分享 | 中国2020年度新材料新技术盘点
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2020年1月，南方科技大学物理系林君浩副教授课题组，范德堡大学物理系Pantelides教授课题组与新加坡国立大学物理系ÖZYILMAZ教授课题组合作在非晶态材料中取得关键性突破，成功在低维极限下合成出单层非晶碳材料，并首次在原子尺度下准确测定了该单层非晶碳材料的原子结构，在实空间下计算出其长程无序性的径向分布函数。工作统计结果表明，该单层非晶碳薄膜没有任何长程周期性，其径向分布函数非常接近传统的三维非晶碳材料，进一步验证了单层非晶结构的无序特性。同时，通过更深入的分析，此次工作颠覆了人们对于单层非晶碳材料不能单独稳定存在的认知。
（a）单层非晶碳材料在色差校正效果下的HRTEM图片以及相应的傅立叶转换图片，展示出非晶材料独有的弥散衍射环。（b） 对应于a图中红色选框区域的原子mapping 的伪彩处理图片。五元环（红色），七/八元环（蓝色）和扭曲的六元环（紫色/绿色）。微晶（绿色）由扭曲的六元环组成，并被大量非六圆环区域分隔。晶粒被定义为至少由被六个六元环围绕的六角形组成。（c) 根据b图建立的理论模型。
（a）图1b中红色选区的键长键角测量图，证明微晶粒中存在巨大的应变。（b）在实空间统计数据下，石墨烯和单层非晶碳的键长径向分布函数。（c）石墨烯和单层非晶碳中第一个相邻原子的键长分布的统计图。（d）石墨烯和单层非晶碳之间的键角分布的统计直方图。
2020年1月，西安交大研究团队与美国宾夕法尼亚州立大学、澳大利亚伍伦贡大学、哈尔滨工业大学等单位合作，利用交变电场来极化PMN-PT铁电晶体，从而完全消除了对光有散射作用的铁电畴壁，从而获得了兼具高压电系数（>2100 pC/N）、高电光系数（220 pm/V）和理论极限透光率的铁电晶体材料。铁电材料是一种能够实现电-声信号转换的智能材料，广泛应用于超声、水声、电子、自控、机械等诸多领域。然而，由于铁电体存在大量的畴壁和晶界，传统的高性能压电材料，如Pb(Zr,Ti)O3（PZT）陶瓷和工程畴结构的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（PMN-PT）单晶材料，通常在可见光波段是不透明的。这项研究工作所获得的透明压电晶体将有效地推动声-光-电多功能耦合器件的设计与开发，例如透明触觉传感器、具有能量收集功能的透明压电触摸屏、用于光声成像的高性能透明超声换能器等。
（a）本工作所得到的透明高性能压电单晶材料照片（b）单晶透光率实验数据
2020年2月，金属研究所沈阳材料科学国家研究中心材料动力学研究部李毅研究员（通讯作者），潘杰副研究员（第一作者）和博士生周维华与英国剑桥大学材料系 A.L. Greer教授（通讯作者）、Y. P. Ivanov博士合作，首次在块体非晶态材料中实现加工硬化，颠覆了人们对非晶态材料形变软化行为的固有认识，为开发具有均匀塑性变形能力的非晶合金及其工业应用提供了新思路和方向。此次研究结果表明，块体非晶合金的加工硬化却是伴随着材料缺陷的湮灭和减少（更驰豫状态），是一个由高能态向低能态的转变过程。这与晶体材料的传统加工硬化过程完全相反，表明非晶合金具有完全不同的加工硬化机制。此研究不仅是八十五年来对材料加工硬化机理的重新认识，也为非晶态材料作为结构材料的应用奠定坚实的理论基础。
(a) 利用三维压应力的方法使块体非晶合金产生大范围、高程度的回春，获得高能态的块体非晶合金；(b) 回春态块体非晶合金在单轴压缩时的加载-卸载-再加载曲线和真实应力-应变曲线
