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材料最前沿：航空航天復合材料、石墨烯導電膠水、時間晶體、二維“奇跡”材料、無損超材料……

2017-03-07 12:14:21 作者：本網整理來源：戰略前沿技術分享至：

航空航天復合材料處于新時代

【據復合材料世界雜志2017年2月24日報道】在過去10年，航空航天工業是設計創新和技術引入的時代，從空客A380開始，跟著波音787和空客A350。但是重要的改變正在來臨。我們正進入一個新時期，不再關注上述這些而是“更快、更便宜、更快”的主題。過去的10年是創新，下一個10年將是生產率，這一改變將需要來自航空航天供應商的不同成功因素。

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世界所有市場領域的飛行器生產價值1800億美元，在2021年達到約2100億美元的峰值，之后會變慢。好消息是航空航天仍是一個增長的市場，這是在金融危機中唯一增長的主要資本商品行業。大型噴氣客機占了一半市場價值，軍用領域還是一個增長曲線。但是應關注商用空中運輸市場，這是航空復合材料的主要使用范圍。

我們在一個很不尋常的時期：過去幾年簽訂了數量巨大的飛機訂單，這些訂單主要是由高燃油價格和超低資本成本驅動的。航空公司想要更高效的飛機來平衡油價并且能負擔它們。盡管油價從2012年開始走低，持續的低利率繼續支持了機隊資本重組和當前的飛機訂單。降低的油價確實影響雙通道飛機，使用舊飛機飛行會更便宜，因此787這樣的大型雙通道飛機訂單儲備減少。但是單通道飛機訂單出現了歷史紀錄，包括空客320和波音737。波音和空客想要達到每月60架單通道飛機的生產速度，因為這是當前的主要收入來源。

波音/空客雙強壟斷依賴于單通道飛機銷售占其利潤絕大多數，是增加產量的動機。兩家公司一直在進行市場份額競爭。因此，兩家都低于標價供應單通道飛機，A320和737的實際價格事實上自2002年以來沒有變化。兩家OEM廠商現在關注增加其利潤，到15-20%的利潤率水平。

波音和空客正執行一系列計劃，包括增加更高利潤率的服務（售后）收入，這將可能導致收購服務公司。其它則包括通過波音“成功合作伙伴”這樣的計劃加之更好的勞工協議、更多自動化和精益項目，降低供應成本。在航空結構中，OEM的戰術將包括重新設計零件、使用低成本工藝、材料替代、強硬的商業合同和回收更多廢料。當前時期極為關注成本，降低成本以追求利潤。預計會有更多類似汽車行業的操作和實踐。

所以，這對供應商的影響是？一般來說，航空航天供應鏈包括30-60家一級供應商，負責系統集成；上百家二級供應商，制造主要部件；上千家三級供應商，負責零組件；20-50家四級供應商供應材料和工藝（金屬和復合材料預浸料）。OEM只喜歡和一級供應商交易，所以這些供應商是OEM供應鏈計劃的首要對象，它們在定價和選擇客戶垂直集成方面面臨諸多壓力。這將導致一級供應商未來持續整合。二級供應商將面臨一級供應商的向下擠壓和四級供應商的向上壓力，對于他們來說開發“致勝的商業模式”和差異化競爭能力非常重要。三級供應商太多，摩擦是一定的，整合也將發生在這一層級。不過，四級供應商近乎完整。

如果我們來看航空航天原材料需求，2015年總計70.7萬噸，復合材料需求占到3.22萬噸，或者約5%。預計到2020年，復合材料5%的需求份額將每年增長6%，鈦是年增4%。所有材料合起來的“采購與飛行質量”之比約為6:1。由于設計和工藝改進，復合材料的這個比值要少些，在1.2:1到1.4:1之間，幫助其增長。

2016年發生的航空航天相關事件中，有兩件似乎確認了將發生在市場的變化論調。最主要的是波音在華盛頓州艾弗里特開設復合材料機翼中心。波音將機翼制造重新帶回美國并且讓機翼制造與設計流程如此接近，預示著一級供應商未來將沒有機會制造機翼，只能做利潤更少的項目。

