一大波新材料横空出世,改变世界超出你想象

2020-09-02 通宝 16

美军研发新型自愈性聚合物

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德克萨斯农工大学和美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的研究人员开发出一种新的合成材料系列,其质地从非常柔软到非常坚硬。这种新材料是通过调整单一聚合物的化学成分而产生的。其结果是一种可3D打印、自愈、可回收的新材料,并在空气或水下自然地相互粘附。

科学家们表示,这组材料的特性可以微调到橡胶的柔软度或承重塑料的强度。材料能够在几秒钟内自愈,并且可以进行3D打印,因此非常适合用于更逼真的假肢和软体机器人。研究人员表示,这种材料还具有广泛的军事应用,包括航空器的敏捷平台和未来主义的自愈式飞机机翼。合成聚合物由长串重复的分子基团组成,就像链条上的珠子。弹性体的长链是轻度交联的,使材料具有橡胶质感。

研究人员表示,交联也可以通过增加交联的数量来使弹性体更加坚硬。该团队重点研究了一种名为预聚物的母体聚合物。他们用化学方法在材料上钉上了两种类型的小交联分子--呋喃和马来酰亚胺。当预聚物中这些分子的数量增加时,他们发现可以制造出更硬的材料。

用这种方法制成的最硬材料比最软材料强1000倍。呋喃和马来酰亚胺能够预知可逆化学键的类型,使它们能够根据温度的变化而点击和不点击在一起。在高温下,材料中的分子会分开变软,而在室温下,材料会变硬形成交联。未来的研究将试图通过放大材料的特性来增加其功能性。


科学家研制出更加绿色环保的木质3D打印原料

作为一种有机聚合物,木质素可在自然状态下呈现紧密交织,从而为植物起到重要的刚性支撑等作用。但当将这些资源转化为纸张时,会在制造过程中留下大量的浪费。为此,德国弗莱堡大学的一支研究团队,特地开发出了一种能够让有机聚合物“废物再利用”的方法 —— 将之转化为一种适合3D打印的生物糊剂的基础成分。


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来自:University of Freiburg


此前已有许多研究团队开展过将木质素回收再利用的方法,比如用于碳纤维、更坚固的混凝土、甚至降低电池的制造成本。

然而在现实情况下,大部分还是被焚化产生生物能,并将之作为造纸过程的一部分,以期在未来找到新的回收再利用方法。

弗莱堡大学Marie-Pierre Laborie教授表示,研究团队正在试验一种新型生物粘贴材料,其由基于纤维素(生物质的另一关键成分)和木质素结晶而成。

其实早在1980年代,就有另一支科学家团队对此展开过研究。当时的发现是,晶体可为糊状物提供一定的强度支撑,而木质素在其中扮演了胶水的角色。

通过不断试验这种生物糊剂的组成,研究人员还发现了其它可调节的特性,使之能够根据木质素的方向、以及材料的比例而变得更加坚硬或柔韧。

结果是,科学家们打造出了由一半木质素、一半纤维素制程的粘稠生物糊剂。其不仅易于加工,还具有迅速固话的特性,相当适合作为3D打印时的轻质结构。

目前该团队已使用山毛榉树中的木质素来生产生物糊剂,并注意到如果从其它植物中提取木质素,最终成品原料的特性可能略有不同。

下一步,他们将研究如何将木质素作为造纸工业的废弃物而纳入新工艺中。有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《应用生物材料》(Applied Bio Materials)期刊上。


可无限回收重组的高品质塑料

据英国《新科学家》周刊网站8月19日报道,研究发现,一种新型塑料可以轻易分解为化学砌块,然后重组成高品质产品,从而减少最终被填埋的塑料垃圾的数量。全球每年生产的塑料超过3亿吨,其中只有一小部分得到了回收利用。塑料回收利用比例如此之低的一个原因是难以分解,而通常用来改造旧塑料的加工过程会削弱其化学结构。


为解决这个问题,美国科罗拉多州立大学的尤金·陈(音)及其同事研发了一种塑料,它能在回收过程中保持原有品质。


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报道称,要制成这种被称为PBTL的材料,需将名为双环硫代内酯的化学砌块结合在一起。陈说,PBTL的强度、韧性和稳定性都很好,这意味着它有可能被用于生产塑料包装、运动器材、汽车零部件、建筑材料和其他产品。

