一  新型功能材料之生物医用材料

生物医用材料发展迅速，据有关数据，2020年全球市场将超5000亿美元，从2010年起，年均增长率达15%。

未来5 年全球生物医用材料市场

（中国产业信息网http://www.chyxx.com/research/201609/446773.html）

2016年全球生物医用材料技术取得重要进展，例如：

1. 完全降解吸收的心血管支架投放市场

2016年7月，美国雅培公司（Abbott）生产的Absorb GT1全吸收式生物血管支架系统（BVS）获得美国食品药品监督管理局（FDA, Food and Drug Administration）的上市批准，用于冠状动脉疾病的介入治疗。该产品是全世界首个能完全降解吸收的心血管支架产品，也是全世界第一个非金属基的心血管支架，目前已经在包括美国在内的100多个国家上市销售。该技术被称为人类冠状动脉介入史上的第四次里程碑，对冠状动脉疾病的治疗具有划时代的意义。心血管支架自1986年首次置入人体以来，一直都局限于永久性金属材料。BVS不同于金属支架，由可降解医用高分子材料构成，主要成分是聚乳酸，植入人体两三年内逐渐被人体吸收直至完全消失，避免了金属支架引起的血管再狭窄、晚期血栓等问题。更重要的是，患者无需终身服药。生物可降解支架代表着心血管介入治疗当前最前沿技术水平。除可降解聚合物支架外，德国Biotronik公司研发的镁合金全降解支架DERAMS在2016年获得欧盟CE认证。雅培Absorb BVS在2011年获得该认证。

2. 瘫痪病人可望恢复功能

2016年11月，瑞士科研人员开发了一款名为“脑脊接口”的神经假体界面，帮助脊髓损伤的猴子重建大脑和脊髓之间的连接，重新获得了对腿部肌肉的神经控制，让腿部瘫痪的猴子能够重新站立行走。这是人类首次通过神经科技恢复脊髓损伤的灵长类动物的运动功能。相关工作发表在第539期Nature期刊上。科研人员在猴子控制腿部运动的大脑皮层区域植入微电极阵列检测大脑皮质神经元脉冲活动，并将相关神经信号解码并无线传输到一个植入式脉冲生成器。该装置将接收到的刺激信号传输给与之相连的脊髓植入物（植入受损脊髓下部腰椎脊髓硬膜外，由16个电极系统组成），脊髓植入物激活瘫痪腿部的肌肉运动。这样，这只猴子便重新获得了行走的能力。简言之，这个脑脊界面系统解码大脑信号，重建了脑和脊髓回路之间的“信号传输通路”，让神经信号得以跨过受损脊髓成功传输，让原本因为脊髓损伤而丧失的支配腿部运动功能的神经恢复了功能。

3. 生物3D打印技术可制备大尺寸且结构稳定的人体“活”组织

2016年2月，生物3D打印器官获得新突破。美国维克森林大学科学家开发了一款“集成型组织-器官打印机”。这项技术突破了传统生物3D打印机打印尺寸和强度的局限，可以打印大尺寸且结构稳定的“活”组织。科学家目前已成功打印出耳朵、下颌骨、颅骨和肌肉组织，距离打印出真正的人体组织乃至器官又迈进了一大步。科学家通过多头交替打印方式，先打印了一种可降解医用高分子，作为整个组织的结构骨架，提供足够的强度支撑；然后将含细胞的复合水凝胶打印到结构骨架上；为了防止打印的不规则组织在打印过程中发生坍塌，同时打印另一种水凝胶对打印的组织进行力学加固，而这种水凝胶在打印后很容易去除，留下完整的打印组织。此外，打印过程中，每一层都设计了“微通道”结构，与外界相连，为打印的内部组织提供充分的营养和氧气，保证细胞的存活。相关工作发表在第34期Nature Biotechnology期刊上。

