離子液體｜征服紅色星球的百變材料

    圖中是2013年連接到國(guó)際空間站外部的MISSE-8上的試驗(yàn)樣品盤。這些樣本盤上盛著環(huán)氧樹脂離子液體的樣品（ionic liquid epoxy samples）。這些液體能夠幫助制造未來航天器的復(fù)合材料低溫儲(chǔ)罐。

    像圖中這種由離子液體基環(huán)氧樹脂（ionic liquid-based epoxy）和商業(yè)碳纖維（commercial carbon fibers）制成的復(fù)合包裝材料壓力罐馬上就要在阿拉巴馬州亨茨維爾的NASA馬歇爾太空飛行中心進(jìn)行低溫和壓力測(cè)試。

    當(dāng)你需要工具或者零件來改造房子的時(shí)候，你可以去最近的五金商店。但是太空旅行者們可享受不到這種奢侈品。他們?cè)陂L(zhǎng)途太空任務(wù)（例如火星任務(wù)）的過程中可能必須要自己動(dòng)手制造工具和零件。在阿拉巴馬州亨茨維爾的NASA馬歇爾太空飛行中心里，科學(xué)家和工程師們利用來自國(guó)際空間站的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行液體研究，來研發(fā)可以在進(jìn)行外太空探索的過程中用來制造方便的工具的液體。

    材料國(guó)際空間站試驗(yàn)（Materials International Space Station Experiments，MISSE）連接到空間站的外部已經(jīng)十年了。在那里，超過4000種材料暴露在惡劣的太空環(huán)境中，這其中包括一種叫做離子液體的特殊液體和一種新型環(huán)氧樹脂?？茖W(xué)家們目前正在研究這兩種液體是如何抵御軌道外部環(huán)境的。這種類型的液體都具備較低的熔點(diǎn)，并不像普通化學(xué)物質(zhì)一樣易燃。它們通常蒸氣壓很低，這意味著它們不容易蒸發(fā)，并且更容易保存在真空中。

    因?yàn)殡x子液體的獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)，我們可以在它們的幫助下，使用類似烤面包的溫度來在月球或者火星的土壤中提取金屬和氧。馬歇爾中心的材料學(xué)家Laurel Karr 說，被提取的金屬可以用作3D打印材料，而氧氣可以維持生命或用作推進(jìn)力。

    Karr 表示，離子液體可以用來溶解火星表面的風(fēng)化層，無論是對(duì)人類還是機(jī)器人而言，探索者們通常用于探查火星的鉆頭壽命都會(huì)因此得以延長(zhǎng)。

    我們鉆入行星或者小行星的表面來獲得地質(zhì)研究的樣本， Karr說。有了這種液體，我們可以獲取液體狀態(tài)的樣本，直接在鉆取現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行化學(xué)研究。

    NASA對(duì)這些離子液體有興趣不僅因?yàn)樗鼈儗?duì)于探索任務(wù)的很多用途，還因?yàn)樗鼈兪黔h(huán)保的化學(xué)品。對(duì)比目前在地球上使用的提取貴金屬的方式，使用離子液體從礦物中提煉金屬可以避免對(duì)環(huán)境造成不良影響。例如，按常規(guī)方法提取鎳需要在1350攝氏度的環(huán)境下使用硫酸來融化材料。因?yàn)樗岬亩拘?，這種方式在封閉的航天器里是不切實(shí)際的，而離子液體可以在200攝氏度的隕石中提取鎳。

    此外，科學(xué)家們也在探究另一種可能性——利用離子液體從空氣提取二氧化碳，將其分解成用于呼吸的氧氣和用于推進(jìn)的甲烷，從而在太空中維持生命。許多種離子液體在經(jīng)過過濾后或在電解或氫化后，甚至可以被制成有用的、可回收的材料，在太空中或地球上使用。

    離子液體中讓人充滿興趣的一種是環(huán)氧樹脂。Richart Grugel ，馬歇爾中心的一位材料學(xué)家，已經(jīng)和他的同事系統(tǒng)地研究了離子液體制成的環(huán)氧樹脂，發(fā)現(xiàn)它們非常堅(jiān)固，能夠很好地結(jié)合碳纖維，還可以忍耐低極端的溫液氫液氧溫度。

