这些材料将在什么领域造福人类。
01
受“藕断丝连”启发研制手术缝线新材料水凝胶纤维
2021年1月21日据报道：中国科学技术大学俞书宏院士团队基于“藕断丝连”这一自然现象，深入探究了莲丝纤维的微观结构与力学性能，并受此启发研制出一种可用于手术缝线的新材料。
以细菌纤维素水凝胶为原料，俞书宏院士团队加工出一种具有仿莲丝微米螺旋结构的水凝胶纤维。经检验，这种新材料兼具较高的强度和韧性，同时具有优异的亲水性和生物相容性。此外，仿生螺旋结构还赋予了该材料与人体皮肤相近的弹性模量，在伤口处受力变形时可有效缓冲并吸收能量，与人体组织实现同步形变，从而避免割伤伤口造成二次伤害。
这种水凝胶纤维缝线具有高生物相容性、高含水量、低刺激性和低摩擦阻力等特点，在保护受损组织、促进伤口愈合以及减少不良反应方面都有优势，有望成为下一代新型高端手术缝线。
02
能在低温下将CO2转为资源的新材料Cu-In2O3
2021年01月25日据报道：早稻田大学研究团队，发现了能在比原来低的500度以下的温度下将二氧化碳转化为一氧化碳的新材料Cu-In2O3。它即使在低温下，氧化物离子的移动速度也非常快，通过结合氧化和还原反应，可以有效地将二氧化碳转化为资源。
研究发现，以前几乎没有考虑过的铜和铟组合形成的氧化物,也具备通过氧化还原将二氧化碳转化为资源的高性能。今后，通过组合太阳热和电解氢等，有望有选择地将二氧化碳高效转化为资源。
此次，研究团队利用新发现的Cu-In2O3，通过化学循环进行了逆向水气转换反应，由此在低于500度的温度下，以10mmol/g/h的高速度将二氧化碳有效转化成了资源。各种分析表明，在Cu-In2O3上的反应源自Cu-In2O3与Cu-In合金之间的氧化还原。另外还发现，实现高二氧化碳反应率的关键因素是合金中的氧化物离子的高速移动。
03
从海水提取淡水的纳米片层积脱盐膜
2021年01月27日据报道：神户大学先端膜工学研究中心的研究团队通过在高分子多孔膜的表面层积二维碳材料，成功开发出了新的脱盐膜。脱盐膜是一种可以利用海水提取淡水的材料。
通过对名为氧化石墨烯纳米片的二维纳米材料进行化学还原处理并层积到多孔膜上，开发出了厚度约为50纳米（1毫米的1/20000）脱盐膜。新开发的脱盐膜控制了纳米片之间的间隔和纳米片表面的电荷，可进行高性能的脱盐处理。将来有望作为新的脱盐膜实现实用化和应用。
研究发现，纳米片表面的静电斥力有效抑制了新开发的纳米片层积膜内的离子运输。这种静电斥力在纳米通道的宽度得到最佳控制时会发挥较大效果。该研究团队采用的纳米片材料可通过控制化学还原处理的程度和卟啉源平面分子的导入率来控制纳米通道的宽度。因此，以最佳条件制作的纳米片层积膜即使针对海水中的离子的主要成分、尤其难以阻止其透过的NaCl，也能实现非常优异的阻隔性能（约95％）。
04
不使用稀有金属的有机EL磷光发光材料
2021年02月02日据报道：日本大阪大学与澳大利亚斯威本科技大学、丹麦科技大学和波兰西里西亚工业大学开展国际联合研究，成功开发出了仅由碳（C）、氢（H）、氮（N）和硅（Si）等通用元素构成，而且在室温下发磷光（RTP）的有机EL（OEL）发光材料（SiAz）。
RTP材料最大能以100％的内部转换效率把激发电流产生的激子转换为光能，因此已作为高效率有机EL元件的发光材料投入使用。目前使用的RTP材料只有含铱（Ir）和铂（Pt）的重金属络合物。
此次，研究团队着眼于含有资源丰富的硅（Si）元素的电子供体“Dihydrophenazasiline”的分子结构刚性和电子供体特性，设计并合成了在此前自主开发的电子受体“二苯并吩嗪”（Dibenzo Phenazine）上连接两个Dihydrophenazasiline的供体-受体-供体分子（SiAz），发现会显示以热激活引起的激发三重态之间的转换为关键进程的RTP。
