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最前沿材料大匯總：材料最前沿：高熵合金、高速電子泵、石墨烯儲能材料、鈣鈦礦太陽能電池、方鈷礦核電池、碳納米管機器、極端不潤濕材料……

2016-11-08 09:49:20 作者：本網整理來源：網絡分享至：

開啟未來合金寶藏的神秘物質元素組合數目可達萬種

很多人都知道，金屬的脆化特性能夠讓合金被急速冷卻之后失去了延展性，因而在外部的沖擊力作用下很容易破碎，而這一特性已成為核聚變技術商業化的攔路虎之一：在一個可控的核聚變過程中，需要置極低溫度中的超導電磁鐵材料對一團溫度超過1億攝氏度的帶電粒子云進行約束。因此，這些材料必須在這樣的嚴苛的條件中，避免出現突然的斷裂。

幸運的是，科學家們在所謂的“高熵合金（High-entropy Alloy）”中找到了一個看起來十分可行的答案。

2014 年，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的羅伯特瑞奇（Robert Ritchie）與橡樹林國家實驗室的伊索喬治（Easo George）共同發現了一種由鐵，錳，鎳，鈷和鉻組成的合金，這種合金在越低的溫度中（低至液氮溫度-200℃）反而展現出更好的塑性（Bernd Gludovatz, et al. Science, 2014）。

之前的金屬合金，常常是基于一個主要元素（含量超過50%），并在此基礎上添加微量元素。但是“高熵合金”的新穎之處在于，這種合金是由多種元素以等比例或近似等比例混合而成，換句話說，即沒有單個合金元素占主導地位。總之，普通合金和高熵合金的差別大抵類似于紅燒肉和大雜燴。

隨著高熵合金在核聚變反應堆，噴氣飛機引擎到基礎化學等諸多應用中嶄露頭角，科學家們發現的是一個豐富的而且尚未開采的新材料寶藏，而研究工作只是剛剛開始。

高熵合金在不同溫度下的拉伸曲線（圖片來源：B. Gludovatz, et al. Science, 2014）

近日，瑞士聯邦理工的科學家拉爾夫斯波棱那科（Ralph Spolenak）利用離子共濺射手段制備出了Nb-Mo-Ta-W高熵合金。這種合金的強度超過20GPa，遠遠超過一般的合金。

在經歷了長達 3 天，1100℃的退火處理之后，其強度仍然穩定在6-8GPa之間，是經過相同處理的純W薄膜的10倍以上。目前來看，在超過現有鎳基高溫合金的萎燒點的溫度下，難熔高熵合金依然能夠保持堅固。那么，如此厲害的材料是如何被發現的？

Nb-Mo-Ta-W高熵合金納米柱樣品的掃描電子顯微鏡圖像（左）

和不同尺寸的樣品的應力應變曲線（右）（圖片來源：Y.Zou, et al. Nat. Commun., 2016）

1995年，當臺灣國立清華大學材料科學家葉均蔚（Jien-Wei Yeh）穿越臺灣鄉間去臺北參加會議時，他正在思索著一個困擾了諸多古老合金制造者們多年問題：添加更多的合金元素含量最終會抵消他們的益處。一直以來，傳統合金的經驗讓研究者們錯誤的認為，添加多個元素含量之后，就會產生多種金屬化合物，這會導致金屬之間的小團簇的形成，導致材料變脆。

被稱為“高熵合金之父”的葉均蔚教授

當時，葉均蔚突然意識到，答案或許藏在經典熱力學理論之中。熵是衡量系統中混亂程度的度量，而熱力學定律指出，當一個系統無序度增加時會變得更穩定。因此，與其從一個主要元素出發，通過添加微量的其他元素制備有序的合金，為什么不直接混合五個，六個或者更多的元素？

葉教授推斷，將足夠多的元素等比例混合在一起，最終得到的混合合金的無序度過高，或許能夠阻礙那些導致合金脆化的團簇形成。這就是“高熵”的由來，相對應的，傳統合金則屬于“低熵合金”的范疇。

葉教授對他的理論深信不疑，以至于他在會后沒有直接回家，反而驅車80公里前往他在國立清華大學的實驗室中，并立即指派了他的一個研究生來實現這一想法。葉教授說，他在一兩個星期內就制備出了第一種高熵合金。在一年以內，他們至少制備了40種不同的合金。

從一開始，這些合金就展現出十分誘人的性能：硬度高、韌性好、并且具有很好的耐腐蝕能力。這種性質被認為來源于原子尺寸不一致產生的晶格畸變，從而抑制了晶格內部位錯（一種晶體缺陷）的自由滑移。