    2013年，在MISSE-8上對(duì)兩種不同類型的離子液體的環(huán)氧樹脂進(jìn)行了試驗(yàn)。在暴露在太空環(huán)境中暴露兩年以后，環(huán)氧樹脂恢復(fù)了原來的狀態(tài)后被航天器X空間龍帶回地球。液體的測(cè)試樣本顯示出了經(jīng)過太陽紫外線輻射而產(chǎn)生的陰影，但是并沒有裂縫，沒有脫開粘接，也沒有發(fā)現(xiàn)重量和粘連性的變化。

    這些屬性表明環(huán)氧樹脂可用于制造碳纖維復(fù)合材料低溫液體儲(chǔ)存罐，Grugel說。這種存儲(chǔ)罐會(huì)比目前用于發(fā)射航天器的鋁制罐輕很多。

    細(xì)微裂痕會(huì)導(dǎo)致漏水，這是早期復(fù)合材料低溫存儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)一直所面臨的挑戰(zhàn)。馬歇爾中心一直在進(jìn)行關(guān)于復(fù)合包裝壓力罐（小型金屬罐子外面包裹離子液體環(huán)氧樹脂制成的商業(yè)碳纖維）的測(cè)試，目的是確認(rèn)這種離子液體到底能否用于構(gòu)建這種儲(chǔ)存罐，使它們更強(qiáng)韌。

    研究顯示，這種多功能液體不僅可以用于建造和修理去火星的航天器，而且可以在到達(dá)火星后幫助我們維持生命，完成更多探索。 Grugel 說。

    正如MISSE試驗(yàn)所證實(shí)的，科學(xué)是需要時(shí)間證明的，試驗(yàn)樣本在被帶回地球之后的幾十年間一直在起作用。MISSE試驗(yàn)成功地驗(yàn)證了NASA、商業(yè)公司、美國(guó)國(guó)防部所使用的原材料的性能、穩(wěn)定程度和長(zhǎng)期耐受性。很多航天器如今的安全運(yùn)行需要感謝MISSE試驗(yàn)，因?yàn)镸ISSE幫助這些航天器選擇了最合適太空環(huán)境的材料。第一隊(duì)火星探索者也需要感謝MISSE，因?yàn)镸ISSE幫助他們找到創(chuàng)新型原料和操作方式，讓他們可以在火星維持生命。

    Laurel Karr 和 Richard Grugel，兩位NASA馬歇爾太空飛行中心的材料學(xué)家，最近通過NASA TV播放的《空間站現(xiàn)場(chǎng)》（ Space Station Live）講述了國(guó)際太空站試驗(yàn)中所運(yùn)用的材料。這次調(diào)查著重探究了離子液體，這種液體很有可能運(yùn)用于航天器儲(chǔ)存罐的設(shè)計(jì)和在火星土壤中提取氧或者其他元素的有價(jià)值工具，是一種既神奇又環(huán)保的液體材料。

    中國(guó)液態(tài)金屬逆天：逆重力攀爬

    據(jù)中科院官網(wǎng)消息， 近日，中科院理化技術(shù)研究所低溫生物與醫(yī)學(xué)研究組首次報(bào)道了液態(tài)金屬可在石墨表面以任意形狀穩(wěn)定呈現(xiàn)的自由塑型效應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)了逆重力方式的攀爬運(yùn)動(dòng)。研究以封面文章形式發(fā)表于《先進(jìn)材料》。此前，金屬液滴因自身表面張力較大，在電解液中通常以球形方式存在，塑形能力及變形模式相對(duì)有限。

    圖1：期刊封面故事及液態(tài)金屬在石墨表面的自由鋪展與塑形效應(yīng)

