把天机改造成神！2021-年世界新材料发展综述
磁超导材料是指含有磁性离子的超导材料，可以用来在大型强子对撞机中加速粒子，建造磁悬浮车。目前，开发和批量生产磁性超导体的主要问题是使用复杂和昂贵的冷却设备。俄罗斯量子中心的研究人员首次获得了室温下的磁性超导材料。有了这项技术，未来可以制造出没有复杂昂贵的冷却设备的量子计算机。对钇铁石榴石单晶薄膜进行了相关实验，该薄膜在一定温度下具有自发磁化特性。
俄罗斯国家研究技术大学和俄罗斯科学院微电子技术研究所通过沉积石墨烯涂层技术开发了一种独特的硅纳米复合材料。这项研究和开发将加速发展直接放置在电子产品印刷电路板上的“微型动力装置”技术。
多孔硅结构越来越多地用于微电子和生物医学。它的一个重要特点是不同大小的孔洞均匀分布在整个材料中。在医学上，多孔硅薄膜起到过滤器的作用，例如用于血液透析。在便携式电子产品中，它们被用作微型燃料电池的电极，微型燃料电池是一种有前途的氢源，可以集成到印刷电路板中。但当它与工作液体(水或弱碱性溶液)接触时，纳米多孔硅会逐渐被破坏。由于采用了处理硅结构的新方法，其表面电阻降低了数百倍，对弱碱性溶液的稳定性显著提高。此外，由于在通道的内表面上形成额外的突起，材料的有效表面积增加了两倍以上。所有这些都极大地改善了微型燃料电池的性能和其中使用的昂贵催化剂的耐久性。
此外，俄罗斯远东联邦大学和俄罗斯科学院远东分院自动化过程控制研究所开发了激光打印硅纳米颗粒的技术。这种技术的优点是速度快，制造成本低，可以用粒子覆盖大面积。这将使VR眼镜和其他电子产品变得更小，制造成本更低。硅纳米颗粒是生产微型光电开关、超薄计算机芯片、微生物传感器和屏蔽涂层的基础材料。借助于激光打印的硅纳米块，入射到其上的光波的振幅、光谱和传播方向等主要特性可以得到控制。
英国剑桥大学的研究人员模仿了自然界中最坚固的材料之一蜘蛛丝的特性，创造了一种基于植物的、可持续和可扩展的聚合物薄膜。这种新材料与今天使用的许多普通塑料一样坚固，可以取代许多普通家用产品中的一次性塑料。同时，该材料可以在大多数自然环境中安全降解，无需工业堆肥设备，也可以实现工业化大规模生产。
剑桥大学的研究人员结合了软机器人制造技术、超薄电子技术和微流体技术，开发出一种超薄充气装置，可以治疗最严重的肢体疼痛，如止痛药无法治愈的腿部和背部疼痛，而无需进行侵入性手术。该设备可能成为治疗全球数百万人顽固性疼痛的长期有效解决方案。
由利物浦大学领导的一个合作研究小组发现了一种新的无机材料，这种材料具有历史上最低的热导率(也称为热导率)。这一发现代表着材料设计在原子尺度上控制热流的新突破，将加速开发将余热转化为电能并有效利用燃料的新型热电材料，为建设可持续发展社会找到新的途径。
剑桥大学找到了一种方法，可以从纤维素(植物、水果和蔬菜细胞壁的主要成分)中制造出一种可持续、无毒和可生物降解的闪光物质，并且可以使用自组装技术来生产彩色薄膜。
剑桥大学的研究人员开发出了一种柔软而坚固的新材料，这种材料看起来和摸起来都像柔软的果冻，但它可以承受相当于一头大象站在上面的重量，压缩时就像一个超硬不易碎的玻璃。它可以完全恢复到原来的形状，尽管它的成分80%是水。
在新材料领域，美国科学家发挥奇思妙想，取得了许多突破。新材料之王石墨烯于2004年问世，此后人们一直试图设计新的二维材料。硼酮被认为比石墨烯更强、更轻、更柔韧，或将成为继石墨烯之后的又一种“神奇纳米材料”。
阿贡国家实验室等机构开发了由硼和氢原子组成的硼氢化物。这种二维材料只有两个原子厚，强度超过钢，有望在纳米电子学和量子信息技术领域大显身手。西北大学的工程师首次创造出一种双原子厚度的硼烯，有望给太阳能电池和量子计算带来革命性的变化。
美国加州大学伯克利分校的科学家首次开发出一种单原子厚度、可在室温下工作的超薄磁体，有望应用于下一代存储器、计算机、自旋电子学和量子物理学。
此外，卡内基大学的科学家们开发了一种新方法，可以合成一种新型的六方结构晶体硅，这种晶体硅可能被用于制造新一代电子和能源设备。新设备的性能将超过现有的由普通立方硅制成的设备。普林斯顿大学的研究人员开发出了迄今为止世界上最纯的砷化镓，每654.38+000亿个原子中只含有一种杂质，为进一步探索量子现象铺平了道路。
