變換天工器如神！2021年世界新材料發展回顧-
科技 日報國際部
磁性超導材料指含有磁性離子的超導材料，可用於加速大型強子對撞機中的粒子，建造磁懸浮交通工具等。目前開發和批量生產磁性超導體的主要問題是，要使用復雜且昂貴的冷卻設備。俄羅斯量子中心科研人員首次在室溫下獲得了磁性超導材料，借助該技術，未來可創建不需要復雜、昂貴冷卻裝置的量子計算機。相關實驗是在釔鐵石榴石單晶膜上進行的，該物質在某些溫度下具有自發磁化作用。
俄羅斯國立研究型技術大學與俄科學院微電子技術問題研究所通過沈積石墨烯塗層技術開發出壹種獨特的矽納米復合材料。這壹研發成果將加速直接放置在電子產品印刷電路板上的“微電廠”技術的發展。
多孔矽結構被越來越多地應用於微電子技術和生物醫學。它的壹個重要特性是大小不同的孔在整個材料中均勻分布。在醫學上，多孔矽膜起到過濾器的作用，例如用於血液透析。在便攜式電子產品中，它們被用作微型燃料電池的電極，微型燃料電池是壹種有前途的氫能源，可以集成到印刷電路板中。但當與工作液體（水或弱堿性溶液）接觸時，納米多孔矽會逐漸被破壞。由於采用新方法處理矽結構，其表面電阻降低了數百倍，並且對弱堿性溶液的穩定性顯著提高。此外，由於在孔道內表面形成了額外的凸起，材料表面有效面積增加了兩倍以上。所有這些都極大地改善了微燃料電池的特性，並提高了其中所使用的昂貴催化劑的耐久性。
另外，俄遠東聯邦大學和俄科學院遠東分院自動化過程控制研究所開發出壹種激光打印矽納米顆粒的技術。該技術的優勢在於速度快、制造成本低，能夠用顆粒覆蓋大面積的區域。這將使VR眼鏡和其他電子產品變得更小，制造成本更低。矽納米顆粒是生產微型光電開關、超薄計算機芯片、微生物傳感器和遮蔽塗層的構建基元。借助激光印刷的矽納米塊可以控制入射到其上的光波的振幅、光譜和傳播方向等主要特性。
英國劍橋大學的研究人員模仿自然界中最堅固的材料之壹——蜘蛛絲的特性，創造了壹種基於植物的、可持續的、可伸縮的聚合物薄膜。這種新材料與當今使用的許多普通塑料壹樣堅固，可以取代許多普通家用產品中的壹次性塑料。同時，該材料無須工業堆肥設備就可在大多數自然環境中安全降解，也可實現工業化大規模生產。
劍橋大學研究人員結合軟機器人制造技術、超薄電子學和微流體技術，開發出壹種超薄充氣設備，可以治療最劇烈的肢體疼痛，如無法通過止痛藥治愈的腿部和背部疼痛，而無需進行侵入性手術。該設備或可成為治療全球數百萬人頑固性疼痛的長期有效解決方案。
利物浦大學領導的壹個合作研究小組發現了壹種有史以來導熱率（又稱導熱系數）最低的新無機材料。這壹發現代表了材料設計在原子尺度上控制熱流的新突破，這將促進廢熱轉化為電能和有效利用燃料的新型熱電材料的加速開發，為構建可持續發展 社會 找到新路。
劍橋大學找到了壹種方法，可以從纖維素（植物、水果和蔬菜的細胞壁的主要組成部分）中制造出可持續、無毒、且可生物降解的閃光劑，利用自組裝技術可以產生色彩鮮艷的薄膜。
劍橋大學研究人員開發出壹種柔軟而堅固的新材料，外觀和感覺就像軟軟的果凍，但其可承受相當於大象站在上面的重量，在壓縮時就像壹塊超硬、防碎的玻璃。其還可完全恢復到原來的形狀，即使其80%的成分是水。
在新材料領域，美國科學家發揮自己的奇思妙想，獲得了多項突破。2004年“新材料之王”石墨烯問世，人們自此開始不斷地去嘗試設計新型二維材料，硼烯被認為比石墨烯更強、更輕、更柔韌，或將成為繼石墨烯之後又壹種“神奇納米材料”。
阿貢國家實驗室等機構研制出了由硼和氫原子構成的氫化硼烯，這種二維材料僅兩個原子厚，且比鋼更堅固，有望在納電子學和量子信息技術領域大顯身手。西北大學的工程師首次創造出壹種雙層原子厚度的硼烯，有望給太陽能電池和量子計算等帶來革命性變化。
加州大學伯克利分校科學家首次研制出壹種單原子厚且能在室溫下工作的超薄磁體，有望應用於下壹代存儲器、計算機、自旋電子學以及量子物理等領域。
此外，卡內基大學科學家開發了壹種新方法，合成出了壹種擁有六邊形結構的新型晶型矽，有可能被用於制造新壹代電子和能源器件，新設備的性能將超過現有普通立方形結構矽制成設備的性能。普林斯頓大學研究人員研制出了世界上迄今最純凈的砷化鎵，每100億個原子僅含有壹個雜質，為進壹步 探索 量子現象鋪平了道路。