4. 新型的全细胞肿瘤疫苗既可治疗原发性肿瘤，又能防止肿瘤复发

2016年10月，中国苏州大学功能纳米与软物质研究院刘庄团队设计并开发出了一种新型的全细胞肿瘤疫苗。它不仅可对原发性肿瘤进行针对性的攻击，还可有效杀灭扩散的肿瘤细胞，并可产生免疫记忆效应，以防止肿瘤复发。相关工作发表在第7期的Nature Communication期刊上。这种新型的肿瘤疫苗是一种刺激响应型的纳米颗粒。该纳米颗粒包含三种组分，均是被美国FDA批准的生物制剂。基质成分是可降解的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA），用来包被另两种小分子化合物。一种是近红外染料吲哚菁绿（ICG），在近红外光的刺激激发下产生光热效应；另一种是免疫佐剂咪喹莫特（R837），一种TLR7受体的小分子激动剂，激活免疫反应。因此，这种PLGA-ICG-R837纳米颗粒被施用于肿瘤所在部位时，可通过近红外光的激发产生光热效应，将肿瘤裂解，同时释放出的多种肿瘤相关抗原，在R837的作用下激起特异性的抗肿瘤免疫应答反应，并可在免疫检验点抑制剂的作用下被进一步加强。该疗法已在小鼠实验中取得了良好疗效，可有效杀灭已扩散的肿瘤细胞，且小鼠的免疫系统可对肿瘤产生的记忆性。这种纳米颗粒集成了光热疗法、免疫佐剂、肿瘤疫苗、免疫检验点抑制剂，从而提供了一套全新的癌症综合治疗策略。此外，由于所用的临床试剂均已被美国FDA批准使用，这一联合疗法具有相当强的临床转发医学潜力。

5. 神奇的仿生矿化材料制备方法

2016年8月，中国科学技术大学科学家通过模拟天然贝壳珍珠层的生长方式和控制过程，提出一种新的介观尺度的“组装与矿化”方法，成功制备出毫米级厚度的仿生珍珠层材料。该成果发表在第354期Science期刊上。科学家们为了模拟贝壳珍珠层的多层“砖泥”结构，通过冷冻诱导的组装过程构建了多层壳聚糖框架，再通过乙酰化将壳聚糖转化为稳定的β-几丁质，作为生物矿化有机模板。随后，通过蠕动泵向该有机模板内不断泵入碳酸氢钙溶液进行矿化。矿化后的材料经过丝素蛋白溶液浸润和热压处理后即得到仿生珍珠层。这种仿生策略制备的人工珍珠层材料，在化学组成和多级有序结构上与天然珍珠层高度相似，同时展现出优异的强度和韧性，力学性能与天然珍珠层相比也毫不孙色。这种仿生制备方法操作简单，易于控制，为“未来结构材料”的仿生设计和制备指明了一条新道路。

二  新型功能材料之新一代信息技术材料

2016年，随着信息载体从电子向光电子和光子的转换步伐的加快，信息功能材料与器件正向材料、器件、电路一体化的功能系统集成芯片材料和纳米结构材料方向发展。光通信、光传感、光存储和光转换技术是发展的重点方向。微型化仍然是信息技术的主要发展趋势，描述微电子技术发展的摩尔定律也扩展为“延续摩尔定律”和“超越摩尔定律”两条发展途径。微电子技术的发展体现在降低单位功能成本的系统级芯片（SoC）和功能多样化、集成化（如射频电路、光电器件、无源器件、高压器件、大功率电路、生物芯片和传感器及其功能集成等）。低功耗、低成本、高性能和高可靠性是未来光电子器件必需具备的基本要求，光电子集成是光电子技术发展的必由之路，微纳结构光电子器件是下一代新型光电子器件发展的主攻方向。2016年全球信息技术材料方面取得的重要进展主要有：

1. 科学家研制出单原子存储芯片

2016年7月，荷兰研究人员使用扫描式隧道显微镜（STM）实现了原子尺度的数据储存，并按这个标准存储了1000字节（8000比特）的信息，把存储空间缩小到了极限。相关工作发表在第11卷Nature Nanotechnology期刊上。1960年美国物理学家Richard Feynman曾预测纳米技术时代的到来，并提出如果有一个平台能让人们把单个原子有序排列的话，用每个原子存储一段信息是可能的。该研究团队在沉积有氯原子的金属铜上用STM的针尖推动材料表面单个原子，把氯空穴的位置信息制作成比特编码字母信息，进而实现原子尺度的信息存储。在该结构中，每个比特编码由两个铜原子和一个氯原子构成。氯原子在两个铜原子之间来回滑动，如果氯原子在顶位，底位留一个空穴，比特编码记为1，相反氯原子在底位，顶位为空穴，比特编码信息则记为0。利用该方法存储信息，相关原子无需从材料表面剥离，只需简单的从一个位置移动到其他位置，所需能耗将显著降低。新研究的存储密度高达500Tbpsi（兆兆比特/平方英寸），是目前世界上最好硬盘技术的500倍，该技术可能会极大地推动计算机尤其是数据存储器的发展。