另一個是就是龐巴迪向瑞士航空交付首架C系列單通道飛機。該飛機是業界首款鋁鋰合金機身以及浸漬工藝制造復合材料機翼的飛機。鋁鋰合金比鋁本身的密度低很多，在低成本下比復合材料具有更高損傷容限。這可能意味著單通道飛機的重大材料變革。復合材料行業必須警醒自己在未來年份中，供應航空航天組件面臨更嚴峻的條件。

（來源：國防科技信息網，作者：中國航空工業發展研究中心劉亞威）

石墨烯用做導電膠水

膠水，作為連接兩種材料的中間體，在生產生活中有著廣泛的應用。傳統膠水一般含有復雜的高分子成分，在高溫或腐蝕環境中的應用受到很大限制，且多數不具有導電性能。碳納米材料如碳納米管和石墨烯，具有高比表面積以及出色的機械強度和柔性，是制備新一代高性能納米膠水的候選材料。之前，研究人員開發了類似于壁虎爪結構的碳納米管陣列干膠，利用碳納米管的納米級末梢產生范德華力，實現對光滑表面的強吸附和粘接。石墨烯，作為典型的二維層狀納米材料，也可能有類似的性能，其平面原子結構和良好的柔性（貼合于表面）使得它與接觸表面之間也能產生較高的范德華力，因而可以用來制備超薄導電膠水。

近期，北京大學工學院曹安源教授課題組在ACS Nano 雜志上發表文章，利用氧化石墨烯溶液作為膠水電極，將三維納米多孔材料如碳納米管海綿粘接在硅片或金屬等不同基底的表面，只需一層薄薄的氧化石墨烯便可實現牢固的粘接，而且不會滲入海綿內部的孔隙中。經高溫或化學還原后，該粘接層具有良好的導電性，為基底和粘接物之間提供了導電通道，同時還保持著高的粘接強度。

該研究提出的氧化石墨烯導電膠水，具有成分簡單、易操作、超薄、不滲透、耐高溫、導電性優異等特點，在開發新型功能納米器件，如柔性傳感器、三維多孔電極中具有潛在應用價值。

（來源：X一MOL資訊）

諾獎得主預言得到證實：發現一種嶄新的物質形態——時間晶體

“時間晶體”（time crystal）是由諾貝爾物理學獎得主、理論物理學家弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）于2012年首先提出的概念。它是什么？如果說一般晶體最核心的特征是空間上的周期性重復特征，那時間晶體就不僅存在空間上的重復，而且存在時間上的重復。更奇怪的是，它們處在持續振蕩的狀態中，卻沒有任何能量。

目前，這個概念已經得到學界的證實！去年8月，加州大學伯克利分校的物理學家Norman Yao及合作者詳細報道了如何制造與刻畫這種奇特的晶體，將論文發布在預印本網站arXiv上，近期發表在物理學權威期刊《物理評論快報》（PhysicalReview Letters）上。而實驗科學家在看到發布在arXiv上的這篇論文后也開始進行實驗研究，已有兩組獨立科學家團隊表示，他們已經根據這一藍圖在實驗室中制造出時間晶體，證實了這個全新物態的存在。

這個發現聽起來可能很抽象，但它卻預示著物理學的一個全新領域的存在。幾十年來，我們一直研究的都是處于“平衡態”的物質，比如金屬與絕緣體間的平衡。然而，科學家認為，宇宙中應該還存在著一些處在非平衡態的奇特物質，時間晶體就是其中一種。我們之前很少研究這些物質，但是現在我們知道這樣的物質是真實存在的。

這第一例非平衡態物質的發現，將幫助我們更加深刻地理解周圍世界，并且有助于我們理解新興的科學技術，如量子計算。該項工作的主要研究者，來自加州大學伯克利分校的Norman Yao認為：“時間晶體帶給我們的驚喜不僅在于它證明了新的物態的存在，更在于它說明了非平衡態物質的存在。20世紀后半葉，我們一直在研究金屬-絕緣體等平衡態物質，現在我們才開始探索非平衡態物質這一全新領域。”