北航材料学院攻克国际性难题 单层二维材料研究取得进展2020年3月，《Nature》杂志在线以全文Article的形式发表了北京航空航天大学材料科学与工程学院杨树斌教授课题组在单层二维材料研究方面取得的最新进展。《Conversion of non-van der Waals solids to 2D transition-metal chalcogenides》发现并提出一种合成单层二维材料的新方法──拓扑转化法，通过转化非范德华固体（过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物（MAX相）等）直接大量制备出具有超稳定和超高单层率的单原子层二维过渡金属硫族化物，攻克了单层二维材料难以制备和不稳定的国际性难题。
专家评述，这种方法可以直接将非范德华固体材料转变为单层TMCs，极具普适性，且操作简便，成本低廉，非常适合工业生产，将二维材料的应用极大地推向了市场商业化。
(a)：转化非范德华固体（MAX相）合成超高单层率和高温稳定的二维过渡金属硫族化物的机理图。(b)：MAX相中A相与含硫族元素的气体或蒸气形成的中间物的饱和蒸汽压-温度曲线。
2020年3月，北京理工大学化学与化工学院孙建科教授以《Enhancing crystal growth using polyelectrolyte solutions and shear flow》为题，将其“剪切促进晶体生长”研究成果发表于《Nature》杂志上（Nature 2020, 579, 73-79）。孙建科为该论文的共同第一作者，化学与化工学院为共同合作单位，排名第三。此研究是与韩国基础科学研究院Bartosz Grzybowski 教授合作完成。制备高质量且粒径尺寸合适的单晶在有机合成以及制药等相关行业至关重要。孙建科教授的该项研究突破了人们对传统晶体生长机理的认知，他发现在聚离子液体（Poly（ionic liquid），PIL，一类聚电解质材料）存在的环境中，不断的搅拌会让晶体生长的更快、更大。该工作打破了人们对传统结晶理论的认识，提出了利用剪切驱动的封闭系统恒温结晶方法，为简单、高效合成高质量的单晶提供了新思路。该方法是对当前晶体生长技术的一个重要补充，有望大大降低材料加工和制药业中晶体生长成本。
在聚离子液体存在下剪切应力促进均苯三甲酸晶体的生长
2020年5月，上海科技大学物质科学与技术学院教授于奕课题组与美国普渡大学研究团队合作，在新型半导体异质结研究中取得重要进展，首次成功制备并表征了二维卤化物钙钛矿横向外延异质结。卤化物钙钛矿材料作为一类近年来引起广泛关注的新兴半导体，在太阳能电池、发光二极管、激光等领域展示出巨大的应用前景，于奕课题组与合作团队在两个前沿难题的解决上取得了突破。这一突破提供了界面原子结构、缺陷构型以及晶格应变等准确信息，为这类新型半导体异质结的微观结构设计提供了直观的指导。在这些研究发现的基础上，研究团队进一步合作，展示了新型异质结原型器件中的整流效应，验证了这类新型半导体走向应用的前景。
2020年5月，由香港大学机械工程系黄明欣教授和美国劳伦斯伯克利国家实验室的Robert O. Ritchie教授合作领导的科研团队，成功突破超高强钢的屈服强度-韧性组合极限，获得同时具备极高屈服强度（~2 GPa），极佳韧性（102 MPa·m½），良好延展性（19%的均勻延伸率）的低成本变形分配钢（D&P钢）。发展超高强度同时兼备优良韧性的结构材料，一直是材料科学家及工程师过去几十年间希望解决的世界级科学难题。对比现有航空航天用马氏体时效钢，此次的高强高韧D&P钢以低于其5分之1的原材料成本，实现了强度与韧性的同时提升。除了力学性能上的巨大跃升，该团队开创性地提出高屈服强度诱发晶界分层开裂增韧新机制，获得超高强钢铁材料断裂韧性的大幅提升；打破了传统认为的提高强度会降低材料断裂韧性的常识。
