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新晶体材料或提升电池续航能力

日前,英国伦敦大学学院美国芝加哥大学的研究人员已经发现,镁铬氧化物微粒或许是研发一种新型镁电池的关键,这种电池将比传统的锂离子电池拥有更强的蓄电能力。

据了解,这项研究公布了制造这种新材料的全新方法,该材料能够可逆地存储高度活跃的镁离子。该研究团队宣称,这意味着他们向镁电池又迈出了重要一步。迄今为止,只有极少数无机材料表现出了可逆的镁离子吸收和排除能力,这对于镁电池来说是至关重要的。

研究的共同负责人,伦敦大学学院博士称:“锂离子技术已经接近它的能力极限,因此对于我们来说,找到其他化学物打造出容量更大而且设计更简单的电池是非常重要的。镁电池技术一直被认为有可能成为延长手机电动汽车续航能力的解决方案,但是阴极材料的选取一直都是一项挑战。”

锂离子电池的限制因素之一就是它的阳极。出于安全考虑,锂离子电池中必须使用低容量的碳棒,因为纯锂材料的阳极能够引发危险的短路甚至起火。相比之下,镁作为阳极更加安全,因此阴极材料与镁搭配会让电池体积更小但储存能力更强。

之前的研究使用计算机模型进行了预测,镁铬氧化物 (MgCr2O4) 是镁电池阴极的理想候选材料。受其启发,伦敦大学学院的研究人员通过一个快速的低温反应获得了一种 5 纳米宽的无序镁铬氧化物。伊利诺伊大学的研究人员将这种材料与正常 7 纳米宽的有序镁铬氧化物进行了镁活性的比较。

他们借助一系列不同的技术检测两种材料在活性测试中的结构和化学变化。这两种晶体材料的表现完全不同。伦敦大学学院教授解释称:“这表明未来的电池或许将依赖于无序的非传统结构。这一研究的重要性在于,它能帮助我们了解其他存在结构缺陷的材料是否有可能应用于可逆的电池存储技术。”

未来,该研究团队计划将他们的研究推广到其他无序的结构材料上,以此确定未来能够实现存储容量的提升并且研发出一种实用的镁电池。

石墨烯高温超导体

数十年以来,新材料石墨烯一直都是研究人员心中的“小超人”,不论其导电性、热传导性还是韧性,都是新材料领域中的佼佼者。最近,科研人员发现并证实:石墨烯可通过旋转实现超导。这一新发现将势必给“小超人”戴上一顶“超神”的光环了。

据《物理世界》杂志发布的公报说,麻省理工学院等机构研究人员通过将两层自然状态下的二维石墨烯材料相堆叠,并控制两层间的扭曲角度,当扭曲角度达到被称为“魔角”的1.1°时,石墨烯层中的电子能带结构不再对称,这一体系会表现出绝缘体的特性。而如果利用电场在石墨烯上吸附电子,即可构建成性能出色的零电阻超导体。尽管该系统仍需被冷却至-271.45℃,但结果表明,它可像已知的高温超导体那样导电。

当今制造量子计算机原型的最先进技术是基于超导器件。“魔角”石墨烯超晶格可为我们提供一种新型的电可调超导体,它们或许有一天会在量子计算和信息技术中被利用。

硅+锌+蚕丝:印度研制出促进骨组织生成的新型材料

印度理工学院等机构研究人员在新一期美国期刊《ACS生物材料科学与工程》上发表报告说,他们用硅、锌、蚕丝等物质制成一种新型复合材料。动物实验显示,用它作为骨组织缺陷处的支架,能有效促进骨组织生成。

研究人员介绍说,这种由硅、锌、蚕丝纤维等物质混合制成的材料具有多孔结构,允许骨细胞迁移至其中并生成骨组织;其表面的光滑程度与天然骨相似,有助于骨组织生成。

用有股骨缺陷的兔子进行的实验显示,用这种材料的支架弥补骨组织缺陷部位,30天后即生成含有新血管的骨组织,90天后缺陷部位已生成了73%的骨组织。3个月后,蚕丝纤维完全降解,只留下兔子本身骨细胞生成的新骨组织。