    圖2：石墨基底表面的液態(tài)金屬在外電場(chǎng)作用下的變形與匍匐運(yùn)動(dòng)行為

    圖3：電控液態(tài)金屬以蠕動(dòng)變形方式在石墨斜坡上逆重力攀爬的情形（側(cè)視及俯視圖）

    在這篇題為《石墨表面上的液態(tài)金屬操控》（Hu et al., Manipulation of Liquid Metals on A Graphite Surface, Advanced Materials, vol. 28, pp. 9015, 2016）的論文中，研究組首次發(fā)現(xiàn)通過引入石墨基底，可靈活自如地將處于電解液環(huán)境中的液態(tài)金屬塑造成各種銳利圖案如條形、三角形、方形、環(huán)形以及更多任意形狀（圖1）。

    迄今，液態(tài)金屬雖可通過外加電場(chǎng)短暫改變形狀，然而一旦去除外場(chǎng)，液態(tài)金屬即會(huì)在其表面張力作用下迅速回縮成球形，無法維持先前的結(jié)構(gòu)。此次發(fā)現(xiàn)的液態(tài)金屬自由鋪展與塑型效應(yīng)，為柔性變形機(jī)器人的研制乃至4D打印等提供了新方向。

    實(shí)驗(yàn)表明，將一滴液態(tài)金屬置于浸沒在氫氧化鈉溶液中的石墨表面上時(shí)，液態(tài)金屬會(huì)自動(dòng)攤開形成扁平的煎餅狀，這與位于玻璃基底上以球形方式呈現(xiàn)的液態(tài)金屬非常不同（圖1）。

    引發(fā)這類鋪展效應(yīng)的原因主要來自液態(tài)金屬與石墨基底間的電化學(xué)相互作用。在堿性溶液中，石墨表面通常帶正電荷，而液態(tài)金屬表面帶負(fù)電荷，當(dāng)這兩種導(dǎo)體接觸時(shí)，電荷會(huì)從液態(tài)金屬流向石墨，液態(tài)金屬表面被氧化形成氧化膜，這會(huì)顯著降低其表面張力，此時(shí)液態(tài)金屬表現(xiàn)為類似于泥漿的狀態(tài)，由此可被隨意塑造成各式各樣的形狀。

    該項(xiàng)研究首次實(shí)現(xiàn)了在開放液體環(huán)境中的液態(tài)金屬自由塑形，突破了原有的液態(tài)金屬元件調(diào)控模式，在不定形柔性電子器件、可變形智能機(jī)器的設(shè)計(jì)乃至先進(jìn)制造方面有重要價(jià)值。

    進(jìn)一步地，基于石墨表面的液態(tài)金屬自由塑形效應(yīng)，研究人員探索了電場(chǎng)作用下液態(tài)金屬不同于傳統(tǒng)基底材料如塑料、玻璃等情形的豐富的物理化學(xué)圖景（圖2），初步揭示了其獨(dú)特的變形及匍匐運(yùn)動(dòng)行為的內(nèi)在機(jī)制。

    有趣的是，作者們還首次揭示出處于自由空間下的電控液態(tài)金屬的蠕動(dòng)爬坡能力，實(shí)現(xiàn)了逆重力方式的運(yùn)動(dòng)（圖3）；而采用常規(guī)材料，液態(tài)金屬會(huì)因自身重力較大且表面光滑難以攀爬的緣故，不易通過外電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)逆重力牽引。

    新發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了近年來興起的液態(tài)金屬柔性機(jī)器的理論與技術(shù)內(nèi)涵。

    光子晶體超浸潤(rùn)性研究取得新進(jìn)展

    光子晶體特殊的光學(xué)調(diào)控性能使之在傳感、催化、檢測(cè)等光學(xué)器件方面具有重要應(yīng)用。由于光子晶體的特殊浸潤(rùn)性賦予其更多優(yōu)異性能及新應(yīng)用，光子晶體超浸潤(rùn)性研究得到廣泛關(guān)注。