2. 研究人员开发出全球最小晶体管

2016年10月，美国劳伦斯伯克利国家实验室的科学家利用碳纳米管和二硫化钼开发出了栅极只有1纳米、全球最小的晶体管，相关研究成果已发表在第354卷Science期刊上。长期以来，栅极长度衡量晶体管性能的重要指标之一，一般认为小于5纳米的栅极难以正常工作。该研究团队放弃基于硅材料来缩小器件尺寸的传统思路，选择二维半导体材料二硫化钼。相对于二硫化钼，电子在流经硅材料时阻抗更小，当栅极线宽超过5纳米时，这是硅材料的优势。然而对于硅基器件，如果栅极线宽小于5纳米时，将会产生量子隧穿效应，栅极势垒将无法阻止电子从源极流向漏极，导致晶体管无法关闭。由于二硫化钼的阻抗更高，因此在栅极线宽较小的情况下，源漏电流仍可经由栅压控制。二硫化钼材料的厚度还可进一步缩小至原子水平，从而带来更小的介电常数，在栅极线宽缩小至1纳米时，这些特性将有助于优化对晶体管内电流的控制。由于传统光刻技术并不适用于这样小的尺度，研究人员转向了碳纳米管，采用碳纳米管栅极的二硫化钼晶体管能够有效控制电子流动。该成果表明，晶体管的栅极不再被局限至大于5纳米。通过采用新型半导体材料和适当的器件结构，在一段时间内摩尔定律将继续适用。

3. 高灵敏石墨烯-聚合物纳米复合材料传感器

2016年10月，爱尔兰都柏林三一学院和曼彻斯特大学合作将石墨烯材料和聚硅氧烷（俗称橡皮泥）混合，得到了一种导电性非常好的高灵敏传感器。该研究未来可能为医学和其他领域提供新型、廉价的诊断设备，相关实验成果已经发表在第6317期Science期刊上。石墨烯作为最有潜力的新型纳米材料的主要用途之一，就是作为纳米复合材料来提高基质材料本身的电学、力学等性质。高分子聚合物具有粘弹性，其力学性能是粘性和弹性的结合。虽然石墨烯-聚合物纳米复合材料的流变性被广泛研究，但将石墨烯嵌入高粘弹性的聚合物母体中却鲜有报道。研究人员将石墨烯加入到一种轻微交联的有机硅聚合物中，从根本上改变了这种聚合物的电学性质。实验得到的纳米复合材料表现出电阻率随应变的非单调变化等非同寻常的压电特性。注入石墨烯的橡皮泥（“G-putty”）的电阻对极其轻微的变形或冲击非常敏感。即使在最轻微的应变或冲击下，电阻也急剧增加，随着时间的推移，电阻随着G-putty的自愈而逐渐恢复到原始值。实验人员继而将G-putty安装到人类受试者的胸部和颈部，作为电化学传感器用来测量呼吸，脉搏甚至血压，显示出前所未有的灵敏度（应变系数>500），相比普通传感器高数百倍。对身体健康状况进行监测的可穿戴设备如今越来越受关注，而G-putty的高敏感特性将使其在这一领域大有可为，从而为传感器制造开辟一个全新领域。

4. 硅基激光器研究获得重大突破

2016年3月，英国伦敦大学学院研究人员携手来自英国谢菲尔德大学及英国卡迪夫大学的科研团队在硅光电子领域取得突破性进展，相关工作发表在国际顶级学术期刊Nature Photonics。该团队在国际上首次直接在硅衬底上利用分子束外延技术生长III-V族量子点激光器的方法，将高性能III-V族通信波段激光器集成到硅衬底上，实现了可实用高性能硅激光器，打破了硅基光电子领域30多年来没有可实用硅基光源的瓶颈。该硅激光器工作于1310纳米通信波段，其预计使用寿命超过10万个小时。这一突破性进展为未来大规模硅基光电子集成找到了新的方向。

5. 高效稳定的钙钛矿太阳能电池

2016年9月，瑞士洛桑联邦理工学院的科学家获得了高效稳定的钙钛矿太阳电池，相关结果发表在第6309期的Science期刊上。他们将Rb离子嵌入钙钛矿中形成多阳离子（RbCsMAFA，其中Rb含量为5%）的钙钛矿材料，基于该材料的太阳电池其开路电压可达1.24V，电池效率高达21.6%。Rb离子的掺入使钙钛矿稳定地保持了具有光活性的黑色相，在85℃下长达500小时太阳光照射后仍然保持有最初性能的95%，显示出很好的稳定性，为实现其实际应用奠定了基础。平面结构钙钛矿电池具有制备工艺简单、低温制备且与柔性器件制备工艺兼容等优势，是钙钛矿太阳电池未来的发展方向。2016年11月，中国科学院半导体研究所的科研人员在Nature Energy期刊上报道了他们的最新成果。该团队将SnO₂作为电子传输材料，将SnO₂纳米颗粒溶液旋涂于ITO玻璃基底上，制备出具有ITO/SnO₂/(FAPbI₃)_x(MAPbBr₃)_1-x的低温平面结构的钙钛矿太阳能电池，获得的认证效率为19.9±0.6%，这也是目前平面结构钙钛矿电池的最高效率。

