麻省理工学院开发3D打印仿海螺壳材料，

可用于人体防护装甲

近日，麻省理工学院的研究人员采用3D打印技术成功制造出仿海螺壳的工程材料，并且进行了有效测试。海螺壳的内部结构非常独特，包含三个不同层次，导致微裂纹难以扩散，因此使其具有超强的耐用性和抗断裂性，它的韧性甚至能够达到珍珠层的10倍。研究人员表示，这种材料具有类似Z字形的矩阵，裂缝传播困难。然而采用传统方法很难仿制这种材料。 

过去防护材料的测试大多是静态测试，但实际上很多军事应用都涉及高冲击载荷，这就需要对高过载产生的影响随时间推移的变化进行详细测试。研究人员在落塔中进行了测试，可在第一时间准确观察到裂纹的出现、传播或者其他变化情况。使用天然海螺壳进行测试可能会导致不可预测的变化，使分析变得复杂。因此，研究小组利用3D打印技术制造出能够精确控制其内部结构的复合材料，并用于测试阶段。借助于3D打印的样件，研究人员可以使用与计算机模拟完全相同的几何结构，二者具有良好的一致性。 

为测试这种材料内部3种层次结构的相对重要性，研究团队尝试对具有不同层次结构的材料进行调整。在材料的较高层级结构引入更小长度尺寸特征，这与实际的海螺壳类似。经验证，较低层次结构的材料性能比较高层次结构的材料性能差，其中包括天然海螺壳所固有的交叉层状特征。 

经验证，这种具有海螺形状和十字交叉特征几何结构的材料，其防裂纹扩展性能是最强基材的1.85倍，是传统纤维复合材料的1.7倍。这一特性使得这种材料非常适合用于制备抗冲击防护头盔或人体装甲，并且3D打印技术的引入能够更好的满足用户的个性化需求。 

这项研究得到了美国海军研究局、国防科学与工程研究生奖学金、国防大学研究仪表测量设备设施计划（DURIP）、军人纳米技术研究所（ISN），以及加拿大自然科学与工程研究理事会的支持。相关研究成果已经在《Advanced Materials》刊登。

可降解的柔性电子材料

有望减少全球电子垃圾

斯坦福大学鲍哲南团队开发出了一种新型半导体器件，与皮肤一样柔软且易降解。 

从智能手机到穿戴式传感器，随着电子产品越来越普遍地深入每个人的生活，由此产生的电子废弃物的数量也越来越多。联合国环境规划署的一份报告显示，2017年的电子废弃物近5000万吨，比2015年高出20％以上。

受到这些不断增加的电子废弃物的困扰，斯坦福大学工程师鲍哲南(Zhenan Bao)和她的团队进行了反思。“在我的团队中，我们一直在努力模仿人类皮肤的功能，思考如何开发未来的电子设备，” 鲍哲南说。她介绍了皮肤是如何能够灵活伸展、自我修复与生物降解的，而这几点正是电子器件所需的、具有吸引力的特征。“我们已经实现了前两个（灵活伸展和自我修复），因此生物降解性是我们想要解决的。”

该团队创造了一种柔性的电子元件，只需要添加弱酸，比如醋酸，就会轻松降解。相关成果于5月1日在美国国家科学院院刊（PNAS）上发表。

“这是可分解半导体聚合物的首例。”与鲍哲南一起工作的博士后研究员 Ting Lei 说。

除了聚合物（本质上即柔性的导电塑料），该团队还开发了一种可降解的电子电路和一种新型的可生物降解的衬底材料用于装配电子元件。该衬底能够支撑电子元件，可弯曲变形，在粗糙或光滑的表面均可成型。当不再需要该电子器件时，整个器件可被生物降解成无毒组分。

