《麻省理工研究出一种革命性新材料!比钢硬1倍比塑料还轻》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2022-02-10
  • 一种最新材料,硬度是钢铁的一倍,但重量却仅有钢铁的1/6,并且这种材料相对比较容易生产,可轻松大规模量产。毫无疑问,这当然是一种革命性的材料,甚至说这种材料或许可以改变如今的世界。然而这种材料过于理想,以至于很多人质疑它的真实性。

    《自然》杂志在2022年2月2日发表了一项研究(标题Irreversible synthesis of an ultrastrong two-dimensional polymeric material),美国麻省理工学院的研究人员已经制造出了一种全新的革命性的材料。

    他们使用了一种三聚氰胺的化合物的特性:在适当的条件下,这些单体可以在二维上生长,形成圆盘,相互堆叠,由各层之间的氢键固定在一起,结构变得非常稳定和牢固,从而生成了一种被称为聚酰胺的二维片材。

    研究表明,这种材料的弹性模量比防弹玻璃大4到6倍,其屈服强度,也就是打破材料所需的力量,是钢材的两倍,但密度只有钢材的六分之一。

    更关键的是,在片状的分子平面,让分子在二维上把自己勾在一起,这种机制可以在溶液中自发地发生,从而很容易地旋涂薄膜,正是因为它可以在溶液中自组装,因而可以通过简单地增加起始材料的数量,大量制造非常坚固但极薄的材料。

    这意味着这种材料很有可能实现大规模的量产,一旦实现量产之后,他就可以应用在很多产品领域,比如汽车、航空、建筑、防弹等等,这将给很多行业带来革命性的变化。

    如果这种材料能够量产,未来很多行业都会被颠覆

    试想一下,如果未来生产出一种材料,它比钢还硬一倍,但却跟塑料一样轻,那它就可以制作成防弹衣,这就可以用于武装部队或者警察;另外用来制作火箭将可以大大降低火箭的重量,降低发射成本。

    汽车,未来新能源汽车取代传统燃料汽车将是不可避免的一个趋势,有很多国家已经列出计划表,计划在2035年之后淘汰传统燃油车,停止燃油车的销售,到时市场上只能销售新能源汽车。

    而目前影响新能源汽车普及的有几个因素,比如充电效率,续航里程等等。想要提高新能源汽车的续航里程,除了从电池上解决问题之外,车身材料也是一个重要的突破点,如果未来有一种比钢还硬却比钢轻6倍的材料能够应用在新能源汽车上,这样将可以大大降低新能源汽车本身的重量,从而降低耗能,这样可以提高新能源汽车的续航里程。