在 2004 年，他在《先進工程材料》雜志上發表了他的研究結果（Yeh, J.-W.; Chen, S.-K.; Lin, S.-J, et al. Advanced Engineering Materials. 6 （5）： 299–303），現在這篇文章引用已經超過了800次，這在材料科學領域是一個非常了不起的數字。

利用“高熵合金”開發的高壽命刀具

葉均蔚教授2004年《先進工程材料》論文的引文報告

然而，從另一個角度看，這是一個既引人入勝卻又讓人望而生畏的研究領域。想象一下，將大約60余個商業合金中常見的元素選出5個進行等比例混合，組合數目將達到1040種。而將規則稍加放松，允許元素比例在5%內變化，組合數目將躍增到10120種。位于德國杜塞爾多夫馬克思普朗克鐵研究所的迪爾克拉貝（Dierk Raabe）坦言，“這是一片我們尚未涉足的巨大寶庫。”

那么問題來了，高熵合金到底是一種什么樣的神秘物質呢？它與我們身邊常見的合金有何不同之處？

毫不夸張的說，從青銅時代走來，合金構成了現代世界的支柱。位于土耳其南部海岸附近的烏魯布倫沉殘骸（Uluburun Wreck）是當前世界上最為古老的沉船遺址之一。這個以附近的一個小鎮命名的沉船遺址可以追溯到青銅時代中期的公元前1300年。

烏魯布倫沉殘骸(Uluburun Wreck)

1982 年，一名年輕的潛水員首先發現了這一遺址，船上攜帶了一種奇怪的貨物：9 噸銅與 1 噸錫。當然，如果你已經知道這其實是青銅的配比，那么或許你就不會大驚小怪了。

這意味著，三千多年以前的人們已經知道，向一種金屬里加入少量的另一種金屬元素就能得到新的合金材料。古人們這么做的初衷何在？

最主要的原因是，常見的純金屬強度太低，以至于沒法滿足日常應用的需求。從材料科學的角度看，金屬單質中相同的原子構成的原子層之間可以輕易地發生滑移，因而即使在受到很小的作用力時，也會輕易地發生形變。

當然，解決純金屬太軟的辦法也很簡單：向一種主要純金屬中加微量的其他元素制成合金，就像我們三千多年前的老祖宗們做的那樣。向金屬中加入了其他原子之后，原子層的滑移受到了阻礙，因而材料的強度能得以提升。

舉個例子來說，一份錫加九份銅，能得到青銅，而向鋁中加入微量的鎂與硅，可以得到中等強度的鋁門窗材料。難怪材料老師常常自黑說，搞材料若烹小鮮——雞肉里加點花生，加點調料才能做成美味的宮保雞丁。同樣的，往鐵里加點鉻，加點鎳就能得到抗氧化，表面光潔的不銹鋼。這一想法為我們提供了許多用于支撐現代技術的新材料。下圖中就舉了幾個生活中非常常見的例子。

這就是制造合金的秘密：具有合適強度，耐久性和可加工性的合金組成了我們現代世界中從餐具到燈柱乃至橋梁在內所有一切的基礎。

但是傳統合金就是我們的極限了嗎？冶金學家和材料學家們對這種約定俗成的智慧越來越表示懷疑。

與此同時，傳統的合金材料庫已經無法完全滿足越來越嚴苛的應用場景。舉個例子來說，噴氣式飛機引擎葉片必須要承受極高的溫度，同時還要承受飛速的旋轉帶來的巨大離心力。這就意味著葉片材料必須在高溫下仍然能保持一定的強度。

低成本高熵黃銅零件

實際上，美國空軍一直在尋找一種能夠提高噴氣發動機工作溫度的合金：渦輪機越熱，它的工作效率越高。而且，從獲得更好的燃油經濟性角度來看，改進發動機比制造更輕的機翼材料要更加劃算。

高熵合金的潛在應用包括噴氣機渦輪葉片與核聚變反應堆

然而，高熵合金的內部結構與現有的合金截然不同，我們不能使用現有的理論來預測他們的行為。但即使如此，研究人員已經在這片尚未開墾的新領域做了初步的探索，并且發現了一些具有新穎特性的高熵合金。高熵合金的橫空出世，給材料科學界帶來的沖擊不止是變革合金制備原則這么簡單。

今年早些時候，科學家偶然之間發現了一種由鐵、錳、鈷和鉻組成的高熵合金，這種合金在冷軋退火之后，同時具有了卓越的強度與延展性，從下面的應力應變曲線可以看出，其強度超過了800 MPa，同時應變則超過了70%，遠遠高于鈦合金與其他合金體系。更重要的是，這一發現完全顛覆了材料科學領域的一個經典常識：一種物體強度越高，那么其延展性（即材料斷裂之前所能承受的應變）就越低，反之亦然。