三  新型功能材料之节能环保材料

节能环保材料主要包括固态照明材料、新型建筑材料、环境治理材料等。2016年节能环保材料的发展取得的重要进展主要有：

1. 固态照明材料

（1）欧洲成功实现卷对卷生产柔性OLED材料 2016年4月，基于TREASORES项目，瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）专家Nüesch结合来自9家企业、6个研究机构的技术开发出了可以像报纸一样卷对卷式生产的柔性照明箔片。这种柔性电极的三种基质——碳纳米管、金属纤维或银薄片或于今年商业化生产，将大幅度降低OLED生产和使用成本。在Fraunhofer FEP研究所，带有该项目标志的OLED光源卷已经在银薄片上采用卷对卷技术制成。项目进一步的研究成果将着眼于探索新的方法来发展、检测、扩大生产透明屏蔽箔（防止氧气和水蒸气接触到有机电子设备的塑料薄层），这种屏蔽层能够有效延长电子设备的寿命。

（2）吉林大学开发新工艺生产高性能柔性OLED设备 2016年5月，吉林大学研究团队研发出可编程激光屈曲技术，通过在紫外固化的预制Si基体表面利用旋涂技术产生一层厚度约为10μm的光敏聚合物薄膜。该制备方法不仅成本低廉而且效果显著。测试结果显示该方法制备出的柔性OLED设备最大发光效率超越了所有已报道的同类型研究，并且可实现15000次拉伸-压缩循环。

（3）国际OLED产业大会在深召开 2016年6月，“2016中国国际OLED产业大会”在深圳举行。来自美国、韩国、日本和上海、台湾地区的科技专家以及企业家400余人参加了会议，OLED发明人邓青云教授、LG Display常务李廷汉、昆山国显光电副总裁黄秀颀、创维集团董事副总裁孙瑞坤、京东方项目总经理常程、日本画质学会副会长麻仓怜士以及上海大学教授张建华等30多位专家和企业家先后演讲，探讨和分析各自关注领域的技术发展情况。

（4）新型陶瓷基体延长OLED灯寿命 2016年9月，荷兰研发机构霍尔斯特中心和美国超薄陶瓷供应商ENrG公司创造了有史以来第一个以陶瓷为基底的大面积柔性OLED。在20-40微米厚的Thin E-Strate®陶瓷基板上制造的设备，寿命可超过10年的寿命且没有黑点形成。陶瓷载体也容易处理，并能承受在显示背板制造和标准烧结过程中使用的高温，这种方法可以帮助进一步降低柔性OLED生产的复杂性。

2. 新型建筑材料

（1）USGBC最新报告显示中国绿色建筑料5倍级增长 2016年2月，美国绿色建筑委员会（USGBC）发布了《2016年世界绿色建筑趋势智能市场报告》。该报告是道奇数据分析公司（Dodge Data & Analytics）联手特约合作伙伴美国绿色建筑委员会（USGBC）共同编制而成。报告对近70个国家进行调研的数据显示全球绿色建筑继续保持每三年翻一番的增长速度。最新报告显示，中国绿色建筑产业很大程度上受客户需求、环保法规和健康社区的带动，预计到2018年会实现占有率从5%到28%的超过五倍的增长。新的超高层住宅、医院和公立学校被视为中国绿色建筑增长的三个最主要领域。

（2）3D打印技术助力新型绿色建筑 2016年3月末，中国混凝土3D打印行业的领军者盈创科技使用3D打印技术打造了一幢中式庭院；5月，泰国水泥制造商SCG于该国建筑师Pitupong Chaowakul联手建造了东南亚首个3D打印房屋，名为“二十一世纪的洞穴Y-Box 亭”；6月，迪拜首创了世界上首个3D打印办公室，建筑整体使用一种特殊的水泥混合物和一套建筑材料，该材料由阿联酋与美国共同生产。打印整栋建筑仅仅用了17天。较之传统建筑，人力成本节约了近50%，整个3D打印建筑团队只需要一位3D打印专家，7名安装工人和10名电工。除此以外，整栋建筑还兼顾了安全性和环保，据计算整个建造过程建筑垃圾减少了近60%。

