超级材料研发取得突破的成果,中国研发出超级黑材料

王佳宏在实验室做研究。

王佳宏团队成员

先进院制备的黑磷晶体

以石墨烯为代表的二维材料，被誉为21世纪的超级材料，有望发展成为下一个万亿级的产业。2014年，黑磷成为二维材料领域的一匹“黑马”，它的横空出世迅速引发关注。从晶体管、光电子器件，再到催化、能源、生物医学等领域，黑磷展现出广阔应用前景。

究竟科研人员是如何驯服黑磷这匹“黑马”的？未来这匹“黑马”是否能变成“天马”带我们实现那些行空的想象？近日，中国科学院深圳先进技术研究院制备黑磷晶体产量实现了单管四个数量级的增长。为此，记者采访了该院的副研究员王佳宏。四年前，刚刚从武汉大学博士毕业的王佳宏加入先进院喻学锋科研团队，如今黑磷这匹“黑马”在他们手中正在逐渐被驯服。

文、图/广州日报全媒体记者王纳 通讯员严偲偲

规模化制备实现量级突破

要想黑磷替代传统磷资源成为工业中的“主角”，规模化制备是最基础也是最关键的一步。据王佳宏回忆，早期重复前人的制备方法，单次产量还不到0.5克。

“气压太大，投料量大了容易炸管。”王佳宏介绍，黑磷的规模化制备难点主要有三方面：一是温度高，最高生长温度超过600℃；二是压力大，当原料充分挥发时产生的压力超过十兆帕甚至更多；三是腐蚀性强，反应过程中产生的蒸汽容易导致器壁损坏。

从2016年到深圳先进院工作的四年里，王佳宏带领团队解析化学气相传输机制，发掘新的反应机理，持续优化工艺参数，成功解决了系列科学问题和工程问题，产量单管单次实现了四个数量级的增长。目前工艺流程基本走通，这意味着黑磷晶体规模化制备的实验室部分将告一段落，下一步将进入和产业结合更密切的中试阶段。然而，对这样的成绩王佳宏并不满意，“我们还是很期待能有更理想的工艺，比如磷矿石被还原成磷蒸汽后，我们能将磷蒸汽直接转化成黑磷。”

如何按住躁动的“磷原子”

二维黑磷具有大比表面积、带隙调控等优势，但是黑磷上面的孤对电子和缺陷使其在水氧条件下容易发生分解、性能下降，极大地限制了黑磷的发展和应用。

“我们发现二维黑磷的边缘缺陷比较多，容易被氧化，一旦氧化后会进一步加剧它的不稳定性。”王佳宏介绍称，“黑磷边缘之所以容易被破坏，正是由于孤对电子和悬挂键太活泼。”

针对该问题，王佳宏采用构造“异质结”的方法，将黑磷破损的边缘“补”起来。具体而言，利用边缘或缺陷处磷原子的还原性，将其原位转化为较稳定的金属磷化物。进行了系列元素和反应条件的尝试以后，王佳宏发现钴和磷的作用较强，而且该异质结同时兼具很好的电催化全分解水的性能。

“补齐破损的边缘和缺陷后，材料的电化学稳定性与电化学活性均大幅提升，有效地拓展了黑磷在能源化学转化相关领域的应用。”该成果发表于材料化学领域的顶级刊物《德国应用化学》。

“不只上书架，还要上货架”

黑磷这种超级材料有什么用？也是普罗大众关心的话题。

王佳宏和他的同事们也从应用端出发，在不断地探索黑磷在光电催化与光电器件中的新应用。王佳宏告诉记者，可以将材料研发形容为电源，功能应用比喻为灯泡，在他看来，电源是基础，而灯泡的发光发热才能将电源的能量释放出来。

黑磷在新能源中的应用是目前研究方向之一。以工农业生产中的重要化学原料“氨”为例，传统的哈伯法合成氨不仅耗能高，且伴随着大量的温室气体排放。采用黑磷作为催化剂，人工构造无机仿生固氮酶，直接将氮气和水转化为氨。王佳宏所在团队同时还在探索其他类黑磷材料、具有二维单元结构材料在氢能、环境治理中的应用。