什么是時間晶體？

事實上，時間晶體的概念并非近年才提出，讓我們先來回顧一下時間晶體概念的發展。

2012年，諾貝爾物理學獎得主、理論物理學家弗蘭克·維爾切克首次預測了時間晶體的存在。普通晶體擁有在空間中重復排列的原子結構，例如鉆石中的碳晶格。但是愛因斯坦的相對論告訴我們，世界是四維的，除了三維的空間之外，還有第四維度，也就是時間。因此，維爾切克就在想，會不會有在時間上重復的晶體呢？經過計算，他認為這類晶體不僅存在，而且具有一種奇特的性質：它在基態時也會維持振蕩的狀態。

通常情況下，當物質處于基態、也就是系統的零點能時，理論上是不可能發生運動的，因為運動需要消耗能量。但是維爾切克認為，這一通常假設并不適用于時間晶體。

時間晶體就像果凍一樣，你輕輕一碰，它就一直抖動。但是這種運動的不同之處在于，它不消耗任何能量。時間晶體就像是在自然的基態條件下持續振蕩的“果凍”，它不可能保持靜止，這使得它成為一種擁有全新物態的非平衡態物質。

創造時間晶體

但是，預測時間晶體的存在是一碼事，創造時間晶體完全是另外一碼事，這也是新研究的切入點。

Yao及其團隊詳細描述了如何創造并衡量時間晶體的特性，他們甚至預測出了時間晶體的多種物相的特點。這意味著他們已經找到這種全新物質形態中等價于固相、液相、氣相的物態。該研究成果發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters，PRL），Yao認為他們的文章是“理論觀點與實驗驗證之間的橋梁”。

時間晶體的存在不再只是推測。基于Yao的實驗方法，來自馬里蘭大學與哈佛大學的兩個獨立團隊已經創造出各自的時間晶體。他們都已于去年年底在arXiv上發布了結果，并已向同行評審期刊提交了論文，這兩篇論文的作者里都列上了Yao的名字。

在論文未發表前，我們理應對這兩項研究保持一定的懷疑。但是，兩個獨立團隊已經采用相同的方法在差異巨大的系統中創造出各自的時間晶體，這一結果確實令人振奮。

馬里蘭大學的時間晶體是通過將十個鐿離子排成一列，并使它們的電子自旋相糾纏而得到的。

將這樣排列的鐿離子變為時間晶體的關鍵是使這些離子保持在非平衡態，為了達到這一目的，研究者們用兩束激光對其進行交替照射。一束激光用于創造磁場，而另一束激光則用于快速地翻轉部分原子自旋方向。由于所有原子的旋轉糾纏在一起，這些原子最終進入一個穩定、重復的自旋翻轉模型中，成為晶體。

上述過程不足為奇，但要創造時間晶體，系統必須打破時間對稱性。在觀察鐿原子排列時，研究者們注意到了一些奇特的現象：定期照射鐿原子的兩束激光使鐿原子系統產生了一種周期性重復，這一周期是激光照射周期的兩倍，在通常的系統中觀察不到這樣的現象。

“如果你輕輕晃動吉露果子凍，卻發現它以不同的頻率抖動，這不是非常奇怪嗎？”Yao說道。“但這就是時間晶體的本質特點。當一個系統接受以T為周期的周期性驅動時，系統會產生一種‘同步’，因此你會觀察到系統以大于T的周期在振蕩。”

在不同的磁場和不同的激光脈沖中，時間晶體會發生物態改變，就像冰塊融化一樣。

哈佛大學的時間晶體則與此不同。研究者們利用了鉆石中緊密包裹的氮-空位中心制造時間晶體，得到與馬里蘭大學相同的結果。

印第安納大學的Phil Richerme并未參與該項目的研究，他認為：“在兩種非常不同的系統中都得到時間晶體這一事實表明時間晶體是一種全新的物質狀態，而不僅僅屬于有限或特定的系統。在不同的系統中均觀察到時間晶體這一事實證實了對稱性破缺基本可以發生在所有自然領域中，同時也為一些新領域研究開辟了道路。”

