【精华推荐】材料最前沿：对抗高精度武器的变色材料、近完美柔性宽频红外吸光材料、软硬重复可变的超材料、可降解“蚕丝蛋白骨钉”

• 俄罗斯开发出可对抗高精度武器的变色材料
  

• 美研发出可军民两用近完美柔性宽频红外吸光材料

• 日本研发在晶片上形成GaN元件功率半导体的关键技术

• 美密歇根大学发明表面软、硬重复可变的超材料

• 芝加哥大学研发能使任何材质都浮得起来的热悬浮技术

• π共轭路易斯碱—高效的钙钛矿太阳能电池界面修饰

• 廉价的高性能等离激元材料—三维杂化铝纳米结构阵列

• CVD法制备石墨烯清洁无损转移难题攻克，高端应用迎来曙光！

• “黑纸”造出超低价太阳能蒸馏器，或可解决饮用水难题

• 科研人员发明可降解“蚕丝蛋白骨钉” 

  
  

俄罗斯开发出可对抗高精度武器的变色材料

据俄塔社2017年2月23日莫斯科报道，俄罗斯电子仪器公司（隶属于俄罗斯国家技术公司）的研究人员研制出能够通过改变颜色来躲避高精度武器攻击的变色材料，该种材料可以改变颜色，甚至可以根据需要形成诸如树叶之类的复杂图像。该种涂层是一种特殊的聚合物材料，在电脉冲的作用下可以改变颜色。利用该技术形成的涂层具有低可见性，可将被保护的目标隐藏起来。目前俄罗斯完成这种变色材料模型及其控制系统的开发。

该种合成材料在对抗高精度武器方面具有广阔的前景。因为当前的制导设备是在识别分析图像和目标特性的基础上进行制导，而该种材料是一种可见光视觉伪装技术，且无明显的热辐射或者电磁辐射特征，未来在对抗高精度武器打击上是一种较好的伪装与屏蔽措施。

美研发出可军民两用

近完美柔性宽频红外吸光材料

美国工程师网站2017年2月2日报道，美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员近日开发出一种轻薄、柔性的红外吸光材料。这种轻薄材料的吸光效率超过太阳能电池的3倍，可以吸收超过87%的近红外光（波长从1200-2200纳米），其中98%是1550纳米波长光。以上红外波段是光纤通信的波段。因此，这种材料被称为近完美宽带吸收体。

这种材料可以转移到任何类型的基底上，可以大规模生产，并应用到大表面积的设备上。因此具有广阔的应用前景，例如，可以阻挡热探测，用作透明窗口涂层，在军用上可以让装备实现红外隐身，在民用上可以让建筑物和汽车在太阳下保持凉爽。该技术目前仍处于开发阶段。研究人员继续尝试不同材料、几何形状和设计，开发在不同波长光起作用的吸光体。

日本研发在晶片上

形成GaN元件功率半导体的关键技术

GaN功率半导体是碳化硅功率半导体的下一代技术。日本通过发光二极管的开发积累了GaN元件技术，GaN晶片生产量占据世界最高份额。功率半导体有利于家电、汽车、电车等的节能，产业需求很大。GaN功率半导体中，硅基板上形成横型GaN系的高电子迁移率晶体管等设备已经量产，但是，GaN基板上形成GaN的金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）高性能设备的研究刚刚起步。

日本三菱化学及富士电机、丰田中央研究所、京都大学、产业技术综合研究所的联合团队成功解决了在氮化镓（GaN）晶片上形成GaN元件功率半导体关键技术。日联合团队制作了高质量2英寸GaN晶片和MOSFET。三菱化学面向功率半导体改良了GaN晶片量产技术“氨热热法”。优化晶体成长条件，将晶片平均缺陷密度，减少到以往的数百分之一、每1平方厘米数千个水平。富士电机等制作的MOSFET，元件性能指标之一的移动度比碳化硅功率半导体高，确保了实际工作所必要的正阈值电压。丰田中央研究所通过新离子注入法试制成功了GaN的pn结。

 “新一代功率电子工业”为日内阁府发展战略性创新创造计划的一环。今后，日研究团队将从晶片到元件形成、加工技术、基础物性的解读等各个方面入手，检验其实用性，特别要将元件纵型制作，以便通过大电流。