可生物降解的电子元件

鲍哲南是斯坦福大学化学工程和材料科学与工程系的教授，曾经开发了一种以人体皮肤为模型的可拉伸电极。该电极可以按某种方式弯曲和扭转，从而能够与皮肤或大脑相连接，但是无法降解。这限制了该元件在植入式设备中的应用，并且会制造电子废弃物,而鲍哲南也一直非常在意这一点。

柔性电子材料灵活地贴合在人脑模型表面。

“考虑传统的聚合物化学，想创造出一种强大的材料，既是良好的导体又可生物降解是一个挑战。我们一直在努力思考如何同时实现良好的电子性能和生物降解性。” 鲍哲南说。

最终，该团队发现，可通过调整柔性材料的化学结构，使其在温和的压力条件下分解。鲍哲南说：“我们提出了一个设想，使这些分子通过特殊类型的化学键连接，从而既保持其沿分子链方向传输电子的能力，同时这种化学键还对弱酸（甚至比醋酸更弱的酸）敏感。”该想法最终得以实现，并获得了这种可以传输电子信号同时不需要极端处理就可以降解的材料。

除了可生物降解的聚合物之外，该团队还开发了一种新型的电子元件和用于连接全部电子元件的衬底材料。电子元件通常由金制成。但是在这种器件中，研究人员由铁制件。鲍哲南指出，铁是一种环境友好的材料，对人类无毒。

研究人员使用纤维素制造出了用于支撑电子电路和聚合物的衬底。纤维素也是构成纸的物质。但与通常纸张中的纤维素不同，该团队对纤维素纤维进行了改性，因此这种“纸”透明并且柔软，同时仍易于分解。这种薄膜衬底使电子器件能够穿戴在皮肤上，甚至植入人体内部。 

从移植到种植

可生物降解的导电聚合物和衬底的结合使得电子设备能够在更多装置中发挥作用，从可穿戴电子设备到用作大规模环境调查的微型传感器。

“我们设想，这些柔软的贴片非常薄，可以贴合皮肤，从而能够对血压、葡萄糖值、汗液含量等进行检测。”鲍哲南说。一个人可以穿戴某种专门设计的贴片一天或一周，然后下载检测数据。据鲍哲南表示，这种短期使用的一次性电子产品似乎非常符合可降解的柔性器件的设计要求。

而且这种器件不仅仅可以用于皮肤表面的检测：可生物降解的衬底、聚合物和铁电极的结合使整个器件具有生物相容性，可植入人体。聚合物分解后的产物浓度远低于已发布的饮用水中可接受的水平。然而鲍哲南表示，虽然这种聚合物是生物相容的，在作为常规性植入物使用之前，仍需要进行更多的研究。

可生物降解电子器件的可能的应用范围将远远超出收集心脏病数据和葡萄糖数据。这些器件可大面积覆盖偏远地区用于调查。Lei 描述了一种研究方案，由飞机在森林上方投放可生物降解的电子设备以对景观进行调查。“这是一个非常大的区域，使用人力布置传感器是非常困难的”他说，“而且，即便布满了传感器，也很难把它们收回。既然不希望污染环境，我们就需要使用一些可以分解的东西。”这样，这些传感器将被生物降解，而不是成为森林里的塑料垃圾。

随着电子产品数量的增加，生物降解性将变得更加重要。Lei对他们的研究成果兴奋不已，并希望不断提高生物可降解电子产品的性能。“我们目前拥有大量电脑和手机并在不断生产数以亿万计的手机，它们都很难分解，”他说，“我们希望能够开发一些可分解的材料，以减少废弃物。”

赖斯大学打造

纳米光电太阳能薄膜蒸馏系统

据外媒报道，虽然地球表面大部分由水组成，但不幸的是它们大部分都是无法饮用的盐水。虽然海水淡化技术可以让盐水变成可口的可饮用水，但由于该技术消耗的能源过大所以它算不上什么实用的解决方案。不过现在倒是出现了一种能够解决这一问题的技术，其通过纳米粒子利用来自太阳的能源完成盐水蒸馏。