由于在黑磷材料领域的前瞻布局，王佳宏所在团队于2016年获得湖北兴发集团2500万元投资，合作开发磷化工的高端产业应用。目前双方已进入中试平台搭建，相信很快能够交出一份满意的答卷。

“作为科研人员，我始终希望自己的工作不只能上书架，还可以上货架。”王佳宏表示，开放的学术氛围、灵活的机制、与产业界密切的结合是他选择深圳先进院深造发展的重要原因；也期望未来继续发展更“硬核”的技术，为黑磷等新材料找到不可替代的“杀手锏”应用。

来源： 广州日报

国外国防科技年度重大进展之十 2020年先进材料领域十大进展

先进材料领域十大进展

一、超宽禁带氧化镓晶体管击穿电压创造新记录

2020年8月，美国布法罗大学利用聚合物钝化方法，以铁（Fe）掺杂的氧化镓（Ga 2 O 3 ）晶体为衬底，以掺杂了硅的氧化镓外延层作为沟道层，研制出一种新型超宽禁带氧化镓晶体管，可以承受超过8000伏特的电压，是目前报道的同类设备中最高的。这是自2012年首个氧化镓晶体管问世以来，超宽禁带半导体氧化镓应用研究取得的巨大成就。

二、世界首个室温超导体面世

2020年10月，《自然》杂志刊登了一项物理学研究成果，美国罗切斯特大学的科学家团队在约260万个标准大气压强条件下，在碳硫化氢材料中首次观察到了室温（约15 ）超导性。科学家制作的这种碳硫化氢材料将此前的超导温度提升了大约35 ，尽管这种材料因仍需要超高压而不具备任何直接的实际应用，但这一成果为开发较低压力下工作的零电阻材料铺平了道路，对超导现象的进一步 探索 以及实现能够应用的室温超导体具有重要的指导意义。

三、超级钢技术开发取得重大突破

2020年5月，美国伯克利国家实验室与香港大学合作的超级钢联合项目取得重大突破。这种超级钢同时提高了金属的三种性能，抗变形屈服强度达到2吉帕，断裂韧性达到102兆帕·米，均匀延展率为19%，实现了以前任何钢材都无法达到的高强度-高韧性组合性能。同时，这种超级钢生产工艺简单，成本仅为当前航空航天领域使用的马氏体时效钢的20%，可通过常规的轧制和退火工艺生产，不需要复杂的工艺路线和专用设备，有利于实现工业化生产，可广泛用于航空航天高强度支架、军用车辆结构件、高性能防弹背心等领域。

四、美陆军开发出具有超高抗冲击性能的纳米晶铜钽合金

2020年6月，美陆军开发出一种具有超高抗冲击性能的铜-3钽合金。这种材料具有极稳定的纳米晶结构，可承受高达15吉帕的冲击载荷，层裂强度比微米晶材料高3倍，稳态蠕变速率小于10 -6 /秒，并具有出色的导热、导电与抗核辐射能力，在航空发动机、装甲防护、深空探测航天器、交通运输工具和基础设施等领域具有广泛应用前景。该合金的纳米晶结构稳定技术以及大规模生产工艺，还可拓展用于铁基材料或镍基材料，有望突破当前纳米晶金属的力学性能和功能极限，为耐高温的超高强度纳米材料技术开发开辟广阔空间。

五、俄罗斯开发出航空发动机叶片用超强合金

2020年7月，俄罗斯联合发动机制造集团采用一种特殊的变形加工工艺生产航空发动机用钛合金叶片，得到的钛合金新叶片强度提高了20%，预计寿命将增加2 3倍。新方法采用在超高压（最大6吉帕）下变形的方法得到超细晶粒，并避免叶片延展性的下降。新叶片可以承受巨大的振动压力、轴向和循环压力，显著提高飞机动力装置的可靠性和耐久性，未来将安装在PD-14发动机上，并计划在俄罗斯新型MS-21客机上使用。

六、新型聚合物复合材料可为载人太空 探索 提供辐射防护

2020年5月，美国北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种嵌入三氧化二铋（Bi 2 O 3 ）粒子的聚合物复合材料，该复合材料以44%三氧化二铋为基体，采用紫外固化法，与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）复合而成，能有效防护伽马射线等电离辐射，并具有高强度、轻质、无毒、低成本等优点，可以替代铅等常规辐射防护材料，用于人类太空 探索 、医学成像和辐射治疗等的辐射防护。

