一大波新材料横空出世,改变世界超出你想象(第112期)

蓝海长青智库2019.3.20

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3D打印物理交联水凝胶支架

水凝胶具有高的水含量和丰富的理化性能,在生物医学领域具有重要应用价值。三维水凝胶支架具有可控的结构、尺寸和孔隙,能够为细胞的增殖分化提供合适的微环境,进而高效地实现组织的修复和再生。近年来,基于3D打印技术(也被称为增材制造)在结构成型方面的显著优势,使其在构筑复杂的三维水凝胶支架方面表现出巨大的潜能,但是目前光交联水凝胶打印体系在生物兼容性和生物活性方面受到限制。

近日,中国科学院兰州化学物理研究所研究团队,基于生物兼容的人工合成高分子和天然活性大分子制备物理交联水凝胶的策略,成功开发了聚乙烯醇(PVA) κ-卡拉胶的复配水凝胶墨水。借助墨水直写(Direct ink writing)打印技术,实现了复杂水凝胶结构的精细打印制备,包括水凝胶管、三维支架以及耳朵等。通过冷冻-解冻循环后处理技术,在水凝胶结构中形成物理交联网络,从而制备出高强度、耐溶胀的水凝胶。更重要的是,该水凝胶经纯物理过程制备,没有反应副产物或者残余有毒物质,并且κ-卡拉胶具有良好的生物活性,所制备的三维水凝胶支架可以直接用于3D细胞培养,在骨组织再生、皮肤修复方面具有重要的应用价值。

图 13D打印高强度物理交联水凝胶及生物支架应用

该方法还可以拓展至其他的水凝胶体系,包括壳聚糖、明胶和琼脂等。进一步研究具有优良机械性能、生物兼容性和生物活性的水凝胶,并结合先进的3D打印技术,有望为组织工程、药物释放、骨再生以及医学植入体等方面提供重要的机遇。

控制棒外壳新材料:可长久耐受700℃高温

俄罗斯国家研究型技术大学莫斯科国立钢铁合金学院研发出一种独特的三层“钢—钒—钢”合金材料,能长久耐受高达700℃的高温、刚性辐射性照射、机械压力和化学影响,这种复合材料可应用在核反应堆的控制棒外壳中。

控制棒外壳是核反应堆的关键功能性部件,它们与铀燃料接触,控制着核反应流的强度。新一代快中子核反应堆能够重复利用废铀,但其主要问题在于控制棒外壳所承受的巨大负荷。新一代反应堆中的释热原件外壳的最高工作温度在550℃—700℃,液态金属传热体——钠从外面作用于它们。为了接通新一代快中子核反应堆中的核燃料循环,需要一种新结构材料,能够确保燃料的燃烧水平比现在所能达到的水平更高。

莫斯科国立钢铁合金学院科研人员介绍,她的研究团队制造出了三明治状的“钢—钒—钢”三层合金材料。特种钢确保耐腐蚀性,而钒合金(V-4Ti-4Cr)则耐热、抗辐射,足够抵御核反应堆特殊环境的影响。她说,制造类似复合材料的任务本身就很艰难,因为两种材料的接合处应该最大限度地结为整体。

该团队已成功制造出了整体上是三层管的控制棒外壳。试验表明,所获得的复合材料在工作温度高达700℃时表现出高度的机械坚固性,研究人员计划未来着手对三层材料的耐辐射性进行长期研究。

储能材料:空气中的微纳颗粒

基于摩擦起电和静电吸附的耦合作用,TPF可以捕获汽车尾气中的微纳米颗粒。这意味着TPF可以在机动车尾气的排放中能够有效降低微纳米颗粒物的排放,进一步控制PM2.5对大气的污染

TPF主要由两种填充的陶瓷球组成立方体形腔室,固定在电动机的排气口上。如下图所示。

a,b)为纳米颗粒物的捕获方式和机理

捕获的纳米颗粒物的电镜图

摩擦电颗粒捕集器捕获的纳米颗粒物主要为碳元素,Raman及XRD结果表明“捕获碳”具有一定程度的石墨化,XPS与TGA结果表明了“捕获碳”中碳元素的具体存在形式,孔径及粒径分析结合SEM,TEM图像表明了“捕获碳”的纳米结构。

a,b,c)为对"收集碳“的Raman,XRD,XPS表征图

捕捉到的碳不用经过化学处理可以直接作为超级电容器的电极材料。超级电容器表现出良好的电化学性能,CV曲线在0-1V的范围内呈现矩形,在较宽的范围内有相近的电容值。恒电流充放电曲线呈现对称三角形,具有明显的双电层特性。

石墨炔膜材料可实现甲醇零渗透

直接甲醇燃料电池被认为是最有前途的清洁高效能源电池之一,其中,质子交换膜是影响直接甲醇燃料电池能量效率、功率密度等的核心部件。近日,香港科技大学课题组发现新型二维碳纳米材料石墨炔是较为理想的质子交换膜材料,具备高选择性和高导电性,能有效阻隔甲醇燃料的渗透。