（3）新加坡南洋理工研发下一代可弯曲混凝土 2016年8月，来自新加坡南洋理工大学——裕廊集团工业基础设施创新研究中心（NTU-JTC I3C）的研究者发明了一种新的混凝土并命名为ConFlexPave，相比于体积大、在张力作用下易脆性断裂的普通混凝土，ConFlexPave可弯曲，更坚固且寿命更长。这一创新有望使得轻薄型预制混凝土路面板的面世，从而减少道路工程和造路的时间。它的可持续使用寿命更长，所需维护更少。目前该材料已经在南洋理工大学实验室试验成功，并在未来的三年内扩大生产规模，在JTC工业区和NTU校园内合适的位置进行进一步的测试。

3. 环境治理材料

（1）新型3D打印设备可大规模生产纳米粒子 2016年2月，南加州大学的研究人员发明了一种制造纳米粒子的新方法。该方法基于微流体技术，即在极狭小的通道中控制流体的微小液滴的技术。相关通道由3D打印技术合成的微纳米封闭导管平行并排组合而成。这一发明有望改变原先汽车尾气处理催化剂制备过程，使各类新型纳米催化剂实现大规模、自动化生产。

（2）防雾霾利器——更轻，更薄，过滤效果更好的纤维材料 2016年3月，俄罗斯科学院理论与实验生物研究所的研究团队合成出一种可用于保护呼吸器官、分析研究和其他用途的理想材料。它主要由直径小于15纳米的尼龙纤维制得，且具有超轻(10-20mg/m²)，近乎透明（95%的透光度），对空气流动阻力低以及能够拦截极细小颗粒（小于1微米）等特点，在性能上它远超同类材料。该材料可用于净化空气和水，并且有望在生物研究中发挥作用。

（3）利用金属原子的高温移动性来制备热力学稳定的单原子催化剂 2016年7月，美国新墨西哥大学的Abhaya K. Datye研究团队使用高温PtO₂迁移的工艺，成功合成了能够耐受800℃高温的单原子分散Pt/ CeO₂催化材料。该工艺的开发解决了基于单原子的催化剂高温稳定性差的问题，并且可以扩展至各类具有原子级分散和耐高温的催化剂材料的合成，进而可大幅降低用于污染物净化催化剂的原料成本和使用性能。

（4）一种简便、廉价净化水的物质——石墨烯生物泡沫 2016年8月，华盛顿大学的工程师们研发出一种利用太阳能净化水的石墨烯生物泡沫。这种薄膜是由细菌产生的两层纳米纤维构成的生物膜。其中下层含有原始纤维素，上层含有可以吸收太阳能产生热量的氧化石墨烯。这种材料质量轻、成本低，适合大量生产，尽管结构简单，但石墨烯泡沫材料形成一种无需能量和管道的水净化系统。生物泡沫的生产系统也包括其他纳米结构的物质，可以用来杀菌、净化水，保障饮用水的安全。

（5）发现捕碳材料的新雷达——遗传算法 2016年10月，美国John G. Searle化学和生物工程学院教授Snurr发明了一种方法，能够快速找出合适的碳捕获材料，相比之前的方法节省99%的工作量。这种方法主要利用遗传算法，能够快速搜索55000个MOF材料数据库。目前，他们精确定位NOTT-101为最佳材料方案。在可以用于预燃烧过程的所有MOF材料中，该材料表现出最佳的碳吸附性能，以及将CO₂从氢气中分离出来的良好功能。该发现有望为缓解全球温室效应提供一条捷径。

四  前沿新材料之纳米材料

1. 单原子级别的催化剂材料及催化机理研究不断突破

2016年5月13日第352卷Science杂志报道了厦门大学郑南峰团队在此领域的研究突破。此团队利用光化学法在室温条件下制备出Pd负载量高达1.5%的稳定的原子级分散Pd1/TiO2催化剂。该催化剂催化氢化苯乙烯的TOF是商业Pd/C催化剂的9倍。该单原子Pd1/TiO2催化剂催化氢化苯甲醛具有超高活性，其TOF是商业Pd/C催化剂的55倍。科学家试图将C、N和储量丰富的单原子Fe、Co等相结合。我国大连化物所张涛团队2016年6月13日第7卷的Chem.Sci杂志上报道了此类突破，发展了一种单金属原子的Co-N-C催化剂。单原子催化剂宣告了金属使用率的极限，即每个单独的原子都是一个活性位点。这种原子级分散的催化剂具有复杂的活性和选择性，能够高效催化硝基化合物氢化偶联成芳香偶氮化合物。