（A）三维图解模型描述了样品加载方向与D&P钢组织结构的关系。（B）工程应力应变曲线。（C）J-积分阻力曲线。展示了D&P钢同時具有极高的屈服强度、韧性和均匀延伸率。
D&P钢与其它结构材料的 (A) 屈服强度-断裂韧性及 (B) 屈服强度-均匀延伸率的对比。
（A）此次D&P钢的三维立体组织结构。（B）原奥氏体晶粒边界(PAGBs)在D&P钢中的分布。（C）三维原子探针证明了Mn元素在原奥氏体晶界处富集。（D）三维示意图展示了D&P钢的独特片层状结构。
(A) D&P钢分层开裂增韧三维示意图，展示分层裂纹沿着垂直主裂纹的面发生。（B）D&P钢的断口形貌，观察到分层裂纹沿着垂直主裂纹的面发生。（C）分层裂纹沿着原奥氏体晶界（PAGBs）扩展。（D）D&P钢的TRIP 韧化机理。
北京大学实现30余种高指数晶面、A4纸尺寸单晶铜箔库制造突破
2020年5月，北京大学物理学院刘开辉研究员、王恩哥院士与南方科技大学俞大鹏院士、韩国蔚山科学技术院丁峰教授等合作在高指数单晶铜箔制造方向上取得重要进展。研究团队创造性提出晶体表界面调控的“变异和遗传”生长机制，在国际上首次实现种类最全、尺寸最大的高指数晶面单晶铜箔库的制造。近年来随着二维材料研究的兴起，铜被广泛应用于二维单晶材料的外延制备。制备大尺寸、多种指数晶面的单晶铜箔是产业界、科研界亟待解决的科学和技术问题。本工作中，研究团队发展一种全新退火技术，实现了对铜箔再结晶过程中热力学和动力学的控制。研究成果首次实现了世界上最大尺寸、晶面指数最全的单晶铜箔库的可控制备，在单晶金属研究、二维材料生长、表界面催化、低损耗电学传输、高频电路板、高散热器件等领域具有开拓性意义。
不同指数晶面、A4纸尺寸单晶铜箔的控制制备
2020年6月，《自然》杂志封面发表了电子科技大学基础与前沿研究院邓旭教授团队最新科研成果，该篇名为《设计坚固的超疏水表面》的论文提出，通过为超疏水表面“穿上”具有优良机械稳定性微结构“铠甲”的方式，解决了超疏水表面机械稳定性不足的关键问题。具作者介绍，根据已有科学研究，人们认为材料表面的机械稳定性和超疏水性是相互排斥的两个特性。这就意味着超疏水性和机械稳定性在提高一种性能时必然导致另一种性能下降。在实验过程中，该团队通过结合浸润性理论和机械力学原理分析得出微结构设计原则，同时利用光刻、冷/热压等微细加工技术将铠甲结构制备于硅片、陶瓷、金属、玻璃等普适性基材表面，与超疏水纳米材料复合构建出具有优良机械稳定性的铠甲化超疏水表面。该论文展示了铠甲化超疏表面非凡的应用潜力，必将进一步推动超疏水表面进入广泛的实际应用。目前研究人员已经将这种新型超疏水材料表面应用于太阳能电池盖板。
铠甲微结构尺寸越小，超疏水性对断裂性磨损越敏感
2020年8月，清华大学化工系魏飞教授和张如范副教授团队首次以实验形式测试了厘米级长度单根超长碳纳米管的耐疲劳性。超强超韧和超耐疲劳性能的材料在航空航天、军事装备、防弹衣、大型桥梁、运动器材、人造肌肉等众多领域都面临巨大的需求。为开展单根厘米级长度碳纳米管的疲劳力学行为测试，研究团队设计搭建了一个非接触式声学共振测试系统（non-contact acoustic-resonance-test，ART）。与基于电子显微镜的纳米材料测试系统相比，ART系统具有多方面优势，该系统不仅避免了电子束导致的样品损伤，也使得厘米长度的一维纳米材料的疲劳测试成为可能，同时还解决了小尺寸样品夹持以及高周次循环载荷的施加问题。这项工作揭示了超长碳纳米管用于制造超强超耐疲劳纤维的光明前景，同时为碳纳米管各领域相关应用的寿命等设计提供了参考依据。
超长碳纳米管的结构和疲劳测试方案
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