美密歇根大学发明表面软

硬重复可变的超材料

2017年1月23日，美国密歇根大学宣布，该校的研究团队发展了一种新方法来设计一种超材料，使该材料可在软、硬之间切换，同时不损坏材料或进行外部改变。该项研究成果的论文已发表于《自然通讯》。

密歇根大学指出，新方法可简化对材料的控制，以此设计的超材料可使表面硬度产生数量级的改变——提升前后硬度的区别相当于橡胶和钢之间的区别。由这些性质是“拓扑保护的”，即材料的性质来自其总体结构，不会因为外力改变，因此能软硬状态之间来回变化。研究人员表示，“这种超材料的创新在于其表面可在软、硬两种状态之间变化，而传统材料的硬度一般很难被改变，在材料制成的时候，它的软或硬就已经确定了”。他表示，这种新材料可能在未来被用作建造新型汽车或运载火箭。“当你驾驶车辆时，你希望自己的车坚固耐用并且可以支撑足够的负载……在撞击发生后，你希望所有的车身组件都可以免得更加柔软有弹性，来吸收碰撞中产生的能量，从而保护车中的乘客”；在运载火箭上，可以抵抗结构损伤，帮助火箭等进行重复利用。该校研究人员认为，这种材料还可用于自行车轮胎，使之可自动适应沙地等松软路面，使骑行更加轻松。

芝加哥大学研发能使

任何材质都浮得起来的热悬浮技术 

芝加哥大学研究团队利用真空腔中金属板之间的温度差，在两块金属板之间悬浮起了各种各样的物体，例如陶瓷球、聚乙烯球、玻璃泡、冰粒、棉线、蓟花种子等等。

这项工作在悬浮时长、方向、方法等多个方面都取得了突破性进展：时长上，相比与以往悬浮时长仅几分钟的技术，该技术能够保持一小时以上的悬浮；方向上，该技术既能从径向又能从纵向控制住悬浮稳定性，而以往则只能实现纵向控制；方法上，该技术采用了温度梯度，以替代以往研究中的光或磁场。这项工作发表在了今年1月20日的《应用物理快报》（Applied Physics Letter）上。

Chin说：“磁悬浮只能用于磁性颗粒，光悬浮则只能用于能被光极化的物体，但这种全新的热悬浮技术能够让普通物体都悬浮起来，这是史无前例的。”

该文章的第一作者Fung说：“大温度梯度所产生的力可以平衡重力，实现物体的稳定悬浮。我们定量测算了热泳力，定量结果与理论预测值吻合得很好，这让我们的后续工作成为可能，让我们能够进一步研究不同种类物体的悬浮。”（热泳是指颗粒在温度梯度的作用下进行运动的现象。）

研究人员表示，该装置可以用作新型陆地平台（ground-platform），帮助研究人员探索天体物理学、化学、生物学等系统中的动态过程。

因其在空间、大气与天体化学研究中的广泛应用，科学家对宏观物体在真空环境下的悬浮很感兴趣。此外，热泳现象已经在气溶胶热沉淀器（aerosol thermal precipitator）、核反应堆安全性、光纤的真空沉积法制备中取得了应用，能够在制备过程中慢慢累积原子层或分子层。

芝加哥大学的物理学荣誉教授Thomas Witten认为，这种新的悬浮方法具有重要意义，因为这种方法能够在无接触、无污染的条件下操纵物体。“例如，在微机电系统方面，这种方法开辟了大批量组装微小零件的新方法，而且还能测量这些系统中非常小的力。”

他补充道：“该研究也促使我们去探讨‘从动气体（driven gas）’与一般气体究竟有何区别，‘从动气体’在这里指的是由热流等因素驱动的气体。‘从动气体’有望用于在悬浮颗粒之间建立起新形式的相互作用。”

这篇论文总结说，陆地上的物体悬浮实验可以为研究人员提供理想平台，用于研究颗粒在纯净、孤立环境下的动力学与相互作用过程。目前，Chin实验室正在研究如何悬浮起尺寸大于1厘米的宏观物体。同时，他们也在探讨物体在无重力环境下是如何发生相互作用或聚集起来的。

π共轭路易斯碱—

高效的钙钛矿太阳能电池界面修饰

半导体材料中的缺陷态是限制半导体器件性能提高的主要因素之一。有机—无机杂化钙钛矿作为一种新兴的高性能光伏材料，具有超长的载流子扩散长度，大大降低了其晶体内部的载流子复合。然而其多晶薄膜表面缺陷是不可避免的，表面缺陷态密度通常也比晶体内部要高出几个数量级。因此，如何简单高效地钝化表面缺陷是提高钙钛矿太阳能电池性能的研究重点之一。