这个过程中没有使用外来的骨细胞或骨生长因子。研究人员说,这种材料促进骨组织生成的一个原因是其中含有硅、锌离子,它们促使机体中的骨细胞生长。

研究人员计划用更大型的动物来验证这种材料的功效,以便最终将其用于临床医疗。

超导氧化物新材料

超导体只能在其临界温度以下才能进入超导态,且通常不可逆磁场越强,该超导体在磁场下承载无损耗电流的能力就越强。受这两个因素制约,现有的氧化物超导材料很难进入大规模应用。近日,超导学界发明了一种绿色无毒的新材料,有望打破这一局面。

由于很多临界温度超过-173.15℃的超导体都具有毒性元素,因此南京大学物理学院的闻海虎教授团队,近几年特别关注怎样用无毒性元素取代这些毒性元素,同时使得不可逆磁场仍然较强。基于多年来对铜氧化物超导体不可逆磁场和临界电流问题的深入研究与认识,该团队利用高温高压合成技术,制备了一种无毒性的铜氧化合物超导体,其临界温度约为-157.15℃。通过仔细的电阻和磁化性质测量,表明该超导体在液氮温度及以上的温区,具有迄今为止最高的不可逆磁场。

目前,该材料是在高压下合成的,电阻和磁化结果是在常压下测量的,表明其在常压下是极其稳定的,这为其应用提供了可能。

石墨烯水润滑添加剂领域取得重大进展

摩擦磨损现象普遍存在于机械系统的运动部件中,其会导致巨大的能量消耗并引起机械部件的损坏,降低机械装备运行的可靠性和安全性。水基润滑剂具有成本低廉、安全可靠性高、冷却性好、无毒性和不易燃等特点,是一种环境友好型润滑剂,可应用到矿井等高温、严禁明火的环境中。但是其实际应用却因较低的运动粘度、有限的润滑性能和易腐蚀性而具有一定的局限性。石墨烯是一种具有优异力学性能的二维碳基纳米材料,且片层之间滑动为摩擦系数极低的超滑滑动,发展石墨烯基水润滑添加剂有望突破现有水润滑介质的性能极限,大幅提升先进水润滑系统的寿命和可靠性。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋功能材料团队通过对石墨烯进行功能化修饰使其可稳定分散于水中,从而开发出了一种环境友好型的水基润滑剂,可有效降低摩擦副的摩擦系数和磨损。通过甲苯二异氰酸酯作为桥联剂制备出了单端带有氨基的聚乙二醇衍生物(PEG),利用其上的氨基与羧基化石墨烯上的羧基发生酰胺化反应得到聚乙二醇共价键功能化修饰的石墨烯(PEG-G),修饰后的石墨烯在水中的溶解度提高了62%。PEG提高了石墨烯的水分散性和对摩擦副的润湿性,使其在摩擦副表面形成润滑保护膜,避免了摩擦副之间的直接接触,从而降低了摩擦系数和磨损率,摩擦系数最大降低约39%,磨损率最大降低约81%。

图1 (a) PEG-G合成示意图,(b) PEG-G作为水基润滑添加剂的摩擦系数,(c) 润滑机理图

另外,该团队利用具有吸附性的β-乳球蛋白(BLG)作为剥离剂和分散剂修饰还原氧化石墨烯(RGO),蛋白质可与RGO残余的氧化基团产生氢键,其憎水基团可与RGO表面产生相互作用,亲水基团朝向水相从而促使还原氧化石墨烯可在水中稳定分散达8个月。由于蛋白质在金属表面固有的吸附性能,BLG-RGO可在摩擦副表面形成稳定的吸附层,在摩擦前期阻碍摩擦副的接触并阻止水和水中溶解的氧气对摩擦副的腐蚀。在摩擦过程中,石墨烯的片层结构使其具有较低的摩擦系数,并且吸附层嵌入磨痕中,形成摩擦膜,降低其磨损率。BLG-RGO作为水基润滑添加剂具有优异的润滑性能和缓蚀性能,其摩擦系数降低37%,磨损率降低45%,缓蚀效率达92%。

图2 (a) GO、RGO和BLG-RGO分别静置15天和8个月的数码照片,(b) BLG-RGO作为水基润滑添加剂的摩擦系数曲线,(c) BLG-RGO的平均摩擦系数和磨损率,(d) BLG-RGO作为水基润滑添加剂的润滑机理

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