这套诞生于赖斯大学的纳米技术水处理中心(NEWT)的系统基于膜蒸馏法打造。膜蒸馏法让水蒸气通过薄膜然后以纯净水的形式回收，不过在这个过程中却有大量的能量流失。

为了提高效果，科研人员利用他们所称的“纳米光电太阳能薄膜蒸馏(NESMD)”系统吸收并使用太阳能。在这个薄膜中，科研人员嵌入了炭黑纳米粒子，这样能够大大加大对阳光的吸收，获悉，这种材料能够吸收照射在其表面的80%的太阳光，而这能加快水的蒸发、减少系统对外部能源的需求。

眼下，这套系统还处在概念验证阶段。据了解，科研人员使用的薄膜只有几毫米厚、大小约为3张邮票大小。不过另外，NEWT团队还打造了一个70厘米x25厘米的版本，实验结果显示，该系统扩展性非常好、吸收以及利用阳光的效率也都非常具有优势。

这项研究的通讯作者Qilin Li表示，当把用于吸收阳光的镜头面积扩大25倍之后，每平方米的薄膜能够产生17.5千瓦的能源、每小时的水产量则可以达到6升，所以实际上使用者可以根据其所需的水量来决定薄膜的面积。

非线性光学晶体

能在飞秒尺度改变激光颜色

如何改变激光的颜色？二阶倍频效应（SHG）是其中一种比较著名的方法，通过使光的频率加倍，从而改变激光的颜色。然而，需要利用一种极性晶体实现非线性效应，该极性晶体的反转对称性受到破坏。因此，识别出可以引起强二阶倍频效应（SHG）的晶体是材料科学应用的重要研究课题。

像二阶倍频效应（SHG）这样的非线性光学现象需要有限二阶电极化率，它发生在没有反转对称性、强激光或脉冲的任何极性结构内。研究人员采用钙钛矿钴氧化物BiCoO3，一个氧原子沿c轴移动并且在单胞中形成Co-O5锥形结构，因而对称性受到破坏，并且在室温下出现大的自发极化。

对于激光脉冲而言，当电场强度达到每厘米约1 MV时，在太赫兹能量区域内出现强电磁波。该工作由Hideki Hirori及其团队共同完成，实现了BiCoO3非线性效应的超快控制。

东京工业大学Yoichi Okimoto及其同事对室温下BiCoO3晶体受到激光脉冲太赫兹照射时，二阶倍频效应（SHG）的强度是如何变化的非常感兴趣。值得注意的是，二阶倍频效应（SHG）的强度空前增强了50％以上，这表明以该方式采用太赫兹激光可以显著改进非线性晶体的品质因数。此外，该效应发生的时间尺度为100飞秒（10-13 s），未来有可能用于超高速光电子器件。

从物理机制上来讲，二阶倍频信号的超快增强可以理解为d-d从所用太赫兹脉冲宽能带附近的占据态迁移到非占据态。光激发的电子通过电子-声子耦合使晶体结构中Co-O5锥形结构顶角氧原子伸长，从而使极性结构变大（因而增加二阶电极化率）。

未来对BiCoO3和其它极性氧化物材料光激发态的研究将考虑高阶非线性光学响应以及使用太赫兹脉冲进行超快结构测量，从而阐明这些材料的其它机械细节。

洛克希德•马丁大力支持

超材料技术公司的智能材料研究

洛克希德•马丁公司今日与加拿大超材料技术公司（MTI）签订了价值560万美元的协议，MTI将为飞机开发“超太阳能”（metaSOLAR）产品，通过向航空航天与防务工业提供先进的光伏技术进入太阳能动力市场。MTI表示“超太阳能”将是运输行业收获能量的理想材料，不仅仅是航空。