2. Pt基金属合金纳米结构的ORR超高质量活性

随着能源危机和环境污染的日益加剧，开发新型的清洁能源变得刻不容缓。其中涉及电化学过程的氧还原反应（ORR）是最具实际应用前景的能源转换和存储方式之一。2016年12月16日第354卷的Science杂志报道了美国加州大学伯克利分校的段镶锋教授、黄昱教授和William A. Goddard III教授课题组合作在此领域的突破。报道了一种带有锯齿结构的Pt纳米线，在ORR反应中实现了超高质量活性。高应力的、富菱形结构的表面是这种锯齿结构Pt纳米线ORR质量活性提高的重要原因。Pt纳米颗粒为代表的电催化剂在燃料电池和水裂解等能源领域的重要性不言而喻。系统提升电催化剂催化活性的主要策略之一是调控金属纳米颗粒的电子结构。2016年11月25日的第354卷Science杂志报道了美国斯坦福大学崔屹课题组的研究突破。此团队开发了一种利用电池电极材料直接、连续控制Pt纳米催化剂的晶格应力，并调控其ORR催化活性的普适性策略。

3. 有机、无机纳米多孔框架材料及催化研究突破：

1）理性设计并制备沸石分子筛材料 沸石分子筛是一类具有规则纳米孔道的硅铝酸盐晶体，已成为当前化学工业中最为重要的固体催化剂材料。吉林大学于吉红院士团队发现，不论是通过紫外辐射还是Fenton试剂所引入羟基自由基，都能够大大加快沸石的结晶过程，可快2倍左右。2016年3月11日，《Science》刊发了于吉红院士研究团队在沸石分子筛材料方面的突破性成果。这一发现是无机微孔晶体材料生成机理研究方面的重要突破，使人们对沸石分子筛的生成机理有了新认识，为在工业上具有重要需求的沸石分子筛材料的高效、节能和绿色合成开辟了新的路径。

2）纳米金属有机框架材料（MOF）及选择性催化研究应用突破 MOF内配位不饱和的金属位点可以直接调节MOF与反应物的相互作用，活化目标化学键，降低化学反应的能垒。2016年10月6日，国家纳米科学中心的唐智勇、李国栋和澳大利亚格里菲斯大学的Huijun Zhao（共同通讯作者）等在《Nature》杂志上报道了将铂纳米颗粒封装到MOF层间或孔道内构建具有高效选择性催化的反应容器。该反应器由含Fe³⁺, Cr³⁺的MOF将铂纳米颗粒封装其中形成的三明治平台对催化α，β-不饱和醛的加氢反应具有高活性和高选择性。

4. 二维纳米材料研究不断突破:

1）二维金属碳化物（MXene）薄膜电磁干扰屏蔽材料 电子设备在发射信号和利用电能的过程中,电磁波于电子元件发生作用，会产生电磁干扰，不仅影响设备使用性能，还不利于人体健康。2016年9月9日第353卷Science杂志报道了此类研究突破。Shahzad等人报道了一系列基于柔性二维金属碳化物（MXene）薄膜的电磁干扰屏蔽材料。他们不仅制备了一系列MXene (Ti₃C₂Tx, Mo₂TiC₂Tx, Mo₂Ti₂C₃Tx)薄膜，还将MXene的优异导电性、亲水性、力学性能和海藻酸钠（SA）的廉价易得、柔性结合起来，得到贝壳状Ti₃C₂Tx -SA复合材料。

2）锯齿边缘石墨烯纳米带的精确制备 相比于延展开来的石墨烯材料，基于石墨烯的纳米结构表现出更加优异的电学性能。带有锯齿边缘的纳米结构极有可能具有自旋极化的电子边界态，从而用作石墨烯自旋电子元件的关键元素。2016年3月24日第531卷的《Nature》杂志报道了Pascal Ruffieux等人的研究突破。他们实现了一种直接在表面生长锯齿边缘的石墨烯纳米带的策略。利用扫描隧道光谱，他们发现了具有较大能量分裂的局域边缘态。

3）钴和钴氧化物杂化的超薄二维材料及电催化性能研究突破 中国科大合肥微尺度物质科学国家实验室谢毅院士、孙永福特任教授课题组设计新型二维电催化材料，将二氧化碳高效“清洁”地转化成液体燃料。2016年1月7日第529卷的《Nature》杂志报道了此研究突破。研究成果表明，钴和钴氧化物杂化的超薄二维材料能够大幅度地提高其原本很低的对二氧化碳的催化还原性能。超薄二维结构和金属氧化物的存在提高了钴催化还原二氧化碳的能力。这一发现有助于让研究者们重新思考如何获得高效和稳定的二氧化碳电还原催化剂，对推动电催化还原二氧化碳机理研究也具有重要的意义。