传统燃料电池通常以氢气为燃料,但氢气难以储存和运输。直接甲醇燃料电池以甲醇为燃料,无需重整或转化,可直接在电极上反应转变成电能,能量密度高、安全高效且易储存,已成为近年来国际上研究和开发的热点。

质子交换膜是直接甲醇燃料电池的“心脏”,其作用是阻隔阴阳两极,传导质子。

“质子交换膜的性能是现在面临的一个‘卡脖子’问题。”目前燃料电池用的质子交换膜主要是美国杜邦公司生产的Nafion膜。但其最大问题是甲醇渗透率高。位于阳极的甲醇会通过质子交换膜向阴极渗透,这一方面造成了甲醇燃料的浪费,降低了能源利用效率;另一方面甲醇渗透到阴极后发生负反应,导致催化剂中毒,大大降低电池性能,缩短电池寿命。

课题组长期致力于燃料电池的基础和应用研究,有着十五年的积累。此次,研究人员全面探究了二维碳纳米材料石墨炔作为质子交换膜材料的可行性,及其质子传导率和阻醇率。

据介绍,石墨炔具备均一的孔径结构、孔内尺寸可调控等特点,是研究质子选择性传导行为的理想二维材料。

研究人员通过原子尺度的模拟,对石墨炔界面处的质子及甲醇分子的穿透行为进行分析,得到质子传导率和甲醇渗透率。结果发现当石墨炔孔径大于1.2nm时,石墨炔和水形成的是一个水相-真空相交错的界面,其中水相可以使得质子快速传导,而真空相可以有效地阻挡甲醇分子的穿透。这一发现为零渗透质子选择膜的设计提供了新的可能性。

“除了石墨炔外,未来我们还将继续探究是否还存在其他同时具备高质子传导性和高选择性的质子交换膜材料,同时开展工业应用可行性研究,以期解决实际生产中的问题。”课题组研究人员说。

新型自修复型复合材料

法国JEC复合材料集团网站2019年3月11日报道称,来自瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)先进复合材料工艺实验室的研究人员,最近开发出一种材料,可在结构受到损伤后轻易实现自我修复。这种尖端复合材料或将在航空航天飞行器、风力涡轮机、汽车及各类运动装备中取得应用。

当风电涡轮叶片或飞机被不明飞行物或碎片等重物击中后,受损的零部件必须接手整件的更换或利用树脂进行结构修补。但是更换零部件价格昂贵,而利用树脂进行修复又会使结构增重并一定程度上改变性能。

EPFL的先进复合材料工艺实验室(LPAC)在自修复复合材料领域,已经从事了长达12年的深入研究。为了解决上述问题,EPFL的研究人员采用了一种全新的专利技术,找到了一种快速容易的方法,修复复合材料结构中出现的裂纹或裂缝。

新型自修复材料具有优异的修复特性(瑞士CompPair公司图片)

这项全新的技术是利用了在复合材料中加入的自修复剂。当复合材料结构受损后,只需要简单的利用便携式热空气喷枪等装备,将受损部位材料加热至150℃,即可在短短的60秒的时间内,实现快速修复树脂中出现的裂缝。局部的加热过程激活了复合材料内部修复剂,受损部位实现迅速愈合,并且不会改变结构原有性能,损伤愈合率达到100%。这种全新问世的技术可在各类复合材料结构中应用,使用后的效果可使得原有结构寿命延长至少3倍。修复后的材料基本性能与传统的复合材料相同,而抗裂能力可提高到原有结构的1.3倍。不仅如此,理论上这种材料可以实现在多次受损后的自修复。更为重要的是,这项技术与主流复合材料制造工艺兼容,因此不需要对生产设备进行重组。

值得注意的是,这项技术的使用条件仍然受到一些限制——如果复合材料结构受到的损伤造成了内部纤维的破坏,材料将无法愈合。但由于复合材料结构的损伤往往首先从树脂的破裂开始,因此这种利用外部热量实现自修复的自愈系统在大多数情况下仍然奏效。

这项技术预计对于风力涡轮机和储能罐来说尤其受用。研究人员表示,到2020年,仅仅是维护全世界范围内的现有的风力涡轮机就需要花费约130亿瑞士法郎。这项技术的出现有望大大降低维护成本。此外,该技术还可以在航空航天飞行器、舰船、火车、汽车、建筑、运动装备等军民用复合材料结构中获得潜在应用。

研究人员利用玻璃纤维增强树脂基复合材料制造的飞行器结构件(瑞士CompPair公司图片)

此外,为了推广这项技术在航空航天领域中应用,研究人员使用玻璃纤维增强的树脂基复合材料制造了应用于航天器中的零部件,并展示了其愈合过程中的工作原理。该零部件将于2019年3月12日-14日在巴黎举行的JEC复合材料展览中进行展出。

EPFL先进复合材料工艺实验室的研究人员目前正建立一家名为CompPair的自修复复合材料初创公司,以便进一步发展并向市场推广这种新材料。

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