“超太阳能”技术加入了MTI现有的“纳米网”（NanoWeb）材料——一种透明的导电膜，由一个轻量化连续金属丝网的纳米结构薄金属层制成。金属丝网的丝线是亚微米级和裸眼不可见的，使其传导性好，可以使用非常小的动力运行，并且清晰透明、适合飞行。据MTI表示，“纳米网”可以在任何玻璃或塑料表面制作，可使用几乎任何金属，包括银、铝、铂、铜和镍。

MTI从事智能材料和光子研究，特别是超材料、纳米制作和计算电磁学。公司开发了一类新型光学智能材料，关注光的相互作用。其专利的太阳能技术已经工程化，用于以大角度从所有方向收集、捕获和吸收太阳能，极大提升光电转换效率，并且无需昂贵的太阳跟踪系统。

加州理工学院应用物理和材料科学系具有霍华德•休斯教授称号的研究人员表示：“超材料本质上是未来的材料。MTI正在探索大规模经济可承受的纳米技术，以突破晶体硅太阳能电池效率的极限，为太阳能电池打造超薄的外形。”

“超太阳能”材料将使用MTI专利的辊轧掩模光刻（RML）纳米制作工艺。RML手段采用一个并行的图案样式，可轻易扩展到大面积刚性衬底材料（盘和板）以及柔性膜辊子。它结合了软光刻和近场光刻的优势，被证明能够可靠地制作纳米结构，不受衍射的限制。

这个工艺允许MTI生产由各种衬底制成的智能材料，如玻璃、超半导体以及聚合物膜，并且实现对光的操纵，如阻挡、吸收或增强。RML使用近场相位移动光刻，可作为一个连续、无缝和可扩展的制造工艺实施。其通用性增强了MTI对智能材料的研究，帮助生产新的超材料解决方案，从医疗成像系统到地球轨道卫星。

为了改变光与超材料的交互作用，MTI工程化了一个专利的纳米结构，该结构被构建、优化并转移到一个软的圆柱光掩模上。RML使用该掩模在一个表面绘制光敏材料图案。之后这个图案用作后续蚀刻一个衬底（玻璃、半导体）的蚀刻掩模，或者纳米结构金属或其它功能材料的模板。为了在表面上创建一个想要的图案，RML设备使用紫外光作为掩模辊子穿越光敏膜。

MTI还在持续开发“超太阳能”，并在加拿大国防采购战略（DPS）工业和技术利益（ITB）政策下与洛克希德•马丁签署了一项投资框架协议。ITB政策2014年2月宣布，要求成功拿下合同的供应商在加拿大进行等同于防务合同价值的投资。洛克希德•马丁在ITB规定下正在实施这些投资，进行C-130J的在役保障。这是该公司在加拿大首次投资太阳能技术。

瑞典公司启动

石墨烯改性复合材料项目

瑞典前沿材料有限公司（Leading Edge Materials Corp）宣布，由瑞典国家创新局（VINNOVA）资助的研究项目正式开始实施。前沿材料公司是首批项目的参与者，主要涉及在高性能聚合物复合材料中使用石墨和石墨烯。题为“用于长期和高温应用的石墨烯改性复合材料”的项目侧重于在航空航天领域的应用，并旨在通过使用来自瑞典前沿材料公司Woxna项目的石墨材料，开发石墨烯改性聚合材料。

项目目标：

使用石墨烯作为扩散阻挡层，开发可以承受高温并可长期暴露于潮湿环境下的聚合物复合材料；在系统级别帮助飞行器实现至少20％的减重；提高纳米技术的安全性，并就如何更加节能的实现从石墨烯生产到目标结构件的制造的问题，以及如何提高即将开发的新技术的可持续性问题，与合作伙伴保持沟通。