    当然类似这种改变不只是在汽车行业,对那些对材料要求更硬更轻的行业同样会产生很大的冲击。

    发明这种革命性材料的第一作者是华裔科学家

    麻省理工大学在材料科学研究方面确实够厉害,在这我们也感叹这种材料确实够强大,而研究出这种材料的作者之一,其实是一位华裔科学家。

    这项研究来自麻省理工学院化学工程教授迈克尔·斯特拉诺(Michael Strano) 领导的团队,第一作者是博士后曾玉伟(Yuwen Zeng)。

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    • 编译者:冯瑞华
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    • 麻省理工学院化学工程师设计出一种材料,它可以与空气中二氧化碳发生反应,然后生长、自我增强、甚至自我修复。 这种聚合物可能会被用作建筑材料或修补材料或保护涂层,它不断将空气中的二氧化碳转化为碳基材料,从而强化自身。 目前的新材料是一种合成凝胶状物质,其化学反应过程类似于植物进行光合作用生长的过程。例如,将该材料制成轻质面板材料,然后运输到建筑工地,让它们暴露在空气和阳光中发生硬化和固化,从而节省能量和运输成本。 Michael Strano教授,博士后Seon-Yeong Kwak和其他八位在麻省理工学院和加州大学河滨分校的研究员发现了这一材料,并将其发表在《先进材料》“Advanced Materials”杂志上。 化学工程的Carbon C. Dubbs教授斯特拉诺说:“这是材料科学中一个全新的概念,我们所说的碳固碳材料目前应该属于生物领域,因为碳材料只需要阳光就能够将环境空气中的二氧化碳转化为固态、稳定的材料,就像植物一样。 研究人员指出,开发这类碳材料,不仅可以减少化石燃料的使用,还能消耗空气中的二氧化碳,对环境和气候都有益。斯特拉诺说:“这碳材料可以像树一样生长,从二氧化碳中吸收碳,并将其固化到材料中”。 研究小组在这些最初的验证实验中确实使用过了一种生物成分 - 叶绿体,即植物细胞内进行光合作用的工厂,研究人员从菠菜叶中获得叶绿体,剥离后叶绿体并不能存活,而是催化二氧化碳与葡萄糖的反应,剥离的叶绿体非常不稳定,所以它们在从植物中移出几小时后就会死亡。 在论文中,斯特拉诺和他的同事介绍了提高叶绿体催化寿命的提取方法。 Strano解释说,在目前以及未来的工作中,叶绿体正在被非生物催化剂取代。 研究人员使用的材料是由氨基丙烯酰胺(APMA)、葡萄糖(一种葡萄糖氧化酶的酶)和叶绿体组成的凝胶基质,加入碳时变得更坚硬。 研究人员说,虽然它能起到裂缝填充或涂层材料的作用,但强度还不足以用作建筑材料。 该团队已经制定了制备此类材料的方法,目前正在研究如何优化材料的性能。他们说,短期内可以实现自修复涂层和裂缝填充等商业应用,但如果要应用到建筑材料和高强度复合材料,还需要在材料骨架化学和材料科学方面取得进一步发展。 斯特拉诺说,这种材料最关键优势是,它们可以在阳光下或室内照明时进行自我修复。如果表面被刮伤或破裂,受影响的区域会长大然后填补间隙,达到修复损坏的目的而无需任何外部操作。 研究人员表示,虽然人们已经在大力研发能模仿生物有机体自我修复的自我修复材料,但这些材料都需要额外施加激活能才能发挥作用,如用加热,紫外线,机械应力或化学处理来激活该过程。相比之下,新研发的材料除了需要环境光和无处不在的碳之外,其他什么也不需要就能自我修复,而且结合了大气中的碳的质量。 Kwak说:“这种材料最初是一种液体,然后开始生长并聚集成一个坚实的形状。” 斯特拉诺说:“材料科学领域从未产生过这样的东西,这些材料虽然没有复制出生物一样的功能,但可以模仿生物的某些功能。” 由于这一发现为后续研究开辟了新道路,为了以进一步发展它,美国能源部正在赞助由斯特拉诺指导的新计划。 斯特拉诺说:“我们的工作表明,二氧化碳不一定纯粹是人类的负担和废弃品,它可以是一种资源,到处都是碳,世界的组成缺少不了碳,人类也是由碳组成的,充分利用我们周围丰富的碳是材料科学重要的机会。我们不仅要达到碳中和,也要创造碳负性。”
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    • 来源专题:可再生能源
    • 编译者:pengh
    • 发布时间:2017-10-13