FeMnCoCr高熵合金的應力應變曲線（圖片來源：Z. Li, et al. Nature, 2016）

科學家們認為，高熵合金的這種獨特行為可能源于這種材料具有多種原子重排方式，因而具有多種防止裂紋擴增機制，從而讓材料能夠吸收所受的沖擊力。在相變之前，合金內部實際包含了兩種具有不同晶體結構的高熵合金。而在變形之后，高熵合金的晶體結構發生了變化，并表現出不同尋常的高延展性與高強度的組合。他們將這一機制稱之為“相變誘發塑性”。

在文章收尾之前，我們來回顧一張經典電影海報：你還記得《終結者2》里帥氣的液態金屬機器人嗎？如果他也用上了高熵合金，或許就不會在低溫時導致行動遲緩而露出馬腳而被人干掉了。

當烏魯布倫沉船還在航行的那個年代，合金主要用于制作藝術品，器具和工具，以及用于制作一種有助于塑造霸權帝國時代的新型武器：劍。然而，誰又能預計高熵合金這類新穎的金屬化合物最終將會給人類帶來什么？

或許在不久的將來，高熵合金將會出現我們生活里的方方面面，比如汽車軸承，水龍頭，手機，筆記本電腦里等等。材料的進步最終帶來社會的進步，是歷史，也是現在與未來。

（來源：DeepTech深科技（ID:mit-tr），作者：胡仲略）

高速電子泵成功模擬神經信號：速度堪比活體神經元

有機電子離子泵有6個小孔（位于金色方塊上的黑點），這些小孔能夠高速釋放神經遞質。為了比較大小，我們把這個離子泵放在瑞典硬幣（大約1美分硬幣大小）旁邊。人類神經元傳遞信息的速度比我們眨眼的速度還快30倍。一個神經元能在10毫秒內通過細胞膜釋放化學物質，隨即鄰近細胞上的受體接收這種化學物質，信息就這樣被傳遞出去。

到目前為止，即使在微流體的作用下，研究者們也仍然模擬不了高速化學信號。目前，瑞典 Link？ping 大學的一個團隊已經設計并創造了一種電控離子泵，這種離子泵傳遞神經遞質的速度和活體神經元傳遞的速度相當。

這款新儀器是在由同一個實驗室研發的老版的有機電子離子泵（OEIP）的基礎上改進的版本。此儀器依靠電場使帶電粒子不在任何流體的作用下穿過薄膜。這個2.5厘米的泵是由金屬制成，通過光刻技術使聚合物通道印到玻璃上，并且和電源連接。

傳統的儀器是將離子從離子源沿著通道水平地移動到目標區域，這些離子可能是任何一種小的帶電粒子，如：神經遞質、質子和金屬離子等。上述的橫向運動相對緩慢，有時從給上電到離子到達靶點需要數秒才能完成。然而這種新研發的泵利用了聚合物薄膜的超薄特點，通過縱向運動達到目的。

“我們沒有采用橫向穿過數毫米的薄膜，而是采用了同一種薄膜的縱向厚度，只需要縱向穿過幾百納米。”研究小組的成員 Daniel Simon 說，同時他還是 Link？ping 大學有機電子實驗室的助理教授。

它的工作原理是這樣的：

電流沿著六條水平路徑推動神經遞質，每條路徑的中間有一個小孔，一打開開關，研究人員激活可以改變離子源的電場，迅速將帶電粒子沿著短的豎直通道射向小孔。

隨即研究人員給它們設定好一個靶點，比如一個細胞或者一片組織。這個團隊最開始使用乙酰膽堿測試儀器，乙酰膽堿是大腦和運動神經元連接中的一種常見的神經遞質，它能使化學物質在 45 到 50 毫秒內到達靶點。

這六個新高速排列的離子傳遞通道都能被分別激活，這就使研究者能夠自由地將神經遞質傳遞到樣本的任何部分。因此，他們能夠用乙酰膽堿激活培養皿中的一組神經元而不破壞到其他神經元。

目前這個團隊正在活體細胞上測試儀器，除了能夠提高我們研究神經元信號的能力，這種技術還能打開高速傳遞神經遞質的腦部移植發展的大門。將來，這種離子泵還可能聯合化學療法，用在如今的大腦電刺激療法上，比如深度刺激大腦來治療癲癇，Simon 說，“通過身體不能正常產生信號的化合物來治療神經退行性疾病，有著無限可發展的機會。”

（來源：雷鋒網）

氮化硼-石墨烯或將成為最佳儲氫材料

近日萊斯大學的一項研究發現“柱撐氮化硼-石墨烯”（graphene separated by nanotube pillars of boron nitride）是一種絕佳的儲氫材料，這一發現可能為氫動力新能源汽車帶來突破。