（來源：環球科學）

二維“奇跡”材料瘋狂玩轉柔性科技

一種新型的2D奇跡材料將有助于制造柔性、高效、更小的電子器件。英國華威大學的研究者們已經研制出了一種新的技術來測量平整、原子級薄的、高導電性的、極強的2D材料堆疊的電子結構。

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以異質結構聞名的2D材料具有多個堆疊層，可以產生帶有超快電荷的高效光電子器件，其可以被用在納米電路中，并且比傳統電路中的材料更為強大。

物理系的教授Neil Wilson博士，研制出了一項測量堆疊中每層電性能的技術，這使得研究者們可以建立最佳的結構，從而實現最快、最有效的電能傳輸。

Wilson在一項聲明中說：“能夠第一次看到原子薄層中的相互作用是如何改變它們的電子結構，這是十分令人興奮的。這項研究也證明了交叉研究的重要性，如果沒有美國和意大利同事，我們也不可能實現這一成果。”

根據這項研究，通過將不同二維半導體的單層結合到異質結構中，研究者們有可能創造出新的現象和器件。通過理解并利用這些現象，研究者們可以確定層間激發的電子結構和性質。通過使用合理的器件設計和亞微米角分辨光電子發射光譜（μ-ARPES），再結合光致發光，研究者們還能確定MoSe2/WSe2中異質雙層的關鍵未知的參數，他們發現K點谷中的價帶與300meV的價帶補償微弱雜交，這意味著II型價帶的對準。Wilson的技術使用光電效應來直接測量每個層內的電子動量，并且展示了當層間結合時其如何改變。

了解和量化2D材料異質結構如何工作和最佳創造光學半導體結構的能力，為納米電路和更小、更柔性、更可穿戴的小工具的高效發展鋪平了道路。由于原子級薄層可以允許最小量光伏材料的強吸收和有效能源轉化，該材料還可以助力于太陽能革命。

（來源：材料人）

由純的bis-PCBM異構體輔助晶體工程得到高效高穩定鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦太陽能是近幾年興起的一類具有巨大應用前景的太陽能電池，它具有光電轉換效率高、成本低以及制備工藝簡單等突出優點。效率已經從最開始的3.8%快速增長到現在22.1%。

但是穩定性依然是鈣鈦礦電池迫切需要解決的一個問題。對鈣鈦礦薄膜質量的優化是解決穩定性的一個有效辦法。但是很少有研究表明電池可以在熱和光照下同時保持住穩定性。

2月27日，天津大學的王世榮教授，英國皇后瑪麗學院的T. John S. Dennis博士，瑞士洛桑聯邦理工的Dongqin Bi博士和Michael Gr?tzel教授（共同通訊作者）在Advanced Materials發表了題為“Isomer-Pure Bis-PCBM-AssistedCrystal Engineering of Perovskite Solar Cells Showing Excellent Efficiencyand Stability”的文章。作者先用循環高效液相色譜從bis-PCBM中分理處純的異構體α-bis-PCBM（Chem. Commun., 2017, 53, 975），并將用在反溶劑中制備基于（FAI）0.81（PbI2）0.85（MABr）0.15（PbBr2）0.15的鈣鈦礦太陽能電池，電池得到了20.8%的光電轉化效率，并且在高溫和光照下表現出了優異的穩定性。電池在65℃下經過44天效率下降小于10%，在 1太陽照度下最大功率點在室溫下連續運行600h后仍保留了初始值的96%。

（來源：材料人）

美國加州大學制備出無損超材料可以使激光更高效

【據激光電子世界2017年2月27日報道】美國加州大學圣地亞哥分校（UCSD）工程師開發了一種材料，可以減少光子器件中的信號損失。該成果有可能提高各種基于光技術器件（包括光纖通信系統、激光器和光伏電池）的效率。工程師說，這個發現解決了光子學領域最大的挑戰之一：盡量減少器件中稱為等離子體超材料的光學（光基）信號損失。

等離子體超材料是納米級工程化的材料，以不尋常的方式控制光。它們可用于開發從隱形斗篷到量子計算機等不同種類的器件。但是，超材料通常含有金屬，因此會將從光吸收能量轉化為熱。最終結果使一部分光信號被浪費，降低了器件效率。