七、块状金属玻璃合金制造的齿轮箱可在太空极端环境下工作

2020年4月，NASA披露正在开展“块状金属玻璃齿轮”（BMGG）项目，以研发一种块状金属玻璃合金，用于制造可在太空极端环境下工作的特殊齿轮箱。BMGG金属玻璃合金独特的成分和非晶态原子结构使其比陶瓷更坚韧，强度是钢的2倍，并具有比二者更好的弹性。采用该合金开发的齿轮箱能够在不需要加热和润滑剂的情况下，在-173 的行星表面温度下工作，应用于火星巡视器，可以使巡视器的夜间操作成为可能，且节省电力。NASA目前正在与工业界密切合作，制定材料规格，以使块状金属玻璃合金的供应链变得更加成熟。

八、美国批准用于高温反应堆的新型合金材料

美国机械工程师协会已批准将“617合金”列入《锅炉和压力容器规范》，这意味着由美国爱达荷国家实验室开发的这种合金可用于拟议的熔盐堆、高温反应堆、气冷堆或钠反应堆。这是美国30年来首个添加到规范中的新材料。该材料由镍、铬、钴和钼混合组成，由爱达荷国家实验室耗用12年的时间开发而成。据称，之前获准的高温材料不能在750 以上使用，而“617合金”可以在高达950 的条件下使用。“617合金”提供了更大的工作范围，可以满足更高温度的反应堆设计。

九、新型二维半导体晶体管效率提升10倍

2020年5月，瑞士洛桑联邦理工学院利用二维半导体材料二硒化钨（WSe 2 ）和二硒化锡（SnSe 2 ），构成WSe 2 / SnSe 2 异质结，制备出2D / 2D隧穿晶体管。该晶体管可在非常低的电压供电情况下，实现比由相同2D半导体材料制成的标准晶体管更高的性能，效率比传统晶体管高约10倍。

十、俄罗斯开发出熔点在4000 以上的高温陶瓷材料

2020年5月，俄罗斯国立 科技 大学的研究人员开发出一种熔点在4000 以上的超高温陶瓷材料，该材料为碳酸铪的一种，化学式为HfC 0.5 N0 .35 ，具有21.3吉帕的硬度。该材料有望用于飞机耐高温部件，如机头整流罩、喷气发动机和高超声速飞机的机翼前缘。

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发现“石墨烯”是超级材料的俄罗斯诺贝尔奖获得者是谁？

2010年诺贝尔物理学奖将授予英国曼彻斯特大学两位俄裔科学家：安德烈。海姆和康斯坦丁。诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料开发领域的“突破性研究”。这种最薄、也最坚硬的“超级材料”来自于常见的铅笔芯。

最薄但也最硬

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，这种二维石墨晶体薄膜的厚度只有一个碳原子厚，强度却是钢材的100倍。它是目前室温导电速度最快、力学强度最大、导热能力最强的材料。

2004年，以铅笔芯主要成分———石墨为实验对象，海姆和诺沃肖洛夫成功通过机械微应力技术，将石墨分离成较小的碎片，最终得到了石墨烯这种新型超薄材料。当时，两人领导的研究小组利用透明胶带，将一张纸上的铅笔笔迹进行反复粘贴与撕开，这使得石墨片的厚度逐渐减小，最终他们通过显微镜在大量的薄片中寻找到了厚度只有0.34纳米的石墨烯，而20万片石墨烯加在一起，才相当于一根头发丝。

推动电子革命

瑞典皇家科学院称，石墨烯将推动新型材料的研发，并引发电子产品的新革命。“由于它基本上是透明的，而且有极好的导电性，石墨烯很适合制作透明的触摸屏，轻型显示屏，甚至太阳能电池。”

诺贝尔奖委员会发言人称，通常诺奖只奖励那些已经得到广泛实际应用的研究成果，但这一次，委员会强烈认为，应当明确认可石墨烯这种有巨大潜能的新型材料。

海姆现年51岁，拥有荷兰国籍，诺沃肖洛夫则年仅36岁，拥有英国和俄罗斯双重国籍，两人都出生和长大在俄罗斯。诺沃肖洛夫则是1973年以来最年轻的诺奖获得者。