該研究的主要作者是萊斯實驗室的材料科學家魯茲貝赫·沙薩瓦里（Rouzbeh Shahsavari）和法爾扎內·沙亞甘法（Farzaneh Shayeganfar），相關論文刊登在美國化學學會《Langmuir》期刊上。

氧摻雜柱撐氮化硼-石墨烯的示意圖中，硼原子（粉色）和氮原子（藍色）組成了一個個“柱子”，在兩個石墨烯層之間為氫原子（白色）“撐”出空間，氧原子（紅色）摻雜其中。

他們的研究通過計算機模擬實現，第一步需要先制作氮化硼-石墨烯結構：先模擬出堅韌又富有彈性的柱撐石墨烯結構，然后將氮化硼納米管和石墨烯無縫結合形成獨特的三維結構。

柱撐氮化硼-石墨烯儲氫的原理并不復雜，我們都知道在建筑中使用柱子承重可以創造出更多的空間。基于相同的原理，氮化硼-石墨烯中的“柱子”也能為氫原子騰出空間，但難點在于如何進一步增加放進去的氫原子數量，并在需要的時候將它們釋放出來，這也是此項研究的重點。

根據沙薩瓦里實驗室最新的分子動力學模擬顯示，若向材料中添加氧或鋰將使它們結合氫的能力進一步提升。

他們的這一計算研究主要針對四個變體：分別摻雜氧、鋰的柱撐氮化硼和柱撐氮化硼-石墨烯結構。

結果顯示，在室溫和環境壓力下，氧摻雜的氮化硼-石墨烯的儲氫能力是最好的，其能攜帶11.6%重量的氫并有著約60克/升的儲氫容量，在這一點上它打敗了包括多孔氮化硼、金屬氧化物骨架（MO frameworks）和碳納米管在內的諸多競爭者。

此外，在-321華氏度的低溫下，氧摻雜的氮化硼-石墨烯的儲氫重量可以進一步提升至14.77%。

那么這個儲氫能力究竟如何呢？作為對比可以看一下目前美國能源部對經濟型儲氫介質規定的目標——在常規條件下達到5.5%的氫氣儲存重量和40克/升的儲存容量、即使是終極目標也不過7.5%的儲存重量和70克/升的儲存容量。

“氧和氫具有良好的化學親和力，因此向基底中摻入氧氣使材料能夠更好地結合氫氣”，沙薩瓦里這樣解釋摻雜提高儲氫能力的原因。除此之外，氮化硼與石墨烯結合后所體現出的極化性質、石墨烯自身的高電子遷移率等特性，也使得材料在實際應用中變得高度可調。

“我們目前正在努力尋找最佳配置，”沙薩瓦里說道，這個最佳配置應是一種材料的表面積和重量、溫度和壓力之間的平衡。“計算建模是目前來說來唯一實際的研究辦法，因為在計算機上可以很快地測試許多變量試驗，而實際做的話往往要花費數個月的時間。”

目前來看，這種材料能夠輕易實現能源部規定的氫燃料罐要可以承受1500次充放循環的要求，并且研究者認為其已經足夠穩健實用。

（來源：DeepTech深科技（ID:mit-tr））

美英科學家改進鈣鈦礦太陽能電池新技術效率高成本低

美國斯坦福大學和英國牛津大學的研究人員用一種新方法加工制造鈣鈦礦太陽能電池，使其光電轉換效率接近傳統的硅基太陽能電池，但成本便宜很多。

圖：串聯鈣鈦礦太陽能電池通過吸收來自太陽的高能和低能光子提高效率。

一個美英研究團隊報告說，他們用一種新方法加工制造鈣鈦礦太陽能電池，使其光電轉換效率接近傳統的硅基太陽能電池，但成本便宜很多。鈣鈦礦材料是指一類陶瓷氧化物，因類似結構最早在天然鈣鈦礦中被發現而得名。用鈣鈦礦材料可以制成太陽能電池，光電轉換效率較高，近年來科學界一直看好其前景。但是它也有性能不穩定、易衰減的缺陷，一直沒有成熟的產品。

美國斯坦福大學和英國牛津大學的研究人員用錫混合鉛、銫、碘等其他幾種常用物質，制造出新型鈣鈦礦材料。與目前的太陽能電池材料單晶硅相比，這種鈣鈦礦材料更薄，柔性更好，造價也更便宜。

據介紹，他們設計了一種新的、由兩個串聯的全鈣鈦礦太陽能電池組成的發電設備，能以20.3％的綜合效率將太陽光能轉化為電能，光電轉換效率已接近現在市面上的硅基太陽能電池。

圖：串聯的全鈣鈦礦太陽能電池橫截面。

前面的鈣鈦礦電池（紅色）吸收高能光波，后面的電池（棕色）吸收低能光。綜合效率達到20.3％。

研究人員說，鈣鈦礦太陽能電池串聯設備造價較低。生產硅基太陽能板首先需要加工成單晶硅，工藝要求1600攝氏度的高溫，而制造鈣鈦礦太陽能電池，在實驗室里就可以對錫、鉛等常見物質加工，然后在常溫下噴涂在玻璃上。

