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一大波新材料横空出世改变世界超出你想象(第

更新时间:2019-09-15

  人们生活中常常见到的、具有良好可拉伸性的皮筋、弹力丝、胶膜材料,其拉伸倍数不超过数十倍。然而,中国科学家创造了一个奇迹:研制出了一种可以拉伸13000倍的聚合物。相关文章于近日刊登在材料领域国际顶级学术期刊《先进材料》上。

  材料究竟能够拉伸多长?这个饶有兴趣的问题对材料研究人员却是巨大的挑战。陶瓷材料的拉伸倍数通常较小,金属材料的拉伸倍数通常不超过10倍(在某些特殊条件下超塑拉伸也可达到千倍),而迄今为止,聚合物本体可拉伸倍数最高纪录约为180倍,凝胶材料拉伸倍数也不过210倍。

  现在,中国科学院的科研人员创出了一个新纪录:首次使聚合物材料的最大拉伸倍数提升至13000倍。中国科学院化学研究所赵宁研究员/徐坚研究员课题组设计和制备出一种聚合物网络结构,通过强、弱动态键的协同作用,成功地把聚丁二烯(PB)材料的可拉伸倍数提高到了1万倍以上。这种聚合物材料含有离子型氢键和亚胺键交联网络,在特定条件下,网络中动态交联点通过可逆断裂或者动态交换耗散能量,有效防止材料发生不可逆破坏,因此,在拉伸过程中少量的亚胺键用于维持网络结构,大量的离子型氢键则耗散能量,两种机制之间的协同作用使聚合物材料成功地获得超级拉伸性能。

  良好的可拉伸性能是聚合物材料能够用在柔性电子器件、驱动器以及能量存储等领域的必备条件。

  据了解,此项工作是与西南交通大学崔树勋教授、中国科学院化学研究所王建平研究员、向俊锋研究员及加拿大麦克马斯特大学史安昌教授合作完成的。

  莱斯大学的科学家们发明了一种将二氧化碳循环利用制成环保燃料的方法。通过莱斯大学实验室建造的一个电解反应器,纯液体燃料可以由温室气体(GHG)制成。该反应器可以利用可再生电力将二氧化碳回收为纯液体燃料。

  该项目背后的科学家希望这项发明将有助于阻止温室气体进入大气层。这项发明不仅具有将温室气体排除在大气之外的潜在能力,而且可以提供一种高效且有利可图的方法来再利用温室气体。

  催化反应器由莱斯大学化学与生物分子工程实验室王浩天(音译)研制。该反应器以二氧化碳为原料,生产高纯度、高浓度的甲酸。

  直接生产纯甲酸溶液将有助于鼓励商业化的二氧化碳转化技术。据王说,他的方法比传统的二氧化碳设备更经济有效,因为它们需要昂贵和能源密集型的净化步骤来产生甲酸。

  在《自然能源》(Nature Energy)杂志发表的一项研究中,王教授的电催化剂在实验中达到了约42%的能量转换效率。这意味着几乎一半的电能可以以纯液态燃料的形式储存在甲酸中。

  “甲酸是一种能量载体。可以发电并释放出二氧化碳 - 你可以再次抓取并回收利用。”

  “作为其他化学品的原料,以及氢的储存材料,它在化学工程行业中也是基础性的。它可以容纳相同体积氢气的近1000倍的能量,而氢气很难压缩,”王说。“这是目前氢燃料电池汽车面临的一大挑战。”

  该反应堆可以重新装备,以生产多种类型的纯液体燃料。该实验室能够连续生产甲酸100个小时,而反应器的组件,包括纳米级催化剂的降解几乎可以忽略不计。王认为,该反应器应该易于改造,以生产更高价值的产品,如乙酸、丙醇或乙醇燃料。

  王说,总的来说,降低二氧化碳排放对于对抗全球变暖及其对绿色化学合成的影响是非常重要的。此外,如果电解方法中使用的电力来自可再生资源,如太阳能或风能,就可以形成一个循环,在不排放更多二氧化碳的情况下,将二氧化碳转化为有价值的东西。