    在國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院的大力支持下，中科院理化技術(shù)研究所仿生材料與界面科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員在具有超浸潤(rùn)性光子晶體的制備及應(yīng)用方面取得一系列進(jìn)展。研究人員考察了基底浸潤(rùn)性對(duì)光子晶體組裝單元乳膠粒的形貌影響（ Adv. Mater. Inter. 2015, 1400365；J. Mater. Chem. C 2015,3,2445 ），利用界面特殊的浸潤(rùn)性調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了具有特殊光功能的花形（ Chem. Commun. 2015,51,1367 ）及面包形（ Chem. Commun. 2016, 52,3619 ）的各向異性光子晶體。利用基底的特殊浸潤(rùn)性調(diào)控，制備得到具有良好光波導(dǎo)行為的光子晶體微陣列（ ACS Appl.Interf. 2016,8,4985 ）。進(jìn)一步利用所制備的聚離子液體反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的梯度浸潤(rùn)性，實(shí)現(xiàn)了具有單一結(jié)構(gòu)的光子晶體驅(qū)動(dòng)器的制備（ Chem.Commun. 2016, 52,5924 ）。

    近期，研究人員系統(tǒng)總結(jié)了光子晶體的特殊浸潤(rùn)性對(duì)其應(yīng)用的貢獻(xiàn)。從自然界光子晶體的特殊浸潤(rùn)性的作用為源，總結(jié)了超浸潤(rùn)性光子晶體的構(gòu)筑思路及相關(guān)實(shí)例，及光子晶體超浸潤(rùn)性所賦予材料的傳感、檢測(cè)、防污、驅(qū)動(dòng)、油水分離等新應(yīng)用（ Chem. Soc. Rev. 2016,doi.10.1039/c6cs00562d ）。

    光子晶體的超浸潤(rùn)性及其相關(guān)應(yīng)用

    哈佛大學(xué)研制出世界首個(gè)由軟性材料制成的自主機(jī)器人

    近期媒體報(bào)道，美國(guó)哈佛大學(xué)威斯生物工程研究院研制出名為octobot的微型機(jī)器人，該機(jī)器人是世界首個(gè)全部由軟性材料制成的自主機(jī)器人。

    octobot采用軟性材料替代了包括電池和電子控制系統(tǒng)在內(nèi)的所有剛性組件，造型酷似無骨章魚。軟性材料采用3D打印技術(shù)制作，并在材料內(nèi)部留有可布置電源和控制線路的通道。

    octobot將自身攜帶的過氧化氫氣體注入肢體內(nèi)，在機(jī)器人內(nèi)部構(gòu)建的微流體網(wǎng)絡(luò)，使肢體充氣膨脹，從而移動(dòng)。同時(shí)，該微流體網(wǎng)絡(luò)可在程序控制下，在特定的時(shí)間序列中，停止向某一肢體充氣，轉(zhuǎn)而向另一肢體充氣使其膨脹，改變機(jī)器人的移動(dòng)方向和速度，具備較高程度的自主性。

    據(jù)稱，采用軟性材料制成的自主機(jī)器人在許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，而下一個(gè)版本的octobot更將具備游泳以及與周圍物體進(jìn)行交互的能力。

    耐高溫材料技術(shù)突破 助推高超聲速飛行器發(fā)展

    globalfuturist網(wǎng)站近日?qǐng)?bào)道，南加利福尼亞大學(xué)（USC）科研人員一直在研究耐高溫材料，并接近成功。一旦該材料研制成功，可廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造和工程等領(lǐng)域。

    大部分材料在加熱后都會(huì)膨脹，給工程應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)。類似于橋梁、建筑物等大型結(jié)構(gòu)必須具有允許膨脹的連接處，使結(jié)構(gòu)能夠安全地膨脹。像BAE、波音和洛馬等公司在研究HTV-2等高超聲速飛行器的過程中必須解決熱力學(xué)問題。當(dāng)不同材料制成的部件受熱時(shí)以不同的速率膨脹時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋或發(fā)生斷裂，在其他大型建筑物中事很常見的。

    南加利福尼亞大學(xué)設(shè)計(jì)了一種由不同材料制造3D打印結(jié)構(gòu)的制備工藝。首先，將這些材料以液態(tài)打印，隨后通過紫外光使其固化。該設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用該工藝打印出了一種具有內(nèi)部點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的物體，該結(jié)構(gòu)由多個(gè)桿以特定角度排列而成。當(dāng)該物體被加熱后，其組成材料以不同的膨脹速率發(fā)生膨脹，但這些膨脹會(huì)使這些桿往里移動(dòng)，最后結(jié)果就是該物體對(duì)外表現(xiàn)出縮小，而不是膨脹。