鈣鈦礦材料的穩定性一直是一個問題。安裝在屋頂的硅基太陽能板通常能用25年甚至更長時間，但有些鈣鈦礦材料在潮濕或光照環境中退化很快。以前的實驗顯示，用錫制成的鈣鈦礦材料特別不穩定。

研究人員將他們用錫混合多種物質制成的鈣鈦礦太陽能電池和用錫制成的鈣鈦礦太陽能電池在100攝氏度的環境中放置了4天，發現前者的熱穩定性和空氣穩定性非常好，是后者從未具備的。

這一研究成果發表在新一期《科學》雜志上。研究負責人之一、美國斯坦福大學材料科學與工程學院教授邁克爾·麥吉說，鈣鈦礦材料很有希望用來制造高效太陽能電池，同時降低制造成本。另一負責人、英國牛津大學物理學教授亨利·斯奈思也認為，鈣鈦礦太陽能電池具有諸多優點，在可制造性和穩定性得到證明的情況下，將為光伏產業帶來變革。

（來源：新華社）

碳納米管成就“完美”納米機器

分子大小的裝置或能在未來幫助我們控制身體中重要的生理機制。近日，來自加州大學伯克利分校和于默奧大學的研究團隊，將單個碳原子放進了一個名為納米氣球的器件中，并展示了如何使用靜電將這個氣球“充氣”以及“折疊”。

可充氣型氣囊致動器在我們日常生活中應用很廣，例如能頂起建筑的千斤頂、汽車的安全氣囊，氣囊還能在臨床醫學中用于擴大狹窄或堵塞的動脈或靜脈。不過這些都是宏觀世界的應用，而在微觀世界中，氣囊一般用作微型的氣動裝置，例如蜘蛛中的跳高選手——跳蜘蛛——它們能利用腿上的微小的液壓墊來完成瞬間的跳躍。

如果將尺寸繼續變小，氣囊致動器是不是可能有納米版本呢？目前來說還沒有答案。然而，賓夕法尼亞州立大學的研究者為這樣的納米器件提供了理論支持，他們在幾年前提出了一個基于用充放電的方式，來控制碳納米管充氣和放氣的氣囊致動器的概念。

而如今哈米德·禮·巴澤加爾（Hamid Reza Barzegar）和他的同事們已經在實驗室里實現了這樣的構想。他們還在學術期刊《Nano Letters》上發表了一篇論文，闡述了他們如何利用低電壓控制碳納米管在“折疊”和“充氣”狀態進行轉換。

碳納米管無缺陷的性質對于這種應用簡直就是天作之合，這意味著這樣的氣囊致動器在使用環節中將沒有疲勞和損耗。除了他們自己以外，也有其他研究團隊發現這種氣囊致動器在幾次使用周期之后，沒有出現性能下降的情況。

那么哈米德·禮·巴澤加爾是何許人也呢？他在于默奧大學拿到物理學了博士學位，現在在加州大學伯克利分校的阿歷克斯·澤特爾（Alex Zettl）教授的研究團隊中從事研究的工作。

談及自己的發現，他激動地說：“從理論上來說，這樣的研究就已經很有意思了，并且我們從中能探求到使用外部刺激在納米尺寸下控制運動的機制。此項研究對于基礎物理學的研究也意義重大，它能幫助我們理解電容效應以及靜電場力如何能控制分子結構的運動。”

來自默奧大學的物理學副教授，托馬斯·沃格貝里（Thomas Wagberg）也發表了自己的看法：“長遠來看，我們的發現將有助于研發分子級別的氣動控制技術，也將有助于設計分子級容器，其開關機制可由其表面帶電狀態的改變而觸發——最常見的例如改變目標分子所在溶液的酸堿度。這將有機會應用于醫學科技，例如將相對應的藥品精確傳送到身體內部器官或腫瘤。”

（本文由DeepTech深科技（ID:mit-tr）授權轉載）

NASA使用新型材料研發航天器“核電池”

NASA噴氣推進實驗室（JPL）正在研究使用方鈷礦材料作為航天器的“核電池”，研發被稱為“增強型多任務放射性同位素熱電式發電機”（eMMRTG）的下一代電力系統。

放射性同位素熱電式發電機簡介

放射性物質在自發地轉化成其他元素時，會自然而然地產生熱量。放射性同位素電力系統利用這種熱量作為燃料，來為航天器提供電力。當前，NASA的航天器放射性同位素電力系統利用钚-238氧化物放射性自然衰變所產生的熱量。

