未来有望翻10倍的7大新材料：这五种横空出世的新材料

新型材料的诞生，让我们的生活发生了改变。今天小编再给你安利一波最新研究出来的新材料，他们改变世界的能力，超出你的想象。

超材料（Metamaterial），指具有天然材料或常规材料所不具备的超常性质的人工合成材料。简单点说，超材料往往具有“不按常理出牌”的性能。迄今，科学家们开发出的超材料有很多。

近日，Science 以封面文章的形式报道了一种新的超材料，这种超材料在外力压缩下会产生扭转。

当期杂志封面。图片来源：Science

这听起来完全不符合有着超过300年历史的力学弹性理论基本定律——胡克定律（Hooke's law），即，在材料的弹性范围内，“固体材料受到的力和形变成正比”。科研人员通过大量的计算和优化，设计了一种特殊的单元结构，这种具有手性的单元结构在应力作用下展现出不对称的形变——并没有像常规材料那样发生横向形变，而是发生了扭转。

超材料受压后扭转。图片来源：Science

在经典力学中，由于自由度的约束，形变对应力的响应也受到限制。比如弹簧，正常的压缩不会造成固体材料的扭曲。然而，通过设计手性的结构单元，非中心对称结构可以在外力作用下产生扭曲的效果，每个轴向的扭曲度高达2°/%。将这类结构单元进行堆叠之后，研究者惊奇的发现，形成的宏观材料仍然展现出了受力旋转的特性。

研究者设计了多种不同的结构单元，并尝试计算机模拟它们的受力旋转的角度。然而和最终获选的结构单元相比，其余结构单元的制作要求更高。特别是，他们在3D激光微打印过程中包含更多的悬垂结构，不利于宏观材料的制备。

随后，研究者尝试了不同重复单元对材料的影响，实验结果与计算模拟结果基本保持一致。尽管由于固定材料尺寸的增加，超材料刚度的增加，当重复单元从4个增加到500个后，整体材料的旋转量减少了一半，但仍然具有旋转的特性。相比之下，具有非手性结构单元的材料无论如何积压，旋转始终严格是0。

为了避免危险，当前隧道工程最大的病害即是渗漏水。整治渗漏，既艰难费用又高。因此金达从规划时就致使注重精心规划，精心施工。

隧道开挖过程将对围岩形成扰动，致使围岩变形，裂隙发生拓展、导通，致使岩石中地下水下渗进入隧道，改变地下水流场，地下水位降低，而地下水位的降低则能够致使原有地下水分泌点如泉水呈现流量减小乃至断流，然后引发新的环境、生态疑问，并致使胶葛。因而，隧道防水板材料的防渗堵漏不仅是隧道自身的需求，也是生态维护和水资源维护的要求。

防水板材料由于原料不同分为很多类，但是应用的隧道上推荐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，英文名称为：Ethylene Vinyl Acetate，简称为EVA。与聚乙烯相比，EVA由于在分子链中引入了乙酸乙烯单体，从而降低了结晶度，提高了柔韧性、抗冲击性、填料相溶性和热密封性能。

材料防水板一般宽幅4-6m，重量为200—1500g/平方米，抗拉、抗撕裂、顶破等物理力学性能指标高，产品具有强度高、延伸性能较好、变形模量大、耐酸碱、抗腐蚀、耐老化、防渗性能好等特点。所以能在隧道防水工程上脱颖而出。

超双亲材料表面同时具有超亲水和超亲油的性能，是一种特殊的材料表面性质。近期，研究人员利用纳米纤维素和石墨烯的协同作用，通过浸涂法获得超双亲聚氨酯海绵。该超双亲海绵对水和油类的接触角为0o，能够在短时间内迅速吸附水和油。该项成果为制备具有特殊浸润性能的多孔弹性材料及其复合材料提供了新思路，在催化剂载体和智能高分子复合材料领域有望获得应用。

近几年来，研究人员致力于纳米纤维素与石墨烯相互作用的研究工作。通过实验证实了纳米纤维素与二维石墨烯片层有较强的吸附作用，该吸附作用与纤维素分子结构、纳米纤维素晶须尺寸及其表面性质密切相关。纳米纤维素与二维石墨烯片层间的较强吸附作用改善了石墨烯的亲水性，可以有效地促进石墨烯在水中的均匀分散。

图一 超疏水聚氨酯海绵的表面形貌(a)以及不同工艺参数得到聚氨酯海绵接触角(b)

石墨烯基多孔材料一般可以通过化学气相沉积、电化学沉积以及冷冻干燥等方法获得。研究人员以聚氨酯海绵为模板，将其分别浸入含微量纳米纤维素的石墨烯以及纯石墨烯水性分散液，制备出超疏水聚氨酯海绵。该海绵对各类油品具有良好的吸附能力，在油水分离领域有良好的应用前景。