研究人员发现,在化学催化剂的作用下,以100摄氏度的高温加热24小时,可轻易回收利用PBTL。这个过程能将塑料完全分解成最初的化学砌块,然后可以重组成新的高品质的PBTL。

问题是,PBTL只有在单独存在的情况下才能以这种方式分解和重组。这意味着它需要与混合塑料废料中其他类型的塑料分开,才能被回收利用。


新型钒液流电池电极材料

近日,长沙理工大学丁美、贾传坤教授团队,联合重庆大学教授孙立东、中科院北京纳米能源与系统研究所研究员孙其君,及中科院金属研究所等多个科研团队,利用电沉积和氧化还原靶向催化交叉结合技术,共同开发出了一种大规模储能钒液流电池用的普鲁士蓝复合电极材料,可显著提高钒液流电池功率密度和能量效率。这种新型电极材料,有望助推钒液流电池“提质降本”,为其进一步商业化应用提供了新思路。目前,成果进入应用孵化阶段,这一研究成果也于日前发布于全球工程技术与材料类著名期刊《SMALL》上。

可再生能源开发和利用的迫切性,众所周知。可再生能源的快速发展,则有赖于高安全、低成本、长寿命的大规模储能新技术。电化学储能,是储能技术的一个重要分支。其中,钒液流电池因具有循环寿命长、安全可靠、功率与容量独立等优点,是目前最有应用前景的大规模储能技术之一。不过,要将这类电池产业化,则“受制”于电池性能和成本。电极材料是决定钒液流电池功率成本和效率的关键材料之一。目前,最常用的电极材料为碳毡或石墨毡,这类电极材料对钒离子的催化活性低,比表面积也低,成为钒液流电池“提质降本”,进入商业化应用的瓶颈。寻找到高活性、低成本的电极材料,是业内专家研究的热点和重点。


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研究团队历时3年,开发了该种普鲁士蓝复合电极,有效提升了钒离子反应活性,从而显著提高了钒液流电池功率密度和能量效率。“用这个复合电极组装的钒液流电池,功率密度较碳毡电极提升了50%以上。在100毫安每平方厘米的电流密度下,能量效率甚至超过88%。”丁美说。

新型铁基合金材料:可在极端温度下变形并恢复形状

日本的科学家们致力于延伸超弹性材料的极限,并取得了重大突破。他们展示了一种新的铁基合金,可以承受极高和极低的温度。凭借这种在各种条件下都能变形并恢复原状的能力,该团队希望其新型超弹性金属能在更多的抗震建筑中找到用途,甚至可能在外太空找到用途。


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超弹性合金(SEA)是一类具有超强弹性的材料,使其能够变形并恢复到原来的形状。其独特的特性使这些耐用材料被用于从眼镜、围裙到医疗和牙科应用等各种领域,但它们在目前的形式下也有其局限性。


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这些材料所能承受的机械力受环境温度的影响,目前所使用的超弹性合金能够在零下20 °C至80 °C的温度范围内工作。这些合金由钛和镍等材料制成,成本也很高,这意味着它们大多以细线和管道的形式使用。

日本东北大学的一个工程师团队提出了一种超弹性合金的新配方,可以大大拓宽其潜在的应用范围。这种新材料由铁、铝、镍和铬制成,通过仔细控制铬含量的浓度,该团队能够生产出一种基本上不受环境温度影响的超弹性合金,在零下263℃直至200℃的环境中仍能保持其性能。


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该团队认为其新技术更令人振奋的潜在用途之一是太空探索。在太空探索中,用于制造飞行器的材料需要能够在最极端的环境中承受变形,例如在月球或火星上,白天和黑夜的温度可能在零下170 °C和120 °C之间波动。然而,它也可以在离家更近的地方找到用途。

“然而,新的SEA的用途并不止于此。”领导研究小组的Toshihiro Omori教授说。“它有可能被用于建筑物中的拉伸支架或桥梁中的柱子元件--提供更大的抗震能力。”


该研究发表在《科学》杂志上