    該設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)希望利用不同材料和不同點(diǎn)陣排列定制膨脹率和縮小率，甚至制造出零膨脹材料，那么屆時(shí)那些橋梁和建筑物將更加安全，更重要的是該技術(shù)可應(yīng)用于高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

    仿壁虎材料可在極端溫度下 保持超強(qiáng)粘結(jié)特性

    美國(guó)代頓空軍研究實(shí)驗(yàn)室與凱斯西儲(chǔ)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)出一種受壁虎腳啟發(fā)的新型干性仿生粘結(jié)材料，可在極端溫度下保持超強(qiáng)粘結(jié)特性，甚至在溫度越高時(shí)粘結(jié)越牢固。研究人員將這種由碳納米管組成的粘結(jié)材料制成雙面膠帶，無論在液氮低溫環(huán)境還是在熔融的金屬銀中，膠帶粘結(jié)性能都不會(huì)下降。

    粘結(jié)材料由豎直排列并捆綁至固定節(jié)點(diǎn)的碳納米管構(gòu)成，具有類似壁虎足墊表面微毛的顯微結(jié)構(gòu)。壁虎得益于這種微毛結(jié)構(gòu)，可以在垂直的墻壁上自由行走，受此啟發(fā)，人們已經(jīng)開發(fā)出多種粘結(jié)材料或粘附裝置。然而，大多數(shù)商用膠帶在低溫或較高溫度下會(huì)失去粘性，但這種碳納米管新型粘結(jié)材料可以在-196℃下保持粘附力，而在418℃時(shí)粘附力是常溫的2倍，在1033℃下達(dá)到6倍！

    研究人員使用高能掃描電子顯微鏡觀察這種粘附力增加的反?，F(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)碳納米管在高溫下會(huì)塌陷成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增大了與粘結(jié)材料的接觸面積，提高了起到粘結(jié)作用的范德華力。這種干性粘結(jié)材料在低溫下不會(huì)失去粘結(jié)效果，是因?yàn)檎辰Y(jié)材料表面并沒有因?yàn)闇囟冉档投l(fā)生變化。

    這種新型粘結(jié)材料在溫度變化達(dá)數(shù)百攝氏度的太空環(huán)境中具有巨大的應(yīng)用前景。此外，該材料還具有導(dǎo)熱和導(dǎo)電特性，可用于電子領(lǐng)域，保證電路或元器件的高溫性能。研究人員表示，在室溫下，這種碳納米管雙面膠帶在許多粗糙表面具有和商用膠帶一樣的粘結(jié)力，如紙張、木材、塑料和墻等表面，可用于家用導(dǎo)電膠帶和壁虎機(jī)器人。該研究成果近日發(fā)表于《自然通訊》期刊。

    超材料使無需半導(dǎo)體的微電子學(xué)成為現(xiàn)實(shí)

    加利福尼亞州圣地亞哥大學(xué)的工程師制造了第一個(gè)無半導(dǎo)體的光控微電子器件。使用超材料，工程師能夠構(gòu)建一個(gè)微電子器件。當(dāng)使用低電壓和低功率激光激活微電子器件時(shí)，器件顯示出1000％的電導(dǎo)率增加。

    該發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)工作在11月4日發(fā)表在Nature Communications上。

    研究人員說，現(xiàn)有微電子器件（例如晶體管）的能力最終受其構(gòu)成材料（例如其半導(dǎo)體）性質(zhì)的限制。

    例如，半導(dǎo)體可以對(duì)器件的電導(dǎo)率或電子流施加限制。半導(dǎo)體具有所謂的帶隙，意味著它們需要增加外部能量以使電子流過它們。當(dāng)電子流過半導(dǎo)體時(shí)，電子不斷地與原子碰撞，因此電子速度受到限制。