以最为常用的杂化钙钛矿材料CH3NH3PbI3为例，CH3NH3PbI3的热稳定性较低，同时其组分CH3NH3I容易从晶体结构中分离，因此在CH3NH3PbI3多晶薄膜制备过程中，不可避免的热退火工艺会分解表面的CH3NH3PbI3生成PbI2，从而形成的大量的未饱和的Pb缺陷。此类缺陷是正电荷缺陷，较容易与富电子的路易斯碱相结合，从而达到钝化缺陷的效果。

最近，美国内布拉斯加大学林肯分校的黄劲松教授课题组采用了一种π共轭的路易斯碱作为钙钛矿太阳能电池的界面修饰材料，该材料可以通过简单地低温溶液加工，理论及实验证明其具有高效地钝化CH3NH3PbI3表面缺陷的能力。与此同时，该类材料也具有很好的n型半导体性能，从而实现了对钙钛矿层光生电荷有效提取。最终，π共轭路易斯碱钝化的钙钛矿太阳能电池器件获得19.5%的光电转化效率。研究中采用的π共轭路易斯碱由合作者北京大学占肖卫教授课题组提供。该研究工作为开发高效的钙钛矿半导体器件界面材料提供了新的设计思路。此类材料不仅应用在太阳能电池中，也可以广泛地应用在光电器件领域，例如超快光探测器、发光二极管等。

廉价的高性能等离激元材料

三维杂化铝纳米结构阵列

等离激元（plasmonic）纳米材料在入射光的照射下，产生局域表面等离激元共振现象，在材料表面形成很强的电场，因而，在光谱传感器、太阳能利用等领域拥有广泛的应用前景。基于贵金属的研究表明，间距为纳米级尺寸的两个颗粒之间存在强烈的等离激元共振耦合效应，能够进一步促进电场增强，也称为“热点”。“热点”可显著提升光谱传感器的灵敏度，提高太阳能-电能/化学能转化效率。因此，纳米结构中的等离激元耦合是形成“热点”的关键。传统贵金属（金、银）等离激元材料成本高，且银表面易氧化导致稳定性不佳。金属铝是一种新兴的、廉价等离激元材料，具有紫外到可见光波段等离激元共振特性，很有希望代替贵金属，特别对于紫外-表面增强拉曼光谱（SERS）领域，铝是一种很理想的衬底材料，近两年受到关注。然而，目前已报道的铝纳米结构主要是由孤立的纳米颗粒构成的二维阵列，结构单元之间距离很大，缺少等离激元耦合或“热点”。因此，较低的“热点”密度严重制约了这种低成本等离激元材料的发展。

近期，天津大学材料学院杨静研究团队开发了一种简便、高效的激光液氮直写技术，在铝片上一步原位制备了面积为1平方厘米左右、具有高密度等离激元“热点”的三维杂化铝纳米结构（3D-Al-HNSs）。3D-Al-HNSs由三维堆积的杂化单元组成，而每个杂化单元由数个20 nm的Al@Al2O3核壳纳米颗粒自组装在一个50 nm的大颗粒上构成。数值模拟表明，每个杂化结构中相邻颗粒之间的薄氧化铝层能够激发强烈的双重等离激元共振耦合，形成“热点”，氧化层表面的电场增强明显高于文献报道的其他铝纳米结构；此外，杂化结构的三维堆积可进一步提高“热点”密度。这种大面积、高密度“热点”的铝纳米结构具有很强的深紫外到可见光宽波段的光捕获能力。同时，该材料可直接作为紫外-SERS的衬底，应用于痕量分子检测。实验结果表明，其SERS增强因子比已报道的铝纳米材料高出至少三个数量级，对于非共振分子的检测极限和SERS增强因子达到了贵金属水平。另外，该结构的等离激元特性和探测灵敏度具有长达六个月的稳定性，结构稳定好，并且可以多次重复使用。该研究工作为研发低成本、高性能铝基等离激元材料提供了新思路，这种新型铝纳米结构在等离激元传感器及太阳能转换等领域应用前景广阔。