    • 材料加工中心(MPC)和材料科学与工程中心(CMSE)共同服务了150多名麻省理工学院的工程和科学研究人员,今天宣布他们的合并是麻省理工学院材料研究实验室。 麻省理工学院材料研究实验室(MRL)包括能源转换和储存的研究;量子材料;自旋电子学;光子学;金属;集成微系统;材料的可持续性;固态离子;复杂氧化物电子性质;biogels;和功能性纤维。“这些都是跨学科的话题,材料在其中扮演着关键的角色,”MRL主管卡尔v汤普森说,他是麻省理工学院材料科学与工程学院的斯塔夫罗斯萨拉帕塔斯教授。“我们的重点是科学发现,以及如何设计和制造能够改善性能的系统,或者使新方法能够解决现有的问题。” 该伙伴关系加入了材料加工中心广泛的材料研究领域,由工业、基金会和政府机构资助;材料科学与工程的基础科学、教育推广和共享实验设施,这些都是由美国国家科学基金会材料研究科学与工程中心(MRSEC)项目资助的。在截至6月30日的财政年度,联合研究的总规模为2150万美元。 “这两个成功的中心的合并将简化校园材料研究的组织,以提高有效合作的能力,”麻省理工学院的研究副总裁Maria Zuber说,他是地球物理教授。新中心将向Zuber汇报。 材料科学与工程专业副教授杰弗里。d.d.海滩已经被任命为MRL和首席研究员的副主任,接替TDK的高分子材料科学和工程教授Michael f.Rubner,他将在担任了16年的CMSE主任之后退休。 外部顾问委员会,其成员来自工业界、政府和学术界,以及由麻省理工学院教员组成的内部顾问委员会,将指导MRL。“材料研究实验室的形成是非常令人兴奋的,”MRL外部咨询委员会主席、桑迪亚国家实验室的执行官茱莉亚m菲利普斯说。“货币政策委员会和CMSE已经成为麻省理工学院杰出材料社区多年的支柱。将它们结合在一起将使它们达到下一个层次的协作,将杰出的研究与重要的工具和能力相结合,从而为MIT提供关键的连接。在麻省理工学院和它的工业合作伙伴和学术合作者之间,纳米技术的普及和增强的接口。” 麻省理工学院的MRL将与麻省理工学院合作。位于麻省理工学院校园中心的纳诺,将于2018年6月开放。汤普森说:“我们期待与他们合作,不仅是作为一个重要的合作伙伴,而且是一个好邻居。” 开创性的研究 MRL将受益于1998年的“完美镜像”技术在CMSE和MPC的长期研究突破,从而带来了一种新型的光纤手术和一个自旋的公司;OmniGuide手术;第一个锗激光是在2012年室温下运行的。汤普森说:“他们的本质是很难预测的,但我们能做的是创造一个环境,使研究取得突破性进展。”“在MPC和CMSE中,成功的模式是把对材料感兴趣的人聚集在一起,但有着不同的学科背景。我们单独做了,我们一起做,期望是我们会更有效地做这件事。” MRL支持麻省理工学院在美国三家制造业创新研究所的校园工作,第四种可能是在材料可持续性领域。目前的计划包括明天的轻量创新,美国制造集成光子学研究所,以及美国先进的功能纤维,以及基于氧化物的燃料电池材料和高效太阳能电池。?????? 年度材料日研讨会和海报会议将于10月11日星期三上午8点至下午6点举行。在Kresge礼堂(建筑W16)和斯特拉顿学生中心(建筑W20)。主题将是“材料研究领域的前沿”。除了麻省理工学院的教师研究报告外,还将有一个小组讨论,主要是麻省理工学院材料研究社区的高级领导人。海报会议包括来自多个领域的学生和博士后,他们在材料相关的研究上进行合作。 混合新旧 尽管凝聚态的物理学家们正在研究诸如磁性和光学驱动的拓扑半金属等二维材料的奇异状态的最新研究,但在冶金领域的研究也正在复兴。冶金学是材料科学的历史基础。例如,材料科学和工程主管Christopher A.Schuh开发了纳米结构的金属合金,以及约翰f.艾特利特的材料化学教授唐纳德r萨德威,开创了一种新型的金属电池,用于网格级的能量存储。“多年来,MPC工作人员的出色支持使我能够从我的资金中得到最多的支持。”对我来说,CMSE对其卓越的中央用户设施至关重要,”Sadoway说。“这两家公司的合并代表了麻省理工学院材料研究人员的一次重大整合。我期待着接下来会发生什么。” 跨学科的研究小组,将不同学科的教员集合在一起,是MRSEC的一个关键特征。每一组的核心都是一组基本的假设,旨在解决关键的科学问题,关于材料科学的一个重要的新兴领域。过去的项目主要集中在量子点、电池材料、功能纤维、集成的硅光子学以及许多其他的主题上。通过美国超导公司、OmniGuide外科手术、QD Vision和lu减号设备,由美国超导公司资助的研究产生了大约1100个新工作岗位。 Rubner说:“我们最大的遗产是将人们聚集在一起,创造出新的科学,然后让这些研究人员以可能对社会有益的方式来探索新的科学,以及开发新技术和发射公司。” 新的MRL副主任海滩的研究探索了复杂的纳米尺度结构,在这种结构中,不同材料——金属和氧化物——之间的相互作用,在自然材料中没有发现,这是新设备的基础,比如更快的磁存储器。“对于麻省理工学院的材料研究来说,这是一个激动人心的时刻。我对MRL将给我们的社区带来的机遇感到兴奋。”“通过提供一个协调的基础设施来支持基本的研究、教育、外展和工业活动,这一新的MRL将远远超过其各部分的总和。CMSE已经证明了它有能力使不同的研究团队在该领域的前沿开拓新的方向。我预计,MRL将进一步增强麻省理工学院这种协调工作的范围和影响。” 麻省理工学院材料研究实验室与七名成员组成的工业大学合作,由希望与麻省理工学院研究人员在创新材料加工研究和开发项目上更紧密合作的公司组成。汤普森说:“通过加入MPC和CMSE,我们将拥有一个更广泛的社区,我们还将拥有更广泛的研究课题,以吸引行业并形成新的合作伙伴关系。 ——文章发布于2017年10月10日