在自然通信期刊最近發表的一項研究中，UCSD雅各布工程學院的電氣工程教授Shaya Fainman領導的一個光子學研究團隊展示了一種彌補這些損失的方法，將超材料并入到半導體中。

Fainman研究團隊中的電氣工程博士后學者及本研究的第一作者Joseph Smalley說：“我們用半導體的增益抵消金屬帶來的損耗，理論上這種組合可能導致信號的零凈吸收——一種‘無損’超材料。”

在他們的實驗中，研究人員將紅外激光照射到超材料上。他們發現，根據光的偏振方式 ——哪個平面或方向（上下和左右）的所有光波被設置為振動——超材料反射或發射光。

“這是第一種同時作為金屬和半導體的材料。如果光是一種偏振光，超材料會像金屬一樣反射光，當光以另一種方式偏振時，超材料會像半導體一樣吸收光并發射出不同顏色的光。”Smalley說。

研究人員通過首先在襯底上生長稱為磷化銦鎵砷的半導體材料晶體來創建新的超材料。然后，使用來自等離子體的高能離子在半導體中蝕刻窄溝槽，形成間隔40nm、寬40nm的半導體陣列。最后，用銀填充溝槽以產生半導體與銀交替的納米條紋的圖案。

“這是制造這種超材料的一種獨特方法。”Smalley說。具有不同層的納米結構通常通過將每個層彼此分開地沉積而制成，“像桌子上的一疊紙。”Smalley解釋說。但在本研究中使用的半導體材料（銦鎵砷化物）不能只在任何襯底（如銀）的頂部生長，否則會有缺陷。“我們沒有創建交替層的堆疊結構，而是想出了一種并排排列材料的方法，像文件柜中的文件夾，保持半導體材料無缺陷。”

下一步，團隊計劃研究這個超材料及其變體可在多大程度上改善目前光子應用中的信號損失。

（來源：國防科技網工業和信息化部電子科學技術情報研究所張慧）

全球首臺采用碳纖維復合材料制成的機器人系統問世

Exechon公司是由美國洛馬公司、瑞典Tecgrant AB公司，以及阿布扎比的工業平臺組織Injaz National共同成立的一家合資公司，在最近召開的阿布扎比防務展上，在洛馬公司站臺展出了該公司生產的世界首臺采用碳纖維復合材料制成的XMini機器人智能五軸加工機床，旨在實現目前航空航天領域自動化制造范式的轉變。

此次展出的設備融合了關節機器人的靈活性、高動態性和剛性機床的高剛度、高精度特性，該機器人設備采用了碳纖維增強復合材料，可以在傳統上機器或人難以接近的空間（如飛機機翼翼盒）內進行拆卸和組裝。該設備應用了并聯加工（PKM）技術，可以作為獨立工具，也可以輕松集成到現有生產系統中。

特點包括：

高速/低扭矩，低速/高扭矩加工能力；

7kN切削力；

加速度為3G；

定位精度±10微米；

XMini是由Exechon 公司開發的第一個產品，該公司正在建立一個工程制造中心，以在航空航天、國防、汽車以及其他工業領域推進這項技術，該設備將于2017年在馬斯達爾科學技術研究所（馬斯達爾城，阿聯酋阿布扎比）正式啟用。Exechon首席執行官Kalle Neumann說，Exechon總部位于阿聯酋，旨在培育本地創新，加快該地區工業自動化和機器人制造的發展。XMini是在阿布扎比當地制造，而面向國際航空航天、國防和汽車市場。洛馬導彈火控公司的執行副總裁Rick Edwards說，我們很高興能與當地專家合作，共同開發XMini，以加強本地制造能力。該設備研發也反映了洛馬公司承諾支持阿聯酋成為領先的自動化制造技術領先供應商的目標，Injaz National董事長說，該設備開發是我們國際合作的重要一步，將這項新技術和制造能力帶到阿聯酋。我們期待著繼續合作，以對整個阿聯酋經濟產生更有意義更持久的影響。