CVD法制备石墨烯清洁无损转移难题攻克

高端应用迎来曙光！

化学气相沉积（CVD）方法制备的大面积石墨烯薄膜在柔性有机发光二极管（OLED）、有机太阳能电池等薄膜光电器件领域具有重要的应用前景，而其洁净、无损转移是实现上述应用的关键。虽然目前发展了多种以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为代表的高分子作为转移介质的转移方法，但高分子与石墨烯间的相互作用较强且不易在溶剂中溶解，导致转移后的石墨烯表面有大量的高分子残留和破损，不仅降低了石墨烯的光电性能，还极大地增加了石墨烯的表面粗糙度，如PMMA转移后单层石墨烯的表面粗糙度可达数百纳米。

因而，以此作为透明电极制备的薄膜器件易发生短路、效率低，大面积器件的制备尤为困难。目前已报道的采用石墨烯作为透明电极的OLED器件的发光面积大多小于1平方厘米，而有机太阳能电池的活性面积则小于0.6平方厘米。

最近，金属所沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料研究部石墨烯研究组发展了一种以小分子松香作为转移介质的转移方法，实现了大面积石墨烯的洁净、无损转移。相比于传统使用的PMMA等高分子转移介质，小分子松香树脂不仅易溶于多种有机溶剂，与石墨烯的相互作用弱得多，而且可以形成足够强度的薄膜以起到在转移过程中支撑石墨烯的作用。

上述结果为CVD方法制备的石墨烯等二维材料的洁净无损转移提供了一个通用策略，对促进其在大面积电子、光电等器件中的应用具有重要意义。

该成果得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委杰出青年基金、重大项目、创新群体以及中科院重点部署项目等的资助，于2月24日在Nature Communications上在线发表（Nature Communications, DOI: 10.1038/NCOMMS14560, 2017）。

“黑纸”造出超低价太阳能蒸馏器

或可解决饮用水难题

饮用水资源枯竭和卫生条件恶化是全球人类面对的严峻挑战之一。有预测称，到了2025年，世界上将有半数的国家面临淡水资源紧张的严峻形势，而到2050年，世界上75%的人口将面临水资源短缺的困境。因此，提升水资源供给能力和研发消毒净化技术就显得至关重要。目前，在水资源净化和海水淡化领域中，反渗透膜分离技术占据主导地位。然而，该方法不但成本高，对环境影响也比较大。因此，有必要开发一种既能满足实际需要，又符合“可持续”原则的水资源净化方案。为解决这一需求，世界各国的研究者都在研发新技术，其中，太阳能蒸馏器就是目前最有前景的技术之一。

近日，纽约州立大学布法罗分校的甘巧强课题组和复旦大学的江素华课题组等合作，设计出一种便携式太阳能蒸馏器。该系统不需要昂贵笨重的光学聚焦组件，通过使用价格低廉的炭黑粉末、亲水多孔纸张和聚苯乙烯泡沫塑料制成的“黑纸”，可以使太阳能转换效率达到88%（太阳能的88%都被用于蒸发水）。这使得1平方米大小的这种装置在太阳光下每小时可纯化1升左右的水，而且无需光学装置聚光，这一速度是当前商用装置的数倍。更重要的是，这种装置的原材料成本小于2美元每平方米，极具大规模推广的市场前景。该工作发表于Global Challenges杂志，并被Science网站作为亮点报道（DOI: 10.1126/science.aal0699）。

科研人员发明可降解“蚕丝蛋白骨钉”

基于传统的起固定作用的医疗器械“骨钉”目前大多采用钛合金或不锈钢制成，病人康复后有二次手术取出的困扰。近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术联合国家重点实验室研究员陶虎带领团队，使用传统纺织业的蚕丝最新研发了一种可降解且降解速度可控的生物医疗器械。陶虎团队在实验室完成了从蚕茧到蚕丝再到蚕丝蛋白溶液、提取成固体，最后用车床精密加工成骨钉的生物材料制作过程。该生物材料除了具备精确可控的降解功能外，还具备包裹药物、微整形、信息隐藏、食品保鲜、药物储藏等多方面功效。日前，该项技术已经完成动物实验阶段，并进一步与生物医药企业合作，开展临床研究，预计三到四年内可产品化并上市，进而形成产、学、研一体化创新发展。该项技术一旦成型问世，有望将传统的低附加值的产业变成高科技高附加值的生物医药产业。