在上述工作基础上，通过改变工艺，将聚氨酯海绵依次涂覆纳米纤维素和石墨烯，通过调整纳米纤维素的量，可以获得不同表面浸润特性（疏水-超双亲-疏水）的聚氨酯海绵。研究表明，纳米纤维素晶须与石墨烯的协同作用构建了聚氨酯海绵特殊的超双亲表面性质。这是国际上首次报道通过浸涂法直接获得超双亲聚氨酯海绵材料。

图二 超双亲聚氨酯海绵接触角随纳米纤维素浓度变化(a)、三维形貌(b)以及对水(c)和油(d)的吸

热电转换技术利用半导体材料的塞贝克（Seebeck）效应和帕尔贴（Peltier）效应实现了热能与电能的直接相互转化，具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物质、有效利用低密度热量等特点，在很多领域具有广泛的应用。近年来，以skutterudite、half-Heusler、类液态材料等为代表的单相热电材料的研究均取得了很大进展，但受制于自身晶体结构和电子能带结构，单相热电材料的性能几乎均已接近甚至达到其理论极大值。

杂化材料（hybrid material）是两种不同物相通过分子或纳米尺度均匀混合构成的复合材料。一般情况下，杂化材料的一种物相为无机材料，另一种物相则为有机材料。传统复合材料两相的尺寸在微米至毫米甚至更大尺度之间，因而物理性能往往表现为简单的两相“复合法则”。由于杂化材料的两种物相在分子或纳米尺度之间均匀混合，因而表现出一些不同于两相基体的新物理特性。目前，杂化材料在涂层、生物医学、建筑、能源等领域都得到极其广泛的研究，在热电材料研究领域也有所尝试。然而，如何实现第二相的均匀分散，获得分子/纳米尺度的两相界面及其带来的新效应成为杂化热电材料研究的难点和重点。

最近，研究人员利用金属Cu原子与多壁碳纳米管之间的化学作用和高能球磨技术成功制备了碳纳米管沿硒化亚铜（Cu2Se）化合物晶界单根均匀分散的杂化热电材料，将热电优值大幅度提高至2.4。该无机-有机杂化热电材料完全不同于在毫米至微米尺度混合的传统复合热电材料，表现出一系列有别于Cu2Se和碳纳米管的新物理性质，丰富和拓宽了热电材料的设计理念。

碳纳米管表面存在自由π电子，因而具有很高的化学活性。第一性原理计算发现，当金属Cu原子与碳纳米管表面接近时会产生很强的化学作用。当Cu原子距离碳纳米管表面六元环中心位置为1.83埃时，形成的化学键键能为0.24 eV，这使得在利用高能球磨技术将碳纳米管、单质Cu粉和单质Se粉混合时，一部分Cu原子可以化学吸附于碳纳米管表面，进而与Se原子反应，在碳纳米管表面原位生成Cu2Se纳米晶，最终获得碳纳米管在Cu2Se基体中单根均匀分散的Cu2Se/碳纳米管无机-有机杂化材料。

图1.（a）Cu原子在碳纳米管表面形成的化学键；（b）Cu2Se/碳纳米管无机-有机杂化材料的热电优

磁性和电性是材料的两种基本功能属性。如何将电、磁两性“集成”到同一体系中，并实现磁场与电场对两种属性的调控，是未来先进多功能电子器件的重要研究方向。

研究人员通过自主研制的独特高压高温实验装置，在世界上首次合成了同时具备大电极化和强磁电耦合效应的新型单相多铁性材料BiMn3Cr4O12。这为开发下一代信息存储器、可调微波信号处理器、超灵敏磁电传感器、磁电换能器等带来了潜在利好。

日常广泛使用的半导体与磁记录/存储器件，通常只能“单独”利用材料的电学或磁学性质。要让材料同时具备磁电两性，理论上可通过合成磁电多铁性材料实现。不过，现有单相多铁性材料，无法兼备大的电极化和强磁电耦合效应，从而大大阻碍了其潜在应用。

以往此类材料的制备，通常在常压条件下进行。此次，科研团队突破常规限制，利用自行搭建的独特高压高温实验装置，在高达8万大气压的超常规实验条件下，首次成功制备出新型多铁性材料BiMn3Cr4O12。

在该体系中，三价铋离子的引入，在较高温度下诱导出了具备大电极化的铁电相变。随着温度降低，三价铬、锰磁性离子先后形成了长程磁有序结构，分别诱导出第一类和第二类多铁相。这两类多铁相的罕见共存，让材料兼具了大电极化和强磁电耦合效应。同时，该新材料还可单独调控两个铁电相，实现四重铁电极化态的转换，为多态存储提供可能。