1961年，美國首次發射了由一顆衛星搭載的放射性同位素熱電式發電機（RTG）。RTG已經用作NASA兩個“旅行者”號探測器的動力裝置，兩個探測器均在1977年發射，飛行距離已超過160億千米。RTG完成了許多任務，并回饋了大量的科學成果，包括NASA“好奇”號火星探測器和在2015年飛越冥王星的“新地平線”任務。

eMMRTG性能優勢

根據目前的分析，最新的eMMRTG在任務開始時將提供比“好奇”號發電機高25%的功率。此外，由于比起當前“多任務放射性同位素熱電式發電機”（MMRTG）所用材料，方鈷礦的自然衰變更緩慢，配備eMMRTG的航天器在17年的設計壽命結束時，獲得的電力將比當前航天器多至少50%。

JPL技術專家沙巴·博克斯表示，更高效的熱電式系統

意味使用更少的钚材料，航行更遠的距離和更長的時間，并執行更多的任務。

方鈷礦簡介

eMMRTG所用的新材料被稱為方鈷礦，這種材料具有獨特特性，對于電力系統尤其有用。這些材料可像金屬一樣導電，又能像玻璃一樣加熱，能夠產生相當大的電壓。博克斯稱，需要設計一種高溫化合物，實現導電性和導熱性的最佳組合。方鈷礦具有由重原子（如銻）組成的復雜結構，可實現這一目標。

RTG的空間應用

JPL團隊正在研究將方鈷礦制成熱電偶。熱電偶利用其不同組件的溫差產生電壓。相比其他材料，方鈷礦制成的熱電偶需要較小的溫差就能產生相同的電量，從而更加高效。

在“好奇”號的電力系統中，多任務RTG（MMRTG）包含768個熱電偶。增強型MMRTG （eMMRTG）將使用相同數量的熱電偶，但這些熱電偶都將由方鈷礦材料制成，代替當前使用的碲合金。JPL熱能轉換的研究與推進團隊主管表示，只需對現有MMRTG設計做出微小改變就能達到目標。JPL團隊正致力于研究這些先進材料，并測試相應的熱電偶原型。2015年底，基于方鈷礦的新型熱電偶已通過了NASA首個重要評審。

JPL正在與能源部、特利丹能源系統公司和航空噴氣—洛克達因公司合作，共同開展高效熱電材料的研發工作。相關研究工作由NASA格倫研究中心管理的“放射性同位素電力系統”項目資助。

（本文由國防科技要聞（ID:CDSTIC）授權轉載，作者：馮云皓）

歐盟資助新型二維材料研究可用于制造新型激光源或用于量子通信研究

過去十年來，所謂的單層材料受到科學家們的高度重視，因為這些材料在物理學領域具有非常大的潛力。2016年春，德國維爾茨堡大學的研究團隊受到歐洲研究委員會（ERC）1500萬歐元的資助，用于研究過渡金屬硫化物（TMDC），并已取得一定進展。

在物理學中，“單層”指固體材料的最小厚度，通常是單個原子層厚度，晶體材料可以是三層或更多層原子，也稱為二維材料。二維材料經常表現出意想不到的特性。如TMDC，具有類似于半導體的特性，可用于制造超小型、高能效芯片。

TMDC結構

TMDC具有相當簡單的二維結構。鉬或鎢等過渡金屬原子的單排結構，夾在同樣薄的硫元素層之間。不同基礎成分搭配制成的TMDC具有大范圍的電子和光學特性。

圖在特定條件下，下層的單原子層發射不同頻率的光子對，示意圖中分別用紅色和綠色來代表

潛在應用

德國維爾茨堡大學教授團隊通過實驗發現，當TMDC吸收能量時能夠發光。試驗表明，這種新型單層材料可用于制造新型高效節能激光源，也可用于量子效應的研究。

1應用一：量子通信研究

首先，通過一種簡單的方法制備單層材料。第一步，用膠帶從TMDC晶體上剝下多層薄膜。再從多層薄膜上剝下更薄的薄膜，如此反復，最終得到單層材料。

然后，將該單層材料冷卻到略高于絕對零度的溫度，并用激光激發，在這種特定條件下，該單層材料將發射單個光子。研究人員解釋道，實際上激發出的是兩個光子，光粒子是成對產生的。

這種光子對源非常有趣：光子對的兩個光子狀態相互交疊，糾纏在一起。一個光子的狀態直接影響另一個光子，且不受距離限制，這種原理可以用于加密通信。

2應用二：用于新型激光源

維爾茨堡大學的科學家演示了這種單層材料的另一種應用。在兩個鏡子之間放置單層材料，然后用激光激發。當激光的輻射達到一定程度時，TMDC開始發射光子。這些光子碰到鏡子后發色回TMDC板，刺激TMDC原子產生新的光子。

