材料研究

陶瓷氣凝膠極端隔熱多功能材料

哈爾濱工業大學土木學院李惠和徐翔教授在陶瓷氣凝膠隔熱領域取得新成果。相關成果發表于《自然》（Nature）。傳統陶瓷氣凝膠超隔熱材料存在困擾其近百年的“力熱互斥”瓶頸難題，例如陶瓷無定形態增韌的同時引發高溫析晶粉化、低熱膨脹效應受困于結構幾何構型和力學特性、力熱協同增強的同時犧牲隔熱性能、低密度降低聲子傳熱的同時無法有效阻隔高溫熱輻射等，難以滿足極端環境熱控制需求。文章提出了一種氣凝膠多尺度超結構設計和制備方法，采用半晶質陶瓷材料設計結合宏觀結構設計思路，賦予陶瓷氣凝膠近零泊松比和近零熱膨脹的“雙零”反常規物理性質，可獲得輕質超柔韌、高熱穩定性及高溫超隔熱等特性。

拓撲量子材料的能源應用

中國科學院寧波材料技術與工程研究所李國偉研究員與中山大學羅惠霞教授及嚴凱教授合作，系統綜述了拓撲量子材料在能源催化及儲能等領域的應用進展，并提出了基于磁性、磁場等手段的效率優化策略。相關成果發表于《自然物理評論》（Nature?Reviews?Physics）。拓撲材料是過去十多年凝聚態物理領域的明星材料之一，研究者們追求其拓撲非平庸的表面態及無耗散的電子傳輸，并試圖在超導技術、量子計算及低能耗器件上實現應用。然而，由拓撲特性導致的表面化學性質一直缺乏相關研究。目前，拓撲碳材料成為了當前電極材料的熱門候選體系，包括鋰離子電池、鈉離子電池以及超級電容器等。

石墨炔的化學鍵轉換產電研究

北京理工大學化學與化工學院陳南副教授團隊在石墨炔（GDY）材料研究領域取得新進展，提出并驗證了GDY化學鍵轉換（烯-炔轉換，acetylenic-alkenic?conversion）誘導的小分子之間電子轉移的生成機制。相關成果發表于《物質》（Matter）。氣態H2O分子通過定向擴散穿過GDY框架結構時，與GDY的炔鍵之間發生電子轉移而產生感應電信號。此外，氣態H2O分子構成水汽的相對濕度和溫度以及氣體的類型（NH3、HCl）也會影響感應電信號輸出。與從復雜環境（如太陽能、摩擦電和壓電）獲取能量的方法不同，這種發電技術利用GDY中獨特的化學鍵誘導電子轉移并直接獲得感應電，可將其周圍存儲的巨大能量轉換為電能。

微塑料老化降解研究

西北農林科技大學資源環境學院郭學濤教授團隊闡明基于環境活性物質介導的微塑料分配機制，明確控制微塑料轉化的環境活性物質界面體系，揭示控制微塑料環境地球化學行為的關鍵因子。相關成果發表于《環境科學技術》（Environmental?Science?&?Technology）。聚苯乙烯微塑料（PSMPs）是環境中最常見，也是最具代表性的微塑料之一。已有研究表明光照條件下微塑料（MPs）的老化受活性氧（ROS）影響。然而，關于黑暗條件下MPs老化過程及溶解性有機質（DOM）的影響機制仍不清楚。新研究不僅揭示了DOM在黑暗和紫外光條件下促進PSMPs的老化機制，而且明確了DOM對PSMPs的老化受DOM類型的影響。

高熵熱電材料研究

南方科技大學物理系講席教授何佳清團隊開發了具有高熱電性能和高發電效率的高熵碲化鍺基熱電材料。相關成果發表于《科學》（Science）。熱電材料能夠實現熱能與電能之間的直接轉換，由熱電材料做成的器件具有設備構造簡單、服役穩定性高、對熱源要求低等特點，在低品質環境廢熱的回收利用領域應用廣泛。在由高熵穩定獲得的極低晶格熱導率基礎上，通過調控電子局域化程度，避免了無序引入對電子傳輸的影響，從而使高熵碲化鍺基材料的電性能得到了顯著提升。這種電性能和熱性能的協同優化，極大地提高了材料的熱電優值，同時還實現了極高的器件轉換效率，有利于高熵穩定概念在高性能熱電材料開發中的應用。

發現碳家族單晶新材料

中國科學院化學研究所鄭健課題組在常壓下通過簡單的反應條件，創制了一種新型碳同素異形體單晶——單層聚合C60。相關成果發表于《自然》（Nature）。碳是元素周期表中最多樣化的元素之一，碳原子具有極輕的原子質量和極強的共價鍵，以多種雜化方式成鍵獲得結構豐富的碳網絡，其獨特的π電子共軛體系展現出優異的力、熱、光、電等屬性。研究人員通過調節碳材料的帶隙，可以使其表現出迥異的電學性質，從而在晶體管、能源存儲器件、超導等領域具有廣泛應用；利用摻雜聚合-剝離兩步法，成功制備了單層二維聚合C60單晶，獲得了確鑿的價鍵結構；通過調節工藝，進一步得到單層C60聚合物。

分子篩孔道內單分子原子級顯微成像

清華大學魏飛團隊實現了在室溫下高硅鋁比準二維片層ZSM-5（2-3個單胞厚度）分子篩孔道內限域的有機小分子（吡啶、噻吩）的原子級成像，實現了分子篩孔道內單分子原子級顯微成像突破。相關成果發表于《自然》（Nature）。有機小分子在以分子篩為代表的多孔材料中的單分子成像與構象研究，是深入理解其相變、吸附、催化和相互作用過程的基礎與關鍵。其中，有機小分子（吡啶、苯、噻吩等）在室溫或更高溫度下的原子級成像一直難以有效開展。新研究不僅提供了一種有效、通用的相互作用勢阱在室溫下對單個有機小分子的原子級結構成像策略，同時推動了電子顯微學在有機小分子原子級成像上的進一步應用。

石墨烯基三維網狀超輕復合吸波材料研究

安徽理工大學化學工程學院疏瑞文教授團隊致力于研發新型輕質高性能吸波材料。相關成果發表于《材料科學技術》（Journal?of?Materials?Science?&?Technology）。吸波材料是解決電磁干擾和電磁輻射污染問題的關鍵材料，在軍事和武器方面應用廣泛。研究發現，復合氣凝膠具有獨特的三維分級多孔網狀結構；鈷鐵氧體的形貌和添加量對復合氣凝膠的電磁參數與吸波性能具有顯著的影響。復合氣凝膠的電磁衰減機理主要包括空間電荷在異質界面積累產生的界面極化損耗，石墨烯表面的結構缺陷、殘留官能團及氮原子摻雜誘導的偶極極化損耗，磁性中空鈷鐵氧體引起的自然共振損耗，三維網狀結構產生的傳導損耗和多重反射效應等。