（來源：北方科技信息研究所，作者：李曉紅）

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室研究高性能碳纖維復合材料構件3D打印技術

【據3ders網站2017年3月1日報道】美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）研究人員成功采用3D打印技術制造出航空航天級碳纖維復合材料構件，成為全球首個開展此項研究的實驗室。這項研究于2017年2月28日在《自然》雜志旗下期刊《科學報告》上發表。文章介紹了該實驗室采用微擠壓（micro-extrusion）3D打印技術進行復雜碳纖維復合材料構件成形的具體過程。

碳纖維復合材料在強度、重量和耐高溫等方面性能卓越，但一直難以用于生產復雜形狀構件。通常，碳纖維復合材料構件通過沿著芯軸纏繞纖維或通過將碳纖維編織在一起而制成。這些方法雖然有效，但制成的構件僅限定為扁平狀或圓柱形。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室研究出一種創新的直寫（direct ink writing）工藝，稱其為Robocasting。該項創新工藝有兩個關鍵點：一是開發一種具有自主知識產權的、新的化學物質，能夠在幾秒鐘而不是幾小時內實現材料固化；二是利用勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的高性能計算能力，對流經3D打印機墨水噴嘴的數千根碳纖維絲進行模擬，準確預測碳纖維絲的流動，允許研究人員確定在實際成形過程中如何最佳地排列纖維。

經改進的3D打印工藝以及模擬仿真過程可實現采用碳纖維復合材料精確成形更復雜構件，也能更好地控制3D打印部件的細觀結構（mesostructure）。這樣，能夠使用導電碳纖維材料3D打印高性能飛機機翼、一側絕緣的衛星構件（無需旋轉）、絕緣穿戴設備等部件。此外，此項新技術的最大前景之一是，可以允許碳纖維在成形過程中保持方向一致，與碳纖維任意排列的構件性能相比，所成形構件性能更高，且保持同等強度性能所需碳纖維用量減少2/3。

目前，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室研究人員正在繼續改進和優化此項創新工藝。據報道，研究人員已經與民用、航空航天和國防領域合作伙伴接洽，進一步推進碳纖維3D打印技術。

（來源：國防科技信息網，作者：北方科技信息研究所李曉紅）

硼烯研究取得重大進展

就在三年前，電氣與電子工程師協會網站報告了生產二維（2D）硼的第一個試驗性成果，這種硼被稱為硼烯。從那時起，關于硼烯的大部分研究工作都是材料合成以及性能表征。

現在位于2D材料研究前沿的美國西北大學教授Mark Hersam領導研究人員，開展了一個重要實驗研究，不僅僅是表征硼烯，而是已開始利用硼烯制造納米電子器件。

在科學進展雜志對本研究的描述中，Hersam的團隊首次將硼烯與另一種材料組合以創建異質結構，這是電子器件的基本結構單元。由于這項工作代表了基于硼烯的異質結構的第一次演示，研究人員認為它對正在進行的及未來開展的使用硼烯用于納米電子應用的研究具有指導意義。

該異質結構是多個異質結的組合，其中不同2D材料層之間相互貼近。通過將具有不同性質的材料層疊在一起（例如絕緣體、導體），可以定制異質結構的電子性質以產生功能器件。

當然，有越來越多的2D材料形成異質結構，但硼烯在2D材料的“平地”中提供了相當罕見的質量：它是一種2D金屬。

Hersam在一份IEEE Spectrum的電子郵件采訪中說：“作為二維金屬，硼烯有助于填補2D納米電子材料系列的空白。從根本上說，硼烯也很有趣，因為沒有硼的3D層疊式結構（即沒有石墨式結構的硼）。因此，硼烯在2D材料中是相對獨特的，因為它僅以原子層結構存在。

雖然這是硼烯的一個有趣的屬性，也使它在合成時面臨挑戰，因為只能在純凈、超高真空環境中進行。硼烯具有相對高的化學活性，也對在環境條件下處理它提出了挑戰。

Hersam認為，這個研究的關鍵結果之一不僅僅是將硼烯與半導體結合，而且更好地了解硼烯的化學性質，將使其變得更容易操作。

”我們正處于硼烯研究發展的早期階段。“Hersam說。”最初我們合成了該材料，現在我們正在了解其化學性質以及如何將其與其他材料集成。在電子應用中實現硼烯的全部潛能之前，需要更多的工作。“