研究人員稱：“我們將這一過程稱為強耦合。光和物質作用生成激子極化光子。”這是首次在室溫下，在單原子層材料探測到極化光子。

這種“克隆”光子與激光有相似的特性，但產生原理完全不同。理想情況下，在初始激發之后，就可通過自給自足方式產生新的光粒子，而不再需要任何額外的能量供應。

與之相反，在激光器中的激光材料需要外部持續激發。

（本文由大國重器（ID:ElectronicComponent）授權轉載，作者：本征）

具有極端不潤濕特性的新型表面材料問世

【據美國科學日報網站2016年10月28日報道】芬蘭阿爾托大學的科學家已經研發出難以被水和油潤濕的新型表面材料。該材料不需要通過隔離空氣的方法來阻止液滴潤濕材料表面。此外，即使新材料被其他液體濕潤后也能保持超雙疏特性，即在水中疏油和油中疏水。到目前為止，這種現象被人認為是彼此矛盾的，并且不會存在于同一個表面。

水中的油滴。超雙疏表面能夠實現在水中保持疏油。

水滴不會潤濕具有疏水特性的特富龍（聚四氟乙烯）涂層表面，而是呈球狀在表面滾動。但特富龍（聚四氟乙烯）涂層沒有疏油的特性，油滴會在涂層表面潤濕鋪展。雖然目前已經開發出同時具備超疏水和超疏油的超雙疏涂層，但當涂層表面被液體浸潤或污染后則會失去超雙疏特性。

廣泛的應用前景

阿爾托大學為博士后研究員田雪林教授表示，“油和水表面之間的競爭性和相互作用在各種技術應用中扮演著至關重要的角色。我們的新表面材料設計可以應用到從自我清潔到防塵等許多方面。”

疏液表面對于某些行業來說非常重要。比如，在海洋工業中，疏液表面水下的極度防油性可以用于防止油污垢和生物污垢。同時，當疏液表面被油覆蓋時，其卓越的防水性可以有效地抑制水分減少腐蝕。

阿爾托大學助理教授羅賓·拉斯（Robin Ras）表示，“這種表面材料可以被認為是環境響應性材料，即材料表面的潤濕性會隨著其接觸的環境液體而變化。與其他響應表面材料不同，新表面材料不依賴于可重構的有機分子修飾，而是使用一種新的策略研發的智能材料。當以多孔材料的形式加工時，它可以應用于油包水和水包油乳濁液的分離，而普通油/水分離材料僅用可應用于一種類型的分離”。

兩個設計標準該材料通過將內凹的表面形貌和精細匹配的表面化學成分相結合制備而成。研究人員提出了兩種新表面材料的設計標準：液體填充標準和穩定復合界面標準。設計標準導致在表面紋理內穩定地捕獲無空氣油和水膜。這種液體膜能夠在油中實現超疏水，在水中實現超疏油。

（來源：國防科技信息網，作者：史騰飛王志偉丁宏中國船舶工業綜合技術經濟研究院）

日本研發出適用于社會可持續發展的新型熱電材料

【據固態技術網站2016年10月21日報道】熱電材料可直接將熱能轉換為電能（Seebeck效應），可以有效地用于清潔發展和環保的發電技術。

然而，這些材料通常不被用于實際應用中，因為它們主要包括有毒/或昂貴的元素。近日，在豐橋技術科學大學材料功能控制實驗室和名古屋技術研究所的研究人員成功合成了一種新的熱電材料，即一種金屬間化合物CaMgSi。這一發展的關鍵是合成過程；通過組合機械球磨和脈沖電流燒結（PCS）工藝合成塊狀CaMgSi金屬間化合物。

“我們已經通過理論研究和實驗研究預測金屬間化合物CaMgSi在金屬間化合物的熱電性質”，這項工作的研究人員，Nobufumi Miyazaki和Nozomu Adachi說，“然而，我們面臨的最大問題是如何合成最佳尺寸的熱電CaMgSi”。通常構成元素以其熔融的形式混合生產合金。然而，當溫度升高到Si的熔融溫度時，Mg蒸氣、Ca、Mg和Si的液體不能同時存在。Yoshikazu Todaka副教授說，我們選擇了機械球磨工藝以均勻地混合各種元素，而不熔化，然后使用脈沖電流燒結工藝誘導Ca，Mg和Si之間的化學反應。因此，合成了具有足夠尺寸的金屬間化合物CaMgSi。合成的CaMgSi的熱電性能顯示出與先前開發的Mg基熱電材料相當的性能。預計向CaMgSi添加第四元素將使其具有優異的熱電性能。有趣的是，他們發現的新型熱電材料能隨著CaMgSi組成略有變化而呈現的n和p型導電性。這種材料的性質對于其在發電模塊中的應用是非常重要的。

