一、你壓它就扭“奇葩”超材料

來源： X一MOL資訊

超材料（Metamaterial），指具有天然材料或常規(guī)材料所不具備的超常性質(zhì)的人工合成材料。簡單點(diǎn)說，超材料往往具有“不按常理出牌”的性能。迄今，科學(xué)家們開發(fā)出的超材料有很多。

近日，Science 以封面文章的形式報(bào)道了一種新的超材料，這種超材料在外力壓縮下會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。

當(dāng)期雜志封面。圖片來源：Science

這聽起來完全不符合有著超過300年歷史的力學(xué)彈性理論基本定律——胡克定律（Hooke's law），即，在材料的彈性范圍內(nèi)，“固體材料受到的力和形變成正比”?？蒲腥藛T通過大量的計(jì)算和優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種特殊的單元結(jié)構(gòu)，這種具有手性的單元結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下展現(xiàn)出不對(duì)稱的形變——并沒有像常規(guī)材料那樣發(fā)生橫向形變，而是發(fā)生了扭轉(zhuǎn)。

超材料受壓后扭轉(zhuǎn)。圖片來源：Science

在經(jīng)典力學(xué)中，由于自由度的約束，形變對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)也受到限制。比如彈簧，正常的壓縮不會(huì)造成固體材料的扭曲。然而，通過設(shè)計(jì)手性的結(jié)構(gòu)單元，非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以在外力作用下產(chǎn)生扭曲的效果，每個(gè)軸向的扭曲度高達(dá)2°/%。將這類結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行堆疊之后，研究者驚奇的發(fā)現(xiàn)，形成的宏觀材料仍然展現(xiàn)出了受力旋轉(zhuǎn)的特性。

研究者設(shè)計(jì)了多種不同的結(jié)構(gòu)單元，并嘗試計(jì)算機(jī)模擬它們的受力旋轉(zhuǎn)的角度。然而和最終獲選的結(jié)構(gòu)單元相比，其余結(jié)構(gòu)單元的制作要求更高。特別是，他們?cè)?D激光微打印過程中包含更多的懸垂結(jié)構(gòu)，不利于宏觀材料的制備。

隨后，研究者嘗試了不同重復(fù)單元對(duì)材料的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算模擬結(jié)果基本保持一致。盡管由于固定材料尺寸的增加，超材料剛度的增加，當(dāng)重復(fù)單元從4個(gè)增加到500個(gè)后，整體材料的旋轉(zhuǎn)量減少了一半，但仍然具有旋轉(zhuǎn)的特性。相比之下，具有非手性結(jié)構(gòu)單元的材料無論如何積壓，旋轉(zhuǎn)始終嚴(yán)格是0。

二、隧道防水板新材料

來源：萊蕪市金達(dá)土工材料有限公司

為了避免危險(xiǎn)，當(dāng)前隧道工程最大的病害即是滲漏水。整治滲漏，既艱難費(fèi)用又高。因此金達(dá)從規(guī)劃時(shí)就致使注重精心規(guī)劃，精心施工。

隧道開挖過程將對(duì)圍巖形成擾動(dòng)，致使圍巖變形，裂隙發(fā)生拓展、導(dǎo)通，致使巖石中地下水下滲進(jìn)入隧道，改變地下水流場，地下水位降低，而地下水位的降低則能夠致使原有地下水分泌點(diǎn)如泉水呈現(xiàn)流量減小乃至斷流，然后引發(fā)新的環(huán)境、生態(tài)疑問，并致使膠葛。因而，隧道防水板材料的防滲堵漏不僅是隧道自身的需求，也是生態(tài)維護(hù)和水資源維護(hù)的要求。

防水板材料由于原料不同分為很多類，但是應(yīng)用的隧道上推薦EVA防水板材料。EVA是乙烯-乙酸乙烯（醋酸乙烯）酯共聚物，它是由乙烯（E）和乙酸乙烯（VA）共聚而制得，英文名稱為：Ethylene Vinyl Acetate，簡稱為EVA。與聚乙烯相比，EVA由于在分子鏈中引入了乙酸乙烯單體，從而降低了結(jié)晶度，提高了柔韌性、抗沖擊性、填料相溶性和熱密封性能。

材料防水板一般寬幅4-6m，重量為200—1500g/平方米，抗拉、抗撕裂、頂破等物理力學(xué)性能指標(biāo)高，產(chǎn)品具有強(qiáng)度高、延伸性能較好、變形模量大、耐酸堿、抗腐蝕、耐老化、防滲性能好等特點(diǎn)。所以能在隧道防水工程上脫穎而出。

三、超雙親聚氨酯海綿

來源：中科院金屬研究所

超雙親材料表面同時(shí)具有超親水和超親油的性能，是一種特殊的材料表面性質(zhì)。近期，研究人員利用納米纖維素和石墨烯的協(xié)同作用，通過浸涂法獲得超雙親聚氨酯海綿。該超雙親海綿對(duì)水和油類的接觸角為0o，能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速吸附水和油。該項(xiàng)成果為制備具有特殊浸潤性能的多孔彈性材料及其復(fù)合材料提供了新思路，在催化劑載體和智能高分子復(fù)合材料領(lǐng)域有望獲得應(yīng)用。