日本物質材料研究機構試制“金剛石電池”，也稱“貝塔伏特電池”，是利用放射性物質制成的“核電池”的壹種。放射性物質的原子核不穩定，會釋放各種放射線並衰變，其中碳14和鎳的放射性同位素鎳63等會釋放β射線。碳14的半衰期約為5700年，鎳63約為100年，所以可實現長壽命電池。“金剛石電池”即利用此類放射性物質釋放β射線來實現發電。日本目前試制的“金剛石電池”壽命可達100年，可用作太空和地下設備的電源。
日本高知工科大學的研究團隊開發出均勻含有14種元素，並且具有納米級微孔隨機連接的海綿結構“納米多孔超多元催化劑”。這種催化劑是通過制備含14種元素的鋁合金，並在堿性溶液中優先溶解鋁脫合金化，然後聚集鋁以外的元素實現的。由於該合金只需溶解即可，因此可以進行大規模生產。
日本量子科學技術研究開發機構、東北大學和高能加速器研究機構改良了合金的成分，發現無需使用稀有金屬，使用鋁和鐵也可以儲存氫。研究發現，雖然鋁和鐵都是不容易與氫發生反應的金屬，但使其在7萬個大氣壓以上的環境下與650 以上的高溫氫發生反應，則可以儲存氫，變成新的金屬氫化物。日本開發出這類不使用稀有金屬的儲氫合金，可以實現儲氫材料的低成本運輸。
東京工業大學、熊本大學等組成的研究團隊開發出有助於燃料電池實現脫鉑的新物質“十四元環鐵絡合物”。該研究團隊制作由14個原子固定鐵原子、結構比十六元環絡合物小壹圈的芳香族十四元環鐵絡合物。利用電位掃描試驗評估新制備的催化劑的氧還原催化活性發現，與鐵酞菁相比具有更優異的催化活性和耐久性。團隊之後的目標是，通過優化十四元環的周邊結構，將催化活性提高至目前的30倍左右，以使鉑替代催化劑實現實用化。
納米技術方面，法國南巴黎大學固體物理實驗室聯合奧地利格拉茨技術大學物理研究所，首次對納米表面聲子進行了三維成像，有望促進新的更有效的納米技術的發展。為了開發新的納米技術，必須首先使表面聲子在納米尺度上實現可視化。在新研究中，科學家用電子束激發了晶格振動，用特殊的光譜方法對其進行測量，然後進行了層析成像重建。
氫能源方面，法國國家科學研究中心和德國慕尼黑工業大學的研究人員開發出壹種新的氫催化劑。氫化酶是壹種既可以催化電解水制氫,又能實現將氫轉化為電的逆反應的酶,研究人員將氫化酶納入“氧化還原聚合物”,從而使氫化酶能夠被嫁接到電極上。研究人員以此制造了壹種系統,可以催化兩個方向的反應,即系統既可以作為燃料電池使用,也可以進行相反的化學反應,通過電解水產生氫氣。
納米材料方面，法國國家科學研究中心聯合麻省理工學院混凝土可持續性中心成功利用納米炭黑讓水泥具備導電性。研究人員通過將便宜且易於大規模生產的納米碳材料引入到混合物中並驗證其導電性。通過在水泥混合物中加入體積為4%的納米炭黑顆粒，得到的樣品具有導電性。當施加低至5伏的電壓時可以將該水泥樣品的溫度提高到41攝氏度。由於它能提供均勻的熱量分布，這為室內地板采暖提供了可能，可以替代傳統的輻射采暖系統。此外其還可用於道路路面除冰。
根據《2021年度納米技術發展實施計劃》和《第七次產業技術創新計劃（2019—2023）2021年度實施計劃》，韓國政府提供的納米研究經費連續三年高速增長。
韓國成均館大學研究展示了在富鎳氧化物上塗布石墨烯塗層，從而在不使用傳統導電劑的情況下制備包含高導電活性陰極的新方向，進壹步揭示了Gr納米技術的應用可行性。
韓國研究團隊開發了壹種使用二硫化鈦作為活性材料且不使用固體電解質的目前性能最好的納米薄膜正極。
韓國科學技術研究院利用半導體制造工程中使用的金屬薄膜沈積工藝，完成了氫燃料電池催化劑金屬納米粒子量產技術。制造過程中使用特殊基板以避免金屬沈積為薄膜。
韓國壹項***同研究打造線寬4.3埃的導電通道獲得成功。該研究使用了透明的單原子厚度的二維黑磷作為導電材料。該材料有望成為代替石墨烯的新壹代半導體器件。研究成果通過原子分辨率的透射電子顯微鏡進行了驗證。
韓國科學技術研究院研發的超快脈沖激光器，將包含石墨烯的附加諧振器插入到工作在飛秒範圍內的光纖脈沖激光振蕩器，將現有激光器的脈沖頻率提升了1萬倍。