尤其是利用此次开发的SiAz分子作为发光材料制作的有机EL元件，最高外部量子效率（EQE）达到4.0％，这是目前报告的由轻元素构成的RTP材料中的全球最高值。这样便有望开发不依赖稀有元素的有机EL产品及高灵敏度的生物成像技术等。
05
衣服也能当显示屏的新柔性织物
2021年3月11日据报道：复旦大学高分子科学系教授彭慧胜领衔的研究团队，将显示器件的制备与织物编织过程相融合，研发出了大面积柔性显示织物和智能集成系统。这种“大面积柔性显示织物”是一种可以发光的纤维材料。
彭慧胜团队起初遇到的难题是，发光纤维编织显示的图案数量非常有限，无法实现平面显示器中基于发光像素点的可控显示。之后他们发现，在织物编织过程中，经纬线的交织可以形成类似于显示器像素阵列的点阵。
因此，团队研制出了两种功能纤维：负载有发光活性材料的高分子复合纤维和透明导电的高分子凝胶纤维——先通过两种功能纤维经纬交织形成电致发光单元，再使用电路控制，创造出新型柔性显示织物。而这种发光纤维材料直径不足半毫米，看起来和普通的纱线没有差别。不过，一旦给其通电，它们就会变成发光的纱线。
发光材料在实际应用中，如何让发光材料和普通衣服一样抵御摩擦和洗涤？
研究团队通过熔融挤出方法制备出了一种高弹性透明高分子导电纤维。通过对这种纤维进行模量调控，其可以在交织过程中发生自适应弹性形变，从而保持稳定性。
最终的实验结果表明，在两根纤维发生相对滑移、旋转、弯曲时，交织发光点亮度变动范围仍可控制在5%以内，织物也能够经受上百次的洗衣机洗涤。 除此之外，这种发光纤维的舒适度也可比拟普通织物。
虽然目前来看这种材料还无法进入普通人的日常生活，但在未来，柔性织物将在众多行业产生重要作用，例如医疗健康、工业等领域。
06
可长时间电解水的合金催化剂
2021年04月08日据报道：日本京都大学与九州大学等合作，开发出了可以高效率电解水的新型催化剂。新催化剂是钌和铱组合而成的合金，与以往的催化剂相比活性更高，可以长时间促进反应。研发团队计划2030年前后将其嵌入制造氢气的水电解装置中，用来建立有助于削减温室气体的氢社会。
此次开发的是以钌为基材的合金催化剂。研究团队控制了催化剂的表面结构，以原子最密集的部分为正面，从而抑制了氧化，金属不容易溶出。另外还微量添加了性质稳定的铱，同时实现了高活性和耐久性。铱的含量仅占整体的6％，因此还能削减成本。
实验显示，新催化剂的活性比以往的催化剂高出2位数左右，另外还确认，可以在这种状态下连续反应120个小时以上。没有控制表面结构的球状钌铱合金在相同条件下不到1小时就会失去活性。此外研究团队还发现，该催化剂作为发生氢生成反应的阴极催化剂也具有高活性。
07
有助于燃料电池实现脱铂的“十四元环铁络合物”
2021年11月12日据报道：东京工业大学与熊本大学和旭化成公司共同开发出了有助于燃料电池实现脱铂的新物质。目前的市售车每辆车的燃料电池要采用20～30克昂贵的稀有金属铂作为催化剂，阻碍了燃料电池车的普及。作为替代催化剂，此前研究过在廉价的铁周围结合配体酞菁的环状化合物——铁酞菁等多种金属络合物，但在燃料电池工作的酸性电解质中，金属络合物的稳定性无法达到实用水平。
研究团队的目标是制作由14个原子固定铁原子、结构比十六元环络合物小一圈的芳香族十四元环铁络合物。从制备十四元环铁络合物及验证催化活性和稳定性的思路出发，研究了新的十四元环铁络合物合成法，由此首次以高纯度获得了这种络合物。
研究团队利用电位扫描试验评估新制备的催化剂的氧还原催化活性发现，与铁酞菁相比具有更优异的催化活性和耐久性。为确认其在酸性电解质中的耐久性，实施了追踪铁离子的洗脱行为的实时分析，发现十四元环结构可以像预期那样稳定铁原子。
团队表示：“今后的目标是，通过优化十四元环的周边结构，将催化活性提高至目前的30倍左右，以使铂替代催化剂实现实用化”。
【名词解释】
铁酞菁：在颜料等使用的环状化合物酞菁的中心导入铁原子的化合物。
大环状络合物：金属络合物中配体部分呈环状结构且相对比较大的络合物。以酞菁和卟啉为配体的络合物是典型的大环状络合物。