    由位于加利福尼亞州圣地亞哥市的電氣工程教授Dan Sievenpiper領(lǐng)導(dǎo)的應(yīng)用電磁學(xué)研究小組試圖通過在空間中用自由電子替代半導(dǎo)體來消除這些導(dǎo)電性的障礙。我們想在微尺度上做到這一點(diǎn)，Sievenpiper實(shí)驗(yàn)室前博士后研究生及本研究的第一作者Ebrahim Forati說。

    然而，從材料中釋放電子是具有挑戰(zhàn)性的。它要么需要施加高電壓（至少100伏特），要么需要大功率激光器或極高的溫度（大于1000華氏度），這在微米和納米級(jí)電子設(shè)備中是不可用的。

    為了解決這個(gè)挑戰(zhàn)，Sievenpiper的團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)微尺度器件，可以不需要這樣的極端要求而從材料中釋放電子。該器件由硅晶片頂部的一個(gè)工程表面，稱為超材料表面組成，硅晶片和超材料表面之間具有一層二氧化硅。該表面由在平行金條陣列上的金蘑菇狀納米結(jié)構(gòu)陣列組成。

    金超材料表面是這樣設(shè)計(jì)的，當(dāng)施加低DC電壓（低于10伏特）和低功率紅外激光器時(shí)，超材料表面產(chǎn)生具有高強(qiáng)度電場(chǎng)的熱點(diǎn)，其提供足夠的能量把電子從金屬材料中釋放出來，進(jìn)入空間。

    器件上的測(cè)試顯示電導(dǎo)率有1000％的變化。這意味著更多的可用電子被操縱。Ebrahim說。

    美國(guó)研制出新型高效防冰材料

    美國(guó)休斯頓大學(xué)研究人員日前開發(fā)出一種具有磁性光滑表面的新材料，可以用于任意表面防冰，且性能超過所有現(xiàn)有防冰材料，研究成果發(fā)表于《自然通訊》期刊。

    結(jié)冰會(huì)造成許多危害，如飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰會(huì)引起飛機(jī)抖動(dòng)，使飛機(jī)操縱變得困難，甚至墜機(jī)；電力線結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致線纜崩斷等。結(jié)冰現(xiàn)象是由于過冷水（溫度低于0℃的液態(tài)水）滴接觸到材料表面時(shí)發(fā)生潤(rùn)濕并凝結(jié)形成的。除冰的方法包括加熱材料表面使冰融化、外力除冰、溶解除冰、或者在水接觸到材料表面時(shí)不發(fā)生潤(rùn)濕和粘附，使冰無法在材料表面附著。此前認(rèn)為具有不潤(rùn)濕的疏水表面具有很好的防冰效果，但是這些表面在較低溫度下難以克服冰的高結(jié)合強(qiáng)度，效果有限且成本較高。

    為了克服以上問題，休斯頓大學(xué)研究人員研制了一種叫做磁性光滑表面（MAGSS）的材料，材料內(nèi)層是磁性涂層，外層是由懸浮的氧化鐵納米顆粒組成的磁流體層。當(dāng)水滴接觸到新材料表面，磁流體會(huì)有效阻擋水滴接觸和潤(rùn)濕，使水滴滑落而防止結(jié)冰。

    相較于目前防冰材料的-25℃最低工作溫度，MAGSS材料可在-34℃下有效防冰，效果提升明顯。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃開發(fā)噴涂的方式來涂覆這種新型防冰材料，未來將有望大幅提升飛機(jī)和能源設(shè)施的防冰性能。

    新材料可在半干燥條件下自愈能修復(fù)99%

   能在半干燥狀態(tài)下自愈的新材料

    在擁有能自我修復(fù)的汽車或建筑物前，人們需要能在無水環(huán)境中自我修復(fù)的材料。自愈性材料在柔軟和潮濕的條件下能很好地發(fā)揮效用，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料變干后，自愈能力會(huì)減弱。不過，日本大阪大學(xué)科學(xué)家近日制造出一種在半干燥條件下能修復(fù)99%表面切口的新材料。研究人員首次將物理和化學(xué)方法同時(shí)用于自愈材料，相關(guān)論文發(fā)表于《化學(xué)》。