以色列企業Polaris Solutions稱其與以國防部合作研制出壹種名為“Kit 300”的熱視覺隱身材料。該材料由金屬、聚合物和超細纖維組成，其主要用於在夜間幫助士兵避免被熱成像設備發現，但其也可根據作戰環境（如戈壁、叢林等）需求定制顏色和圖案，在可見光條件下幫助士兵偽裝。此外，該材料具有防水功能，具有較高的強度和柔韌性，可彎曲成U形作為臨時擔架。
以色列理工大學電氣和計算機工程學院的研究人員在《科學》雜誌發文稱，其研制了壹種超薄的“二維材料（僅由壹層原子組成）”，這種材料可以“捕獲”光，且科學家可使用特殊的“量子顯微鏡”觀察光在其中的傳播。這種材料有望為新壹代微型光學技術鋪平道路，以色列理工大學卡米納教授稱，該發現或可將光纖直徑由1微米減小到1納米。
以色列理工學院研究團隊發文稱，在原始結構中去除壹個氧原子，能夠顯著提升鐵電材料的導電性能。研究人員發現，鐵電材料——鈦酸鋇的原子形成類似立方體的晶格結構，通過在晶格結構中去除壹個氧原子，可以形成壹個名為“四極子”的獨特拓撲結構，材料的導電率將得到顯著提升，該研究有助於未來降低電子設備的能耗。
德國亥姆霍茲柏林能源與材料研究中心用X射線顯微技術在1秒鐘內拍攝了1000張斷層圖像，刷新了材料研究領域的世界紀錄。該中心發明壹種放置在矽和鈣鈦礦中間的自組裝甲基單層膜材料，提高了填充性能以及太陽能電池的穩定性，並創造了鈣鈦-矽串聯太陽能電池效率的世界紀錄。於利希研究中心等合成和表征了所謂的二維材料，並證明該材料是磁振子的拓撲絕緣體。奧格斯堡大學根據量子效應阻礙磁序原理研發壹種穩定化合物，可以替代順磁鹽實現超低溫。
馬克斯普朗克膠體和界面研究所研發壹種氮化碳納米管膜，能以高轉化率催化各種光化學反應。這些碳納米管充當空間隔離的納米反應器可將汙水轉化為清水。德國電子同步輻射加速器使用高強度的X射線來觀察單個催化劑納米粒子的工作情況，向更好地理解真正的工業催化材料邁出了重要壹步。利用位於德國達姆施塔特的粒子加速器設施，德國科學家成功對114號元素鈇進行了人工合成和研究，結果表明鈇核並不是所謂的“穩定島”。
弗裏茨·哈伯研究所發現，通過用激光照射半導體氧化鋅，半導體表面可以變成金屬，然後又變回來。慕尼黑工業大學等發現，固態電池界面塗覆納米塗層可讓電池穩定。卡爾斯魯厄理工學院發現，同時塗覆和幹燥兩層電極，可以將幹燥時間縮短至不到20秒，可使鋰離子電池的生產速度提高至少三分之壹。
德國聯邦材料測試研究所於世界上首次認證測定熒光量子效率的標準物，可對新型熒光物質及其測量技術進行可靠和可比較的表征。弗萊堡大學開發註塑成型玻璃工藝，可用於大批量生產復雜的玻璃結構、玻璃器件代替之前的塑料產品。弗勞恩霍夫建築物理研究所開發了壹種脫礦工藝，可將工業炭黑從車輛輪胎的礦物灰中完全分離出來。
近幾十年來，科學界對納米技術的使用及其在科學、工程和生物醫學領域提供的機會越來越感興趣。與大塊對應物相比，納米晶體具有獨特的物理特性，並且由於它們的尺寸小，可以很容易地進入活細胞甚至單個細胞器。這使得納米晶體能夠成功用作藥物的載體，這極大地促進了它們對單個細胞的靶向遞送，並且具有巨大的潛力，特別是在癌癥的化學療法中。
更有趣的是納米晶體，它不僅可以作為靶向藥物遞送的被動劑，還可以積極參與活細胞內的生物過程。2021年10月，烏克蘭國家科學院閃爍材料研究所發布消息稱，該研究所的納米結構材料室在納米生物材料領域對壹種新型的具有生物活性的納米晶體（納米酶）進行了研究，這些納米晶體具有類似於酶的特性，具有控制細胞中生化過程速率的功能。他們發現這些納米晶體的特性主要取決於它們極強的抗氧化活性。
眾所周知，活細胞中不斷形成所謂的活性氧，由於其極高的氧化能力，可以破壞活細胞的各種成分，從而對身體產生負面影響。隨著年齡的增長，這些病變會不斷積累，許多科學家認為這種人體結構變化的積累是導致衰老的關鍵原因之壹。也就是說，有效調節活細胞中活性氧的水平可以成為預防多種疾病甚至延緩衰老的因素之壹。酶分子可以控制活細胞中活性氧的水平，研究最多的具有酶樣抗氧化活性的納米晶體類型之壹的氧化鈰納米晶體。該研究所的科學家研究證實了納米晶體能夠減緩小鼠的衰老過程，科學家們在研究過程中還建立了納米晶體在不同酸度環境中促進氧化活性的具體機制。