5. 光催化研究领域继续突破：

1）利用太阳能转化CO₂为燃料，纳米结构催化剂效率提升千倍 将二氧化碳（CO₂）转化为燃料是近几年的研究热点。由于CO₂自身的化学惰性，导致催化效率低。因此，研究者们一直在寻找开发更高活性的催化剂。美国伊利诺伊大学芝加哥分校的Amin Salehi-Khojin和阿贡国家实验室的Larry A. Curtiss等科学家在2016年7月29日第353卷的《Science》杂志上报道了一种高效的过渡金属二硫属化合物（如WSe2）纳米结构催化剂，并设计出一种新型太阳能电化学催化反应装置，能在低过电位下于离子液体中直接将CO₂转化成合成气，生成一氧化碳的效率可达传统银纳米颗粒催化剂的1000倍，整个过程廉价且高效，稳定性好。随后作者设计了一种新型太阳能电池装置。采用上述装置模拟太阳光，系统能量转换效率约4.6%，而采用相同装置分解水反应的能量转换效率为2.5%。连续使用100小时性能未见明显下降。

2）超高分辨率荧光成像技术助力纳米光催化 单分子荧光技术在多相催化中的另一个巨大威力：在纳米尺度上，直接显示光催化剂催化活性位。2016年2月4日第530卷的《Nature》杂志上报道了康纳尔大学的Chen Peng教授的单粒子荧光催化的文章。利用单分子荧光技术直接将荧光分子前躯体作为反应物，通过控制电极电势，在纳米尺度上将催化剂的氧化（空穴参与）与还原反应（电子参与）的位置成像出来。这篇工作将光电阳极表面光生电子—空穴对的空间分辨率推进到了~30 nm的层次，而且利用聚焦激光束以及荧光分子作为探针，获得了表面不同位置处的光电效率，打开了理性设计光催化剂体系的大门。

6. 纳米仿生材料及性能突破研究继续火热

1）高度可拉伸的电致发光皮肤用于信号发光和触觉传感 美国康奈尔大学的Larson等人开发了一种可拉伸的电致发光皮肤。这种材料具有很好的弹性，可以发光，同时还可以感受来自内部和外界的压力。他们将这种电子皮肤整合到软体机器人中，机器人在运动的过程中可以伸展、发光。本研究成果发表在2016年3月4日第351卷的《Science》杂志上。

2）中科院理化所江雷研究组等揭示猪笼草捕食的奥秘 2016年4月6日，《Nature》杂志在线发表中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学实验室江雷研究员与北京航空航天大学机械工程及自动化学院同仁合作的此研究成果。这一新的发现对于开发设计新型定向流体输运系统具有指导意义，在农业滴灌、无动力的微药物传输等领域具有广阔的应用前景。

3）仙人掌对高分子膜的启示 韩国汉阳大学、中国天津大学和澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的科学家们受到仙人掌的启发而发明了一种新的高分子膜，能够显著提高离子交换膜的自湿润性能，从而改善燃料电池乃至以之为动力的电动车产业的格局。他们的论文发表在2016年4月28日第532卷的《Nature》杂志上，通讯作者是天津大学“千人计划”教授Michael D. Guiver以及韩国汉阳大学教授Young Moo Lee。这种膜的表面带有疏水涂层，而疏水涂层中有很多纳米尺度的裂缝，这些“纳米裂缝”是保持这种聚合物膜水分含量的关键。这种膜可以将燃料电池在干热条件下的效率提高4倍。这种膜，可能对包括电动汽车在内的许多行业的发展产生重大影响。除了燃料电池，他们发明的这种“仙人掌式”膜还可以应用于需要自湿润膜的其它技术，包括水处理和气体分离。

4）纤维拉伸出奇迹：冷拉（cold-drawing）是热塑性纤维制备过程中的一个常见工艺。在聚合物纤维中间放一根脆性的芯，中佛罗里达大学Ayman F. Abouraddy教授课题组发现不同材质的芯会拉断形成长径比固定的均匀短棒。这一发现发表在2016年6月23日的第534卷《Nature》杂志上。他们把脆性材料的细芯放进聚合物的皮层中，制备成了复合材料纤维，然后就这么简单一拉，聚合物纤维中的脆芯断裂成了尺寸一致的短棒。他们在多种材料中都重现了这一奇妙的现象，聚合物包括聚醚砜、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚砜等等热塑性聚合物，而脆芯包括硒化砷玻璃、硅、锗、金、聚苯乙烯等。