    結(jié)合自我修復(fù)的物理和化學(xué)特性，能使材料在更干燥和堅(jiān)硬的狀態(tài)下快速和有效地自愈。該論文作者、超分子聚合物化學(xué)家Akira Harada說。新材料只需要少量的水蒸氣促進(jìn)修復(fù)，換句話說，水只是充當(dāng)修復(fù)過程中需要的無毒膠水。參與該研究的副教授Yoshinori Takashima說。

    通常，材料工程師會(huì)為材料嵌入充滿自愈物的微囊或路徑，或者利用多輪烷等分子建造材料。自愈材料的化學(xué)性則是指使用包括可逆化學(xué)反應(yīng)和氫鍵結(jié)合等分子間相互作用等在內(nèi)的可逆紐帶。

    Harada實(shí)驗(yàn)室利用多輪烷作為主體結(jié)構(gòu)，并交聯(lián)了可逆相互作用，將自愈性的物理和化學(xué)機(jī)制結(jié)合到新材料中。多輪烷結(jié)構(gòu)能讓材料利用應(yīng)力松弛修復(fù)淺坑；而化學(xué)可逆作用能使其修復(fù)深坑。這種結(jié)合方法讓這種材料能在10分鐘里恢復(fù)80%。

    超分子聚合物材料研究取得的突破展示了精巧設(shè)計(jì)能在宏觀尺度上帶來功能進(jìn)步。該研究論文第一作者、工程學(xué)助理教授Masaki Nakahata說，無論是堅(jiān)硬還是自我修復(fù)，聚合材料都為材料科學(xué)開辟了一個(gè)新前沿。

    科學(xué)家表示，該材料用途廣泛，能用于汽車涂層、建筑物和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域等。他們還計(jì)劃設(shè)計(jì)能在環(huán)境條件下自愈的硬質(zhì)材料。

    科學(xué)家發(fā)現(xiàn)液態(tài)水第二形態(tài)：屬性完全改變

    水是地球上最常見的物質(zhì)之一，但一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)的最新研究卻使水變成了我們最熟悉的陌生人。這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)指出，液態(tài)水或存在第二種狀態(tài)，當(dāng)水被加熱到40℃—60℃之間時(shí)，它的導(dǎo)熱性、折射率、導(dǎo)電性、表面張力等屬性也會(huì)發(fā)生改變。

    一般認(rèn)為，水有三種基本狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。現(xiàn)在，由英國(guó)牛津大學(xué)物理學(xué)家勞拉·馬斯特羅領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水溫介于40℃—60℃之間時(shí)，液態(tài)水會(huì)在兩種狀態(tài)間切換，根據(jù)其切換的狀態(tài)不同，會(huì)展示出一整套全新的屬性。

    他們對(duì)水溫在0℃—100℃之間變化時(shí)的導(dǎo)熱性、折射率、導(dǎo)電性、表面張力、介電常數(shù)等屬性進(jìn)行了深入研究。結(jié)果顯示，一旦水溫達(dá)到40℃，屬性開始改變，直到水溫為60℃。不過，每個(gè)屬性的轉(zhuǎn)型溫度不同，比如折射率改變時(shí)約為50℃、導(dǎo)電性約為53℃、表面張力約為57℃。研究人員認(rèn)為，這是因?yàn)橐簯B(tài)水進(jìn)入了一種不同的狀態(tài)。

    研究人員表示，特定溫度下水能在兩種完全不同的狀態(tài)間切換這一事實(shí)，或許與水擁有如此多非同尋常的屬性有關(guān)。水分子間的連接非常短暫，且連接水分子的氫鍵遠(yuǎn)比分子內(nèi)連接單個(gè)氫原子和氧原子的鍵微弱，因此，這些氫鍵會(huì)不斷地分開并再次形成，使水擁有某些非凡的屬性。但具體原因還是個(gè)未解之謎。

    研究人員稱，盡管水可能存在四種狀態(tài)的最新結(jié)論，還需經(jīng)其他研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)后才能改寫教科書，但這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)可能有助于我們更好地理解納米尺度上的生物特性。

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