日本材料研究所试制的“钻石电池”，又称“贝塔伏特电池”，是一种由放射性物质制成的“核电池”。放射性物质的原子核不稳定，会释放各种辐射和衰变，其中碳14和镍的放射性同位素镍63会释放β射线。碳14的半衰期约为5700年，镍63的半衰期约为100年，可以实现长寿命电池。“钻石电池”就是利用这种放射性物质释放β射线来实现发电。日本试制的“钻石电池”寿命可达100年，可用作太空和地下设备的电源。
日本高知工科大学的研究团队开发出了一种均匀含有14元素、具有随机连接的纳米级微孔的海绵结构“纳米多孔超多组分催化剂”。这种催化剂通过制备含有65，438+04元素的铝合金，优先将铝溶解在碱性溶液中进行脱合金，然后聚集除铝以外的元素来实现。因为合金只需要溶解就可以大规模生产。
日本量子科学技术研究开发所、东北大学和高能加速器研究所对合金成分进行了改进，发现不使用稀有金属，使用铝和铁就可以储存氢。发现铝和铁虽然是不易与氢反应的金属，但在70000个大气压以上的环境中，与650以上的高温氢反应，可以储存氢，成为新的金属氢化物。日本开发了这种不使用稀有金属的储氢合金，可以实现储氢材料的低成本运输。
东京工业大学、熊本大学等研究团队开发出了帮助燃料电池实现除铂的新物质“14元环铁络合物”。研究团队做了一个芳香族14元环铁配合物，铁原子被14原子固定，结构比16元环配合物小。用电位扫描法评价了新制备的催化剂的氧还原催化活性，发现它比酞菁铁具有更好的催化活性和耐久性。团队的目标是通过优化十四元环的外围结构，将催化活性提高到30倍左右，从而使铂替代催化剂实用化。
在纳米技术方面，法国南巴黎大学固体物理实验室和奥地利格拉茨技术大学物理研究所首次开展了纳米表面声子的三维成像，有望推动新型更有效的纳米技术的发展。为了开发新的纳米技术，必须首先在纳米尺度上可视化表面声子。在新的研究中，科学家用电子束激发晶格振动，用特殊的光谱方法测量，然后通过层析成像重建。
在氢能方面，法国国家科学研究中心和德国慕尼黑工业大学的研究人员开发了一种新的氢催化剂。氢化酶是一种既能催化水电解制氢，又能实现氢转化为电的逆反应的酶。研究人员将氢化酶放入“氧化还原聚合物”中，这样氢化酶就可以嫁接到电极上。基于此，研究人员创造了一种可以在两个方向催化反应的系统，即该系统可以用作燃料电池或进行相反的化学反应，通过电解水产生氢气。
在纳米材料方面，法国国家科学研究中心和麻省理工学院混凝土可持续发展中心已经成功利用纳米炭黑使水泥导电。研究人员在混合物中引入了廉价且易于生产的纳米碳材料，并验证了其导电性。通过在水泥混合物中添加4%的纳米炭黑颗粒，获得的样品具有导电性。当施加低至5伏的电压时，水泥样品的温度可升高至465±0摄氏度。由于能提供均匀的热量分布，为室内地板采暖提供了可能，可以替代传统的辐射采暖系统。此外，还可用于路面除冰。
根据2021纳米技术发展实施计划和2021第七产业技术创新计划(2019—2023)实施计划，韩国政府提供的纳米技术研究经费连续三年快速增长。
韩国成均馆大学展示了在富镍氧化物上包覆石墨烯的新方向，从而在不使用传统导电剂的情况下制备高导电活性阴极，进一步揭示了Gr纳米技术的应用可行性。
韩国研究团队开发出目前性能最好的纳米薄膜阴极，使用二硫化钛作为活性物质，不使用固体电解质。
韩国科学技术院利用半导体制造工程中使用的金属薄膜沉积工艺，完成了作为氢燃料电池催化剂的金属纳米粒子的量产技术。在制造过程中使用特殊的衬底来避免金属沉积成薄膜。
韩国的一项联合研究成功构建了线宽为4.3埃的导电通道。本研究采用单原子厚度的透明二维黑磷作为导电材料。这种材料有望取代石墨烯成为新一代半导体器件。用具有原子分辨率的透射电子显微镜验证了研究结果。
韩国科学技术院开发的超快脉冲激光器在工作于飞秒范围的光纤脉冲激光振荡器中插入了一个额外的含有石墨烯的谐振腔，将现有激光器的脉冲频率提高了654.38+0.0000倍。