五   前沿新材料之超材料

1. 超材料透镜突破了常规光学显微镜的分辨率极限

2016年8月，复旦大学的研究人员成功制备出一种新型三维全介电超材料透镜，能把光学显微镜的分辨率提高到创纪录的45 nm，大幅突破了常规光学显微镜的极限分辨率200 nm。相关工作发表在Science子刊Science advanced期刊上。他们利用一种由下而上的自组装方法-纳米固流体法，把具有高折射率和低吸收损耗的二氧化钛纳米粒子进行组装，制备出半球形和超半球形固体浸没超透镜。这些超透镜具有亚波长结构，并且在可见光下表现出高的折射率和高的透明性。理论分析表明，在紧密堆积的二氧化钛纳米粒子之间可以形成增强的电场，此电场能有效约束亚波长尺度的可见光在其中的传播，有利于形成大面积、亚波长尺寸的近场聚焦光斑；同时，超透镜能够高效的将样品表面激发的近场消逝波转变成远场传播波，从而可以实现超分辨率光学成像。该研究提供了一种在纳米尺度操纵可见光的途径，有利于超材料在近红外和可见光波段的应用。

2. 可伸缩的柔性超材料

2016年2月，美国爱荷华州立大学的科学家将液态镓-铟合金嵌入到硅橡胶中，形成周期性排列的开口谐振环结构，制备出一种可伸缩的柔性超材料。在外力作用下进行拉伸时，这种柔性超材料内部的开口谐振环的尺寸也会发生变化，从而使其具有频率调控性，并且在较宽的微波频段内可以吸收雷达信号。此外，将这种超材料缠绕在电介质材料表面时，可以对其实现有效地电磁屏蔽，起到“隐身”作用。由于这种柔性超材料具备良好的可穿戴性，有望被应用于隐身斗篷，同时其在军事、医疗等领域中具有重要得应用价值。此外，可以结合喷墨打印、激光转印和纳米压印等印刷技术与3D打印技术，实现超材料的柔性化和规模化制备。另一方面，超材料的设计理念与制备加工，可与常规材料相融合。充分结合超材料的“人工性质”与常规材料的“本征性质”，对材料的化学成分和微观结构进行设计和裁剪，降低超材料的制备成本，推进产业化应用。

3. 使用超材料制作出光驱动机械振荡器

2016年10月，美国宾夕法尼亚大学的研究人员开发了一种光驱动的机械振荡器。这种基于超材料制作的装置通过光与物质的相互作用，并配合机械共振，实现了控制其机械性能。相关工作发表在第10期Nature Photonics期刊上。在这项研究中的超材料装置类似于一个微型的电容器，其上部和底部各有一个0.5*0. 5毫米的正方形板。上板是金膜和氮化硅膜组成的双层膜，其中包含大量十字形缝隙组成的纳米天线阵列，底板是一个金属反射镜，上板和底板之间有3微米高的间隙。当光线照在器件上，纳米天线吸收入射光的能量，并将光能转化为热能。由于金比氮化硅受热扩张大，导致金/氮化硅双层弯曲，这样上下板间隙的高度发生改变。这种间距的变化导致上板可吸收的光减少，从而上板弯曲回到它原来的位置。上板可以再次吸收所有的入射光，并一次又一次的循环。该超材料装置可应用于高精度传感器、量子传感器和光学器件。

4. 新型石墨烯超材料

2016年1月，哈尔滨工业大学课题组基于改进的水热法和定向冷冻工艺设计，在自然干燥条件下，成功制备出具有微观双曲取向形貌的三维石墨烯气凝胶超材料，并发现了负泊松比效应和超弹性特征，相关工作发表在Advanced Materials 期刊上。与传统三维石墨烯材料相比，这种具有负泊松比效应的石墨烯超材料的抗压强度和杨氏模量得到了显著提高，并且具备高的比表面积、超弹性、优异的耐疲劳稳定性和良好的导电性，在柔性电极材料、超级电容器、传感器、催化剂载体等方面具有广泛的应用前景。采用自然干燥技术制备三维石墨烯超材料，具有成本低、产量高、操作简便等特点，对于石墨烯超材料的规模化生产和商业化推广具有重要推动作用。此外，石墨烯具有非常高的电子迁移率，可以有效降低能量损耗。因此，针对当前电磁超材料损耗大的特性，积极探索以石墨烯为代表的新型超材料，具有重要意义。

5. 更强、更轻、更耐用的机械超材料

2016年2月，德国卡尔斯鲁厄理工学院的科研人员设计和制备出一种高强度、轻质的机械超材料。相关工作发表在Na

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