该项目汇集了整个瑞典产业链，从石墨供应商到高性能材料的终端应用客户。工业合作伙伴包括GKN航空瑞典公司（原沃尔沃航空）和Nexan化工公司，材料研究将由Swerea SICOMP AB（该机构是瑞典从事工业创新和可持续发展研究，专注于工业产品应用研究）推动。项目的总预算为170万瑞典克朗（约为200万美元），瑞典国家创新局资助其中的50%，其他工业合作伙伴以实物偿付的形式资助另外50％，该项目预计将持续至2019年第一季度。

：“瑞典是航空工业领域的长期领导者，具有坚实的研究能力和深厚的工业基础支持，可以在新材料开发方面取得快速进展。我们很高兴参与这项具有针对性的研究，以探索石墨和石墨烯的新型高价值应用，并且很高兴看到Woxna石墨在这种尖端材料中起了重要作用。”

石墨烯是纯碳薄层，是人类已知的最薄，最轻和最强的化合物之一。前沿材料公司与2D Fab AB公司合作，于2016年首次以Woxna矿石中提取的石墨为原料生产出石墨烯。

该项目以航空航天工业对高性能轻质材料的需求为驱动。通过对石墨烯改性树脂的研究，验证其作为表面防护材料或作为高温、阻隔复合材料中基体材料的潜力。

石墨烯改性材料可以提供在长期高温和高湿度环境中保持稳定应用的聚合物复合材料，例如飞机发动机部件，这种材料可以提供更轻质的重量并提升机械性能。该项目的目标是在系统级降低20％的飞行器重量，为轻质、高耐热性和高耐用性的复合材料组件的应用铺平道路。在高温条件下耐久性的增强，可增加那些可替代在飞机高温部位金属结构件的聚合物复合材料的应用。机械性能和在潮湿环境中使用的稳定性的提升，也将扩大由该材料制成的产品或部件在温度低于150℃的连续活动部位的使用。

跟海绵一样的陶瓷

用作消防服，减负又隔热

研究人员发明出一种能弯曲的陶瓷，同时具有储热、放热、高韧性等特点。 

上周五，发表在《科学进展》上一项研究表明，清华大学和布朗大学的研究员制作一种酷似海绵的陶瓷，既可以像海绵一样变形，也能像陶瓷一样隔热。有望用于消防服、水清洁领域。

当你把这种海绵陶瓷放在一片毛茸茸的树叶上时，它可以借由超轻的特性来保持平衡。不仅如此，它也能像一颗柔软的棉花糖一样被压扁，但很快又能恢复原状。同时，它也具有很好的隔热效果。

像生产棉花糖一样生产陶瓷

陶瓷作为一种强度高的材料，广泛应用于制造业，用来生产各种各样的产品。但陶瓷有一个问题，就是太脆了。最近，研究人员发明出一种能弯曲的陶瓷，同时具有储热、放热、高韧性等特点，可以用来制造新型防护服。

不同于坚硬的传统陶瓷，当你挤压这种柔软的新型材料时，它会被压扁，当外力移除后，它又会反弹恢复原样，没有任何破坏。

另外，这种新材料本身就是聚集形成的——通过将轻型纳米纤维嵌入到海绵中混纺制成。不同于成本昂贵、费时的3D打印或静电纺丝，清华大学的研究人员们发明了一种新的生产方法：将陶瓷溶液从微小的喷丝孔喷射到一个旋转纺织箱中，溶液形成的细丝缠绕包裹在一起，就像在制作一个轻盈、蓬松的棉花糖一样。

文章的通讯作者高华建博士表示，这项研究旨在研制出一种同时具备耐高温和可变形特性的新型材料。高解释说：“这种材料是通过将轻型纳米纤维嵌入到海绵中混纺制成，成本低廉、生产规模可调整，工业化生产容易。”