08
让石英砂具备超强强度的新型聚合物聚乙烯亚胺（或PEI）粘合剂
2021年11月16日据报道：美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员设计出一种新型聚合物，它可以用于粘结和加固石英砂。这种可3D打印的聚合物能让石英砂的结构具有复杂的几何形状和特殊的强度——并且还能实现水溶性。
通过粘合剂喷射打印的部件，最初从打印床移出时是多孔的。通过渗透设计，额外加入一种名为氰基丙烯酸盐的强胶材料，可以填补缝隙并提高强度。在第一步的基础上，第二步的强度增加了8倍，使聚合物砂复合材料比其他任何已知的建筑材料(包括砖石)都更坚固。
该项目的首席研究员Tomonori Saito表示：“很少有聚合物适合用作此类应用的粘合剂。研究人员一直在寻找能实现最佳效果的特殊性质，比如溶解性。关键发现是，PEI粘合剂具有独特的分子结构，可以与氰基丙烯酸盐发生反应，以实现卓越的强度。”
超高强度砂的潜在应用之一是先进的复合材料制造模具。硅砂是一种容易获得的低成本材料，在汽车和航空航天领域日益受到欢迎，可用于制造复合材料部件。例如，利用3D打印的砂芯或“模具”，包裹碳纤维或玻璃纤维等轻质材料，然后加热固化。硅砂比较适合用作模具，因其在加热时不会改变尺寸，而且在可清洗模具中具有独特的优势。
在复合材料应用中，使用水溶性粘合剂来构建砂模，具有重要意义，因为可通过自来水进行简单的冲刷去除砂粒，留下中空的复合材料形式。主要研究人员Dustin Gilmer表示：“为了确保模具部件的精确度，需要一种在加工过程中不会改变形状的材料，因此硅砂很被看好。挑战在于克服砂件的结构弱点。”
09
太空防护新材料聚酰亚胺-纳米云母复合膜
2021年11月30日据报道：中国科学技术大学俞书宏院士团队，受天然珍珠母“砖-泥”层状结构启发，研制出一种新型航天器外层防护材料——聚酰亚胺-纳米云母复合膜。由于采用了独特的仿生设计，其力学性能和空间极端环境耐受性均得到显著提升。
聚酰亚胺薄膜因其较好的力学性能、热稳定性和耐化学性，成为制作太空探测器“防护服”的重要材料。但这种材料在太空环境中也容易受到原子氧攻击，导致物理和力学性能下降。此外，宇宙射线辐射，以及空间碎片撞击等极端情况，也对其稳定性形成威胁。
俞书宏院士团队受天然珍珠母的“砖-泥”层状结构启发，通过改变组分配比，借助喷涂与热固化联用法，构筑了聚酰亚胺-纳米云母复合膜，使其顶层具有更致密的纳米云母片。这种设计策略实现了材料力学性能的提升，而且使其上表面对原子氧、紫外辐射和空间碎片等具有更好的防护能力。
10
新的负热膨胀材料
2021年12月23日据报道：日本名古屋大学研究团队宣布，发现了环境亲和性高、受热收缩（负热膨胀）的新材料。通过用Mg（镁）部分取代Zn 2 P 2 O 7 （焦磷酸锌），在-10℃～80℃的温度范围内实现了连续的负体积变化。经确认，新材料可以取代以往的负热膨胀材料，具有与其相同或更高的性能。预计有望大幅提高电子器件等的加工精度。
研究团队通过研究取代的量确认，用20％的Mg取代了Zn的化合物（Zn2-xMgxP2O7）在包括室温在内的-10℃～80℃的温度范围内，可实现线性膨胀系数超过-60ppm/℃的巨大负热膨胀。
研究团队新开发的负热膨胀材料为白色，还成功制成了1μm左右的微颗粒。只需在常压下烧制，非常简单就能合成。新材料是以锌、镁、磷等资源丰富且价格低廉的元素为主要成分的氧化物，环境亲和性比较高。负热膨胀性能与巨型负热膨胀材料铋-镍氧化物相同或更高。
研究团队在使其与环氧树脂相结合的实验中确认，可以控制环氧树脂的巨大热膨胀。
通过利用该材料控制热膨胀，有望提高器件和系统的功能及性能稳定性，还可以延长使用寿命。
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