近幾年來，研究人員致力于納米纖維素與石墨烯相互作用的研究工作。通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了納米纖維素與二維石墨烯片層有較強(qiáng)的吸附作用，該吸附作用與纖維素分子結(jié)構(gòu)、納米纖維素晶須尺寸及其表面性質(zhì)密切相關(guān)。納米纖維素與二維石墨烯片層間的較強(qiáng)吸附作用改善了石墨烯的親水性，可以有效地促進(jìn)石墨烯在水中的均勻分散。

圖一 超疏水聚氨酯海綿的表面形貌(a)以及不同工藝參數(shù)得到聚氨酯海綿接觸角(b)

石墨烯基多孔材料一般可以通過化學(xué)氣相沉積、電化學(xué)沉積以及冷凍干燥等方法獲得。研究人員以聚氨酯海綿為模板，將其分別浸入含微量納米纖維素的石墨烯以及純石墨烯水性分散液，制備出超疏水聚氨酯海綿。該海綿對(duì)各類油品具有良好的吸附能力，在油水分離領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

在上述工作基礎(chǔ)上，通過改變工藝，將聚氨酯海綿依次涂覆納米纖維素和石墨烯，通過調(diào)整納米纖維素的量，可以獲得不同表面浸潤特性（疏水-超雙親-疏水）的聚氨酯海綿。研究表明，納米纖維素晶須與石墨烯的協(xié)同作用構(gòu)建了聚氨酯海綿特殊的超雙親表面性質(zhì)。這是國際上首次報(bào)道通過浸涂法直接獲得超雙親聚氨酯海綿材料。

圖二 超雙親聚氨酯海綿接觸角隨納米纖維素濃度變化(a)、三維形貌(b)以及對(duì)水(c)和油(d)的吸附效果

四、新型碳納米管/Cu2Se有機(jī)-無機(jī)雜化熱電材料

來源：X一MOL資訊

熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)利用半導(dǎo)體材料的塞貝克（Seebeck）效應(yīng)和帕爾貼（Peltier）效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了熱能與電能的直接相互轉(zhuǎn)化，具有系統(tǒng)體積小、可靠性高、不排放污染物質(zhì)、有效利用低密度熱量等特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。近年來，以skutterudite、half-Heusler、類液態(tài)材料等為代表的單相熱電材料的研究均取得了很大進(jìn)展，但受制于自身晶體結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)，單相熱電材料的性能幾乎均已接近甚至達(dá)到其理論極大值。

雜化材料（hybrid material）是兩種不同物相通過分子或納米尺度均勻混合構(gòu)成的復(fù)合材料。一般情況下，雜化材料的一種物相為無機(jī)材料，另一種物相則為有機(jī)材料。傳統(tǒng)復(fù)合材料兩相的尺寸在微米至毫米甚至更大尺度之間，因而物理性能往往表現(xiàn)為簡單的兩相“復(fù)合法則”。由于雜化材料的兩種物相在分子或納米尺度之間均勻混合，因而表現(xiàn)出一些不同于兩相基體的新物理特性。目前，雜化材料在涂層、生物醫(yī)學(xué)、建筑、能源等領(lǐng)域都得到極其廣泛的研究，在熱電材料研究領(lǐng)域也有所嘗試。然而，如何實(shí)現(xiàn)第二相的均勻分散，獲得分子/納米尺度的兩相界面及其帶來的新效應(yīng)成為雜化熱電材料研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

最近，研究人員利用金屬Cu原子與多壁碳納米管之間的化學(xué)作用和高能球磨技術(shù)成功制備了碳納米管沿硒化亞銅（Cu2Se）化合物晶界單根均勻分散的雜化熱電材料，將熱電優(yōu)值大幅度提高至2.4。該無機(jī)-有機(jī)雜化熱電材料完全不同于在毫米至微米尺度混合的傳統(tǒng)復(fù)合熱電材料，表現(xiàn)出一系列有別于Cu2Se和碳納米管的新物理性質(zhì)，豐富和拓寬了熱電材料的設(shè)計(jì)理念。

碳納米管表面存在自由π電子，因而具有很高的化學(xué)活性。第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬Cu原子與碳納米管表面接近時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的化學(xué)作用。當(dāng)Cu原子距離碳納米管表面六元環(huán)中心位置為1.83埃時(shí)，形成的化學(xué)鍵鍵能為0.24 eV，這使得在利用高能球磨技術(shù)將碳納米管、單質(zhì)Cu粉和單質(zhì)Se粉混合時(shí)，一部分Cu原子可以化學(xué)吸附于碳納米管表面，進(jìn)而與Se原子反應(yīng)，在碳納米管表面原位生成Cu2Se納米晶，最終獲得碳納米管在Cu2Se基體中單根均勻分散的Cu2Se/碳納米管無機(jī)-有機(jī)雜化材料。

圖1.（a）Cu原子在碳納米管表面形成的化學(xué)鍵；（b）Cu2Se/碳納米管無機(jī)-有機(jī)雜化材料的熱電優(yōu)值及（c）制備過程。

五、強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)新材料