  王和他的团队致力于将温室气体转化为有用产品的技术,比如纯液体燃料。他们的研究得到了莱斯大学和美国能源部科学办公室的支持。

  近日,中国科学技术大学俞书宏教授研究团队借鉴天然生物纤维的策略,成功研制了一种既强又韧的宏观尺度纤维素基纳米复合纤维材料,解决了人工材料中强度和韧性之间难以调和的矛盾。

  基于生物质来源的高性能纳米复合材料正逐渐成为未来结构和功能应用的理想材料,然而所制纤维素基宏观纤维材料的强度和韧性之间的矛盾尚未得到解决。反观自然界,许多植物纤维和动物纤维都有效规避了强、韧之间的矛盾,实现了高强度和高韧性的完美组合。

  研究揭示,这些典型的生物结构材料具有一些共性:都是天然的纳米复合材料,由高度取向的高强度纳米纤维单元包裹在较柔软的有机物基质中构成,并具有高度有序的多级螺旋缠绕结构。

  基于此,研究人员以高强度细菌纳米纤维素作为增强基元,以海藻酸钠生物大分子作为有机物基质,将两者的复合水溶液进行溶液纺丝,得到拉伸强度初步提升的单取向结构宏观纳米复合纤维。单纯海藻酸钠宏观纤维的拉伸强度为190MPa,而所得纳米复合纤维的拉伸强度提高至420MPa。

  随后,他们通过多级螺旋缠绕结构设计,得到了具有类似生物纤维结构特征的宏观人工纤维材料,其拉伸强度继续提升25%,断裂延伸率和韧性则分别同步提升近50%和100%。

  俄罗斯南乌拉尔国立大学开发出一种可以清洁污水的混合吸附剂,可高效从污水中把重金属吸附出来。目前,这种吸附剂已经通过测试,并获得了专利。

  吸附剂具有大表面、高度开放多孔的结构,由硅酸盐、水云母、火山玻璃形成的颗粒状热处理混合物组成,大大提高了把重金属从污水中吸出来的能力。该大学建筑研究所主任、吸附剂的研发者德米特里·乌尔里希说:“混合物成分比例的选择是为了确保所清洁污水的过滤速度不低于技术指定速度。吸附过程的重要指标是吸附剂与受污染污水的接触时间,因此依靠所选定比例,吸附剂的结构确保了系统的最佳孔隙率。”

  乌尔里希称,新型吸附剂能够吸收重金属盐 (铜、铅、锌)、石油和石油制品、放射性核素、毒素、农药和其它有毒化合物。目前,研究人员正在寻求工业伙伴——对清洁污水感兴趣的矿山开采企业和冶金企业。

  美国海军研究实验室采用多种颜料组合的方式制备出新型灰色涂层,可有效缓解水面舰表面涂层的褪色问题。

  舰船表面涂层易在阳光照射下发生褪色现象,导致涂层性能下降,而传统涂层采用单一颜料制备,仅可保持表面涂层 18 个月内不褪色。

  研究人员共设计了五种颜料组合方式,通过综合考虑各组合制备的新型涂层颜色稳定性、太阳光反射性,以及大气暴露试验香港最快开奖现场直播,加速老化试验和力学试验等,筛选出最佳组合方式。结果表明,新型涂层各方面性能均优于传统单一颜料制备的涂层,且硬度比采用有机硅改性醇酸树脂制备的涂层高 5 倍,同时具有优异的耐化学性和阻隔性能。

  目前,该新型涂层已用于 “埃塞克斯” 号两栖攻击舰和 “乔治·华盛顿” 号航母,且美国海军研究实验室正联合海上系统司令部准备将新的颜料组合方式设置为军用涂料标准。

  来源: 科技日报、中国新能源网、中国化工报、俄罗斯卫星通讯社、国防科技信息网