雖然西北大學的研究人員已經開發了一種基于超高真空（UHV）的工藝來形成基于硼烯的異質結構，但它們只能在UHV環境中可靠地處理材料，為實驗帶來挑戰。

Hersam認識到，他們需要開發可靠的封裝和/或鈍化工藝，允許硼烯從UHV環境中移出，使得器件實際上可以被制造和測試。

另一個大的挑戰：如何將硼烯從最初的銀生長襯底轉移到電絕緣襯底。

Hersam補充說：”當硼烯在銀上（兩者都是金屬的）時，銀襯底會使硼烯短路，這對任何器件應用都會造成嚴重的問題。“

（來源：國防科技信息網，作者：張慧工業和信息化部電子科學技術情報研究所）

納米工程師利用3D打印技術快速制造出仿生血管網絡

【據科學日報網2017年3月2日報道】近日，以加州大學圣地亞哥分校陳少晨（音）教授為首的納米工程研究團隊解決了生物組織工程中最大的挑戰：制造出可為組織和器官供血的逼真的血管，用于輸送營養物質、代謝產物和其它生物材料，為器官安全植入體內打下重要基礎。這項研究近日發表在《生物材料》期刊上。

此前，已經有其他實驗室的研究人員使用不同的3D打印技術制造人工血管，但利用這些技術打印速度慢、價格昂貴，而且只能生產單一血管這樣的簡單的生物結構，這些打印的血管還不能與人體自身的血管系統兼容。

”幾乎所有的組織和器官都需要血管供血才能正常生存和工作。這是在器官移植的一大瓶頸，需求量大，但供應不足，“ 陳少晨說，”3D生物印刷技術可以幫助解決這一難題，我們的實驗室已經朝著這一目標邁出了重要一步。“陳教授是加州大學圣地亞哥分校納米生物材料和組織工程實驗室主任。

陳少晨教授的實驗室3D打印出的血管網絡具有很多分支血管，可以與人體自身的血液循環網絡實現兼容整合。

陳少晨教授研究小組開發出了一種創新的生物打印技術，利用自制的3D打印機，快速生成復雜的三維微觀組織，可模擬生物組織的復雜的設計和功能。陳少晨教授實驗室過去已經利用這種技術打印出肝組織，在體內可以檢測和清除毒素。

研究小組使用醫學影像技術創建了一個與動物體內血管網類似的三維生物結構數字模型，然后利用計算機將其分解成數以百萬計的二維薄層。利用計算機控制紫外光照射到含有活細胞和光敏聚合物的溶液中，使聚合物固化，活細胞則附著在聚合物周圍，形成一層含有活細胞的二維聚合物層。通過連續掃描的形式，二維聚合物層逐層累積，逐漸形成三維固體聚合物材料封裝活細胞結構，最終發展成生物組織。

整個過程僅需幾秒鐘。相比于其他的3D打印技術通常需要數小時來打印簡單的結構，這是一個巨大的進步。而且，該團隊使用的是廉價的生物相容性材料。

基于他們研發的生物3D打印技術，研究人員印制出了一個含有血管內壁內皮細胞的血管結構，這個結構尺寸為4毫米×5毫米×0.6毫米。研究人員將該結構在體外培養了一天，然后將產生的組織移植到小鼠皮膚傷口。兩周后，研究人員檢查了植入物，發現這些植入物已經成功地與小鼠自身的血管網絡形成一體，使血液正常循環。

陳少晨指出，目前植入的血管還不完全具備天然血管的所有功能，例如交換輸送營養物質及廢物。”

陳少晨教授和他的研究團隊正在致力于利用人類誘導多能干細胞建立傷病人特異性組織，從而防止移植的組織受到免疫系統攻擊。由于這些細胞來源于患者的皮膚細胞，研究人員不需要額外從身體內部提取細胞來建立新的組織。團隊的最終目標是將這項成果應推向臨床試驗。“至少需要幾年才能達到這一目標，”陳少晨表示。