耐热的棉花糖

工程师们用几种不同的陶瓷材料来制备这种特殊的海绵陶瓷，包括二氧化钛和二氧化锆。众所周知，这些陶瓷材料具有良好的绝热性。接下来，研究人员决定测试它们的耐热性。

在这项实验中，研究人员将花瓣放到铁、氧化铝泡沫、新型二氧化锆陶瓷海绵等不同的材料上面。经过底部的发热元件加热，实验温度达到400摄氏度。加热10分钟后，其他材料上面的花瓣都变得很脆，唯独陶瓷海绵上面的花瓣只是稍微枯萎，而且，在花瓣和热板之间的陶瓷海绵厚度仅为7毫米。

研究人员将花瓣放在不同的材料，并将其暴露于752华氏度。陶瓷上的花瓣（最右）受到了保护

消防服和净水海绵

不仅如此，在经过1小时的加热后，陶瓷海绵顶部的温度仅上升到200华氏度。研究人员希望耐热性可以使这种材料成为良好的隔热体，甚至可以用于制作消防员的防护服。对于后者，重量、柔韧性和耐热性都至关重要。

之前已经有人研制出可弯曲的耐热陶瓷，然而，这种材料更多被制成薄片而不是棉花球的形状，而且往往只应用于电子设备。这是研究人员首次制作出能像海绵一样形变的隔热陶瓷材料。

这种陶瓷海绵材料还具有良好的通透性：二氧化钛陶瓷海绵在水中可以容纳自身50倍的重量，它可以通过与阳光反应去除水中的微粒，起到净水作用。在许多现代的水过滤技术中，二氧化钛以粉末的形式来去除水中的污染物，但难以重复利用。但现在，这种新型海绵在光照条件下仅需15分钟就能将人造染料分解完毕，挤出干净的水后，海绵可以再次利用。

这项研究证明，这种海绵陶瓷在制备工艺上是可行的，但在商业化和实际应用之前仍需要更多工作。也许只要一段时间后，你才能看到这种新型海绵和家用清洁海绵一同放在超市的货架上。

锂电池零下60℃高效运行：

能在高空极冷环境供电

　　最新出版的《科学》杂志刊登了电解液化学研究领域的一项重大突破：美国科学家首次使用液化气取代电解液，分别让锂电池和超级电容器在零下60℃和零下80℃还能保持高效运行。新技术不仅提高了电动车在寒冷冬季单次充电的运行里程，还能为高空极冷环境下的无人机、卫星、星际探测器等提供电能。

　　科学界普遍认为，电解质是改进储能装置性能的最大瓶颈。液态电解质已经遭遇研究极限，许多科学家现在将目光聚焦在固态电解质。但加州大学圣地亚戈分校可持续电力和能源中心及能源储存和转换实验室主任孟颖教授带领其团队，反其道而行之，研究气态电解质并取得突破。这些气态电解质能在一定压力下液态化，且更能抗冻。

　　在新研究中，他们从大量气体候选物中选出两种液化气——氟甲烷和二氟甲烷，分别制成锂电池和超级电容的电解质，使得锂电池的最低工作温度从零下20℃延伸到零下60℃，超级电容的工作温度从零下40℃延伸到零下80℃。而且，回到正常室温后，这些电解质仍能保持高效工作状态。

　　除了创造低温工作纪录，这些气态电解质还克服了锂电池中常见的热失控问题，更具安全优势。热失控是电池中的热量恶性循环，电池工作时温度会升高，启动一系列化学反应，这些反应产生的热量反过来进一步让电池变热，使电池膨胀而毁坏。但气态电解质在高于室温的环境下，会启动一种天然关闭机制，让电池失去导电性停止工作，从而防止电池过热。

　　最新研究还克服了锂电池充放电寿命太短的另一大挑战。因重量轻且能储存更多电荷，锂金属被公认为终极电极材料，但锂会与传统电解液发生反应，在电极表面形成针尖状突起，将电池分隔从而引起短路，造成充放电次数过少。而新电解质不会形成突起，大大延长了电池寿命。

　　研究人员表示，他们下一步要实现锂电池在更低温度下（零下100℃）工作的目标，为火星探测甚至木星和土星等深空探测装置提供全新供能技术。