在本研究中合成的新型熱電材料由輕質元素組成，并且具有2.2g/cm3的低密度。因此，該材料的可能應用方向之一是在汽車中利用從發動機排放的廢熱。這些發現有助于綠色能源技術的發展。

（來源：國防科技信息網，作者：張慧工業和信息化部電子科學技術情報研究所）

新方法誘導非超導材料產生超導性同時可讓超導體性能更強應用更廣

超導材料（資料圖）

科技日報北京11月1日電（記者聶翠蓉）美國休斯頓大學官網10月30日發布公告稱，該校德克薩斯超導中心科學家發表在《美國科學院院刊》上的最新研究稱，他們能誘導非超導材料產生超導性，還可增強超導材料的超導性能，拓展其應用范圍。

該中心華裔科學家朱經武和他的團隊利用界面組裝技術，誘導非超導材料鈣鐵砷復合物界面表現出超導性，提供了發現高溫超導體（即在更高溫度表現出超導性）的全新方法。上世紀70年代，科學家們首次提出“兩種不同材料交界處可誘導出超導性”的理論，但一直沒有獲得實驗證明。之前也有一些實驗試圖證明這一理論，但始終無法排除高壓和化學摻雜的干擾，而新研究驗證了這一有著30多年歷史的理論。朱經武解釋道：“我們的研究非常清晰地證明，反鐵磁性層與金屬層之間的交界面能被誘導出超導性，從而把普通常見的非超導復合物轉變成超導體。”

為了驗證這一概念，朱經武團隊選擇了未經化學摻雜的鈣鐵砷復合物，在常壓下先加熱到350攝氏度，再進行退火處理。退火是一種熱處理工藝，通常將材料加熱到一定溫度，保持足夠時間，再以適當速度冷卻。在退火過程中，鈣鐵砷形成兩個不同的相層，退火時間越長，兩個相層融合交界得越多。雖然兩個相層都沒有表現出超導性，但他們在交界處探測到超導性。

超導性應用領域非常廣泛，如可以利用超導材料提高發電效率，降低燃料用量；用途最廣的當屬醫用核磁共振領域。但超導性往往需要制冷到絕對零度，從而提高了技術成本，阻礙了普及應用。而新研究可以讓科學家開發出各種更便宜高效的超導材料，找到能在較高溫度表現出超導性的超導體。

（來源：科技日報社-中國科技網）

人類將實現金屬與任何物質粘接——德國發明了納米級表面刻蝕技術

日前，德國基爾大學一研究團隊成功試驗發現了在不影響金屬材料機械穩定性以及改變金屬特性的情況下改善金屬表面性能的方法。這種新方法從根本上來說，是通過電化學腐蝕的過程將金屬最外層表面變得粗糙，并將蝕刻深度嚴格控制在微米級別。

通過這個納米級別的蝕刻過程，如鋁、鈦、鋅等金屬能夠永久的與其他一些材料相粘結，從而使材料變得防水，或提高其生物相容性。這些性能卓越的“超級連接”結合物從工業金屬加工到醫藥科技領域中的安全移植，擁有著非常廣泛的潛在應用范圍。目前，他們的研究結果已經發表在權威雜志英國皇家化學學會《納米視野》上了。

“因此，我們已經開發出了一種新的蝕刻方法，這種方法不會損害金屬且同時不會對穩定性造成影響”。功能納米材料研究團隊負責人Rainer Adelung教授強調了這項發現的重要性：“通過這種方法，我們可以永久粘結之前不可以直接粘合的金屬，比如銅和鋁”

金屬表面的3-D結構

這種有針對性的納米級蝕刻方法能使金屬表面（此處以鋁為例，20m=0.02mm）變得粗糙，因而形成帶有微小鉤狀物的3-D結構。經過該工藝處理的表面，能夠像三維拼圖一樣與幾乎任何一種其他材料實現互鎖，進而產生十分牢固的結合性。此外，這種方法甚至可以將鋁和銅結合起來。

實現原理

金屬的表面有很多不同類型的晶體和晶粒，有些晶體和晶粒的化學穩定性較弱。而通過針對性蝕刻法能夠將那些不穩定的部分從金屬表面移除。使用蝕刻法使表層變得粗糙，能夠形成三維表面結構。這改變了表面的特性，但是金屬整體的特性不會發生變化。這是因為蝕刻深度僅為10到20微米—僅相當于人類毛發直徑的四分之一。因此，研究小組將此工藝命名為“納米刻蝕”。

通過蝕刻工藝，可以形成帶有微小鉤狀物的3-D結構。如果在兩種該工藝處理的金屬之間加入粘合性聚合物，則兩個表面會像三維拼圖一樣在任何方向上實現互鎖。