（來源：國防科技信息網，作者：丁宏中國船舶工業綜合技術經濟研究院）

歐盟將納米金剛石應用于醫學領域

金剛石不僅是自然界最堅硬的物質，同時還能散發出最迷人的光芒。歐盟科研人員利用這兩大特性將納米金剛石應用在醫學領域。在歐盟第7研發框架計劃和地平線2020計劃資助下，分別由法國和德國作為協調國的NeuroCare和NDI項目，利用納米金剛石作為與人體交互新的媒介，有望在人工視網膜植入和磁共振成像（MRI）領域取得重要突破。

NeuroCare項目主要利用納米金剛石或石墨烯表面致密，沒有任何物質能通過其表面擴散的特性，將其作為植入體與人體神經組織之間的介質材料，一方面減少介質本身與神經組織之間的反應，另一方面也使其與神經元細胞的距離更近，從而能在彼此間建立更高質量、持續時間更久的電子接口。目前，用于腦接口實驗通常都采用金屬材料（如鉑）。然而，金屬材料長時間在人體內，其表面很可能發生降解，進而導致電子交換性質的改變，因此，穩定性正是該項目納米金剛石技術的最大優勢所在。該項目科研團隊目前正在尋求美國企業的資助進行正式試用，同時也在申請將其用于商用產品的法律許可（大約需要5年時間）。

在MRI領域，歐盟研究理事會支持的NDI項目主要利用納米金剛石獨有的光學特性，來賦予標準MRI掃描儀在單細胞尺度上的縮放能力。MRI掃描儀通過拾取原子自旋狀態進行成像，但通常拾取率僅為十萬分之一。如要提高效率，必須使自旋處在極低溫條件，而這對人體來說是無法承受的。在金剛石中，原子自旋可用光來控制，且可通過激光輻照達到極低的溫度并能持續數日。NDI項目正是利用納米金剛石的這一特性，在無需使人體降溫的前提下，實現了極低溫自旋。該項目的下一步研發重點是繼續提高分辨率，同時使之早日成為用戶友好型技術，以便在醫學實驗室實際場景中得以應用。

（來源：科技部）

烏克蘭研發出多種石油產品漏油收集吸收劑

烏克蘭國家科學院表面化學研究所研發出基于礦物纖維、活性炭和熱膨脹石墨的石油和石油產品漏油收集吸收劑。特點如下：

1. 耐熱無機纖維吸收劑具有很高的吸附能力，1克吸收劑可吸附50克石油。

2. 基于活性炭吸收劑，可以在2小時內完全去除油膜雜質，顯示出100%的漂浮特征，1千克吸收劑在水表面擴散區域面積可達70M2。

3. 基于膨脹石墨的環保型吸收劑具有潔水特性，已獲得烏克蘭國家衛生標準的認證，可以應用于飲用水清潔系統中。

以上吸收劑可以重復使用，還可應用在海洋、港口、水域、淡水水體和土地復墾。

（來源：科技部）

捷克科學家率先研發納米晶體中定位氫原子的方法

捷克科學院物理研究所的科學家們通過使用動態精化與電子衍射數據采集的方法，成功定位了微米級以下有機或無機單晶材料中的氫原子。這是世界上首次取得如此精準級別的定位方法，該研究成果發表在了2017年1月的《科學》學術期刊上。

晶體學是化學和新材料科學等許多科學分支的基礎研究領域。捷克科學家歷時七年，在布拉格研發出了通過電子顯微鏡觀察電子在晶體中的衍射，并定位原子、測量衍射和電子處理最終數據的方法和軟件。法國國家科研中心的科研人員也參與了該項目的部分研究。

成功檢測定位晶體結構中的氫原子將使研究人員更清晰地了解晶體材料的性質與功能。該項研究為揭示探究晶體結構的細節開辟了新路徑，將廣泛適用于晶體學，以及材料工程、有機和無機化學、藥學和分子生物學等領域的科學研究。納米晶體的分析在航空工業，特別是在新材料的研究中起著重要作用。