以色列公司北极星解决方案公司(Polaris Solutions)表示，该公司与国防部合作开发了一种名为“Kit 300”的热视觉隐身材料。这种材料由金属、聚合物和超细纤维组成，主要用于帮助士兵在夜间避免被热成像设备发现，但也可以根据作战环境(如戈壁、丛林)的需要定制颜色和图案，帮助士兵在可见光条件下伪装。此外，该材料具有防水功能、高强度和柔韧性，可以弯曲成U形作为临时担架。
以色列理工大学电气和计算机工程学院的研究人员在《科学》杂志上写道，他们开发了一种超薄的“二维材料(仅由一层原子组成)”，这种材料可以“捕捉”光线，科学家可以使用一种特殊的“量子显微镜”来观察光线在其中的传播。这种材料有望为新一代微光学技术铺平道路。以色列理工大学的卡米纳教授表示，这一发现可能会使纤维直径从1微米减小到1纳米。
以色列理工学院的研究团队发文称，从原有结构中去除一个氧原子，可以显著提高铁电材料的导电性。研究人员发现，铁电材料钛酸钡的原子形成了类似于立方体的晶格结构。通过从晶格结构中去掉一个氧原子，可以形成一种被称为“四极”的独特拓扑结构，材料的导电性将得到显著提高。这项研究将有助于降低未来电子设备的能耗。
德国亥姆霍兹的柏林能源和材料研究中心利用X射线显微技术，在1秒内拍摄了1，000张断层图像，创造了材料研究领域的新世界纪录。该中心发明了一种置于硅和钙钛矿之间的自组装甲基单层材料，提高了太阳能电池的填充性能和稳定性，创造了钙钛硅系列太阳能电池效率的世界纪录。Ulrich研究中心等合成并表征了所谓的二维材料。，证明了该材料是磁振子的拓扑绝缘体。奥格斯堡大学基于量子效应阻碍磁序的原理，开发了一种稳定的化合物，可以替代顺磁性盐实现超低温。
马克斯·普朗克胶体与界面研究所开发了一种氮化碳纳米管薄膜，可以催化各种光化学反应，转化率很高。这些碳纳米管充当空间隔离的纳米反应器，可以将污水转化为清洁的水。德国电子同步辐射加速器使用高强度X射线来观察单个催化剂纳米颗粒的工作状态，这是朝着更好地了解真正的工业催化材料迈出的重要一步。德国科学家利用德国达姆施塔特的粒子加速器设施，成功合成并研究了镝114元素。结果表明，镝核不是所谓的“稳定岛”。
弗里茨·哈伯研究所发现，用激光照射半导体氧化锌，半导体表面可以变成金属，然后又变回金属。慕尼黑工业大学等发现，在固态电池的界面涂上纳米涂层，可以使电池稳定。卡尔斯鲁厄理工学院发现，同时涂覆和干燥两层电极可以将干燥时间缩短到20秒以下，并将锂离子电池的生产速度提高至少三分之一。
德国联邦材料测试研究所在世界上首次认证了测量荧光量子效率的标准，该标准可以可靠、可比地表征新的荧光物质及其测量技术。弗赖堡大学开发的注射成型玻璃工艺可用于大规模生产复杂的玻璃结构和玻璃器件，取代以前的塑料产品。Flawn Hof建筑物理研究所开发了一种脱矿质工艺，可以将工业炭黑与车辆轮胎的矿物灰完全分离。
近几十年来，科学界对纳米技术的使用及其在科学、工程和生物医学领域提供的机会越来越感兴趣。与它们的块状对应物相比，纳米晶体具有独特的物理性质，并且由于它们的尺寸小，它们可以容易地进入活细胞甚至单个细胞器。这使得纳米晶能够成功地用作药物载体，这极大地促进了其对单细胞的靶向递送，具有巨大的潜力，特别是在癌症化疗中。
更有趣的是纳米晶体，它不仅可以作为靶向给药的被动剂，还可以主动参与活细胞中的生物过程。202110，乌克兰国家科学院闪烁材料研究所宣布，在纳米生物材料领域研究了一种新型生物活性纳米晶体(纳米酶)，这些纳米晶体具有类似酶的特性，具有控制细胞内生化过程速率的功能。他们发现，这些纳米晶体的性质主要取决于它们强大的抗氧化活性。
众所周知，所谓的活性氧(ROS)是在活细胞中不断形成的，由于其极高的氧化能力，可以破坏活细胞的各种成分，从而对身体产生负面影响。随着年龄的增长，这些疾病会不断积累，许多科学家认为人体结构变化的积累是导致衰老的关键原因之一。换句话说，有效地调节活细胞中活性氧的水平，可以成为预防许多疾病甚至延缓衰老的因素之一。酶分子可以控制活细胞中活性氧的水平，氧化铈纳米晶是具有类酶抗氧化活性的纳米晶类型之一，被研究得最多。该研究所科学家的研究证实，纳米晶体可以减缓小鼠的衰老过程。在研究过程中，科学家还建立了纳米晶体在不同酸性环境下促进氧化活性的具体机制。