[读懂科学]寻找拯救人类的“梦幻材料”

Published 28 Aug.2023 08:11(KST)

室温常压超导体争议引发对“未来材料”关注
为攻克技术难题，新材料研发如火如荼
石墨烯、MXene、超材料、钙钛矿受瞩目
我国也全力推进百大新材料研发

这是一个“材料”决定未来的时代。最近曾闹得沸沸扬扬的常温常压超导体争议，归根结底也是围绕是否开发出一种全新的“材料”。很多人甚至不知道什么是超导体，却因“可以拯救地球”“韩国可以成为G1国家”等希望而兴奋不已，相关题材股应运而生，至今仍在大幅波动。这是一场折射时代状况的风波。为了实现人类的可持续发展，即克服气候变化、资源枯竭、环境污染等问题，并在日益激烈的技术霸权竞争中生存下来，人们越来越意识到，必须依靠打破既有极限的尖端未来材料。下面来看看，有哪些有望“拯救人类”的尖端未来材料。

顺应电场并行竖直取向的下一代新材料——MXene 纳米片示意图。资料图。

“解决技术难题的手段”

目前支撑人类生存与繁荣的产业技术，正纷纷遭遇瓶颈。以半导体为例。为了满足人工智能（AI）、自动驾驶、物联网（IoT）、大数据等应用，需要具备大容量、超高速的性能。传统硅材料半导体通过缩小线路线宽、提高单位面积集成度来提升性能，但如今已难以再进一步微缩。在一个晶体管的尺寸只有两三个原子大小的水平上，要让电信号不从其他地方泄漏并精确工作，控制难度极大；由发热引起的性能下降和电力消耗也愈发难以承受。要破解这些技术难题，必须有与既有物质完全不同特性的全新材料。经常发生火灾且安全性严重堪忧的二次电池液态电解质，以及效率偏低且刚性较大的传统太阳能电池，也都已经触及“极限”。

因此，科学家们正通过创造新物质或对既有物质进行合成，来制造出具备全然不同特性的材料，以突破极限之墙。其中一个代表，是“下一代太阳能电池”核心材料——钙钛矿类物质。它是对一类具有19世纪俄罗斯矿物学家Lev Perovski在乌拉尔山脉发现的矿物所呈现的分子结构（即所谓ABC3结构）的物质的统称。这类物质由两个阳离子，各自与三个氧元素或卤素元素（Cl、Br、I）结合而成。其特点是热导率高、柔性好，因此主要被大量应用于太阳能电池材料开发。不过，它具有在空气中吸收水分的吸湿性，导致性能衰减，这是一个缺点。目前，利用钙钛矿开发下一代太阳能电池的研究十分活跃，韩国以创下世界最高水平的光电转换效率（韩国化学研究院·18.24%）领跑相关研究。最近，浦项工科大学还成功开发出钙钛矿晶体管。

寻找“物性之最”

被列为“梦幻材料”之首的，还有石墨烯（Graphene）。其名称源于原料石墨（graphite）。它是一种与金刚石一样，仅由碳原子构成的碳同素异形体（Allotropy）。石墨烯由每个顶点连有3个原子的sp2键构成的六角形蜂窝状结构彼此相连，形成二维平面结构，理论上是一层仅有一个原子厚度（约0.2纳米）的极薄薄膜。石墨烯的物理性质优异到被称为“现存最强”。它的导电性比铜高出100倍以上，电子迁移速度比硅高出100倍以上；强度比钢强200倍以上，热导率也比此前被视为最高的金刚石高出两倍以上；即便弯折或拉伸，也能保持电学性质不变，具备极为出色的弹性。

石墨烯自1947年起在理论上已为人所知，却始终无人真正制备成功。直到2004年，人们发现只需用透明胶带黏贴并撕离石墨，就能简单地将其分离出来，这一方法最终促成了2010年诺贝尔物理学奖的诞生，成为著名的科学轶事。目前围绕石墨烯在二次电池、触控面板、柔性显示、高效太阳能电池、散热膜、涂层材料、超薄扬声器、二次电池电极、超高速充电器等众多领域的应用，研究开发正在持续推进。不过，现有的化学气相沉积法、化学机械法、电化学氧化-还原法等工艺流程复杂、成本高昂，难以实现大规模量产，这是主要短板。因此，关于大规模生产工艺的研究也在持续进行。此外，石墨烯在医疗领域的应用也十分广泛。不仅可凭借其优异物性弥补既有医疗器械的不足，还可作为替代和再生受损组织的组织工程材料，以及用于治疗人体多种疾病的功能性材料，相关研究十分活跃。

人类手艺，直逼“造物之手”

在新材料领域中，超材料（Meta Material）也是必须理解的关键概念。所谓超材料，是指在自然界中并不存在的原子结构，由人类人工构筑而成。在原子尺度上，人们可以随意调控物体的精确形状、结构、尺寸及排列方向等，从而决定物质的特性。借此，可以让材料对能量波——包括光、电磁波、地震波、声波等——呈现负折射率，使其实现吸收、反射或衍射等奇异行为，从而制造出性能惊人的物质。电影中的“隐形斗篷”如今已部分成为现实：通过折射光线，使其不被反射而绕行，从而让对方看不见物体。这项技术可以用于军事领域的隐身（Stealth）技术。最近，浦项工科大学与三星电子利用这一技术成功制备出超薄镜头（厚度1微米），为解决智能手机镜头“凸出机身”的问题找到了突破口。传统凸透镜无论如何缩小，至少也要有1厘米厚度才能聚光。而超材料不仅如此，还在电子工程、电磁学、经典光学、微波与天线工程、量子电动力学、材料科学、纳米科学、半导体工程等领域展现出几乎无限的应用潜力。

超材料。资料图。

近期由韩国本土研究团队掌握大规模生产技术的“麦辛”（MXene）也不容忽视。它是一种在2011年首次被发现的、具有二维平面结构的陶瓷材料，是对由过渡金属与碳或氮结合而成的原子层新物质的总称。该材料拥有优异的导电性和储能特性、亲水性、对气体高度敏感的电化学特性，以及在摩擦时吸收电子的能力，既能屏蔽电磁波、净化水，还具备阻隔细菌的功能；化学安全性和物理耐久性都极为出色，是最为坚固的材料之一。它可用作锂离子电池电极、电化学电容与赝电容器（同时利用静电与化学反应的储能装置）等储能装置的材料，也可作为增强复合材料、催化剂与过滤材料等使用；在海水淡化、废水处理、可穿戴等便携式设备用摩擦纳米发电机、导电涂层材料、传感器等方面的应用前景也极为广阔。