離子液體｜征服紅色星球的百變材料

    圖中是2013年連接到國際空間站外部的MISSE-8上的試驗樣品盤。這些樣本盤上盛著環氧樹脂離子液體的樣品（ionic liquid epoxy samples）。這些液體能夠幫助制造未來航天器的復合材料低溫儲罐。

    像圖中這種由離子液體基環氧樹脂（ionic liquid-based epoxy）和商業碳纖維（commercial carbon fibers）制成的復合包裝材料壓力罐馬上就要在阿拉巴馬州亨茨維爾的NASA馬歇爾太空飛行中心進行低溫和壓力測試。

    當你需要工具或者零件來改造房子的時候，你可以去最近的五金商店。但是太空旅行者們可享受不到這種奢侈品。他們在長途太空任務（例如火星任務）的過程中可能必須要自己動手制造工具和零件。在阿拉巴馬州亨茨維爾的NASA馬歇爾太空飛行中心里，科學家和工程師們利用來自國際空間站的試驗數據進行液體研究，來研發可以在進行外太空探索的過程中用來制造方便的工具的液體。

    材料國際空間站試驗（Materials International Space Station Experiments，MISSE）連接到空間站的外部已經十年了。在那里，超過4000種材料暴露在惡劣的太空環境中，這其中包括一種叫做離子液體的特殊液體和一種新型環氧樹脂。科學家們目前正在研究這兩種液體是如何抵御軌道外部環境的。這種類型的液體都具備較低的熔點，并不像普通化學物質一樣易燃。它們通常蒸氣壓很低，這意味著它們不容易蒸發，并且更容易保存在真空中。

    因為離子液體的獨特的化學性質，我們可以在它們的幫助下，使用類似烤面包的溫度來在月球或者火星的土壤中提取金屬和氧。馬歇爾中心的材料學家Laurel Karr 說，被提取的金屬可以用作3D打印材料，而氧氣可以維持生命或用作推進力。

    Karr 表示，離子液體可以用來溶解火星表面的風化層，無論是對人類還是機器人而言，探索者們通常用于探查火星的鉆頭壽命都會因此得以延長。

    我們鉆入行星或者小行星的表面來獲得地質研究的樣本， Karr說。有了這種液體，我們可以獲取液體狀態的樣本，直接在鉆取現場進行化學研究。

    NASA對這些離子液體有興趣不僅因為它們對于探索任務的很多用途，還因為它們是環保的化學品。對比目前在地球上使用的提取貴金屬的方式，使用離子液體從礦物中提煉金屬可以避免對環境造成不良影響。例如，按常規方法提取鎳需要在1350攝氏度的環境下使用硫酸來融化材料。因為酸的毒性，這種方式在封閉的航天器里是不切實際的，而離子液體可以在200攝氏度的隕石中提取鎳。

    此外，科學家們也在探究另一種可能性——利用離子液體從空氣提取二氧化碳，將其分解成用于呼吸的氧氣和用于推進的甲烷，從而在太空中維持生命。許多種離子液體在經過過濾后或在電解或氫化后，甚至可以被制成有用的、可回收的材料，在太空中或地球上使用。

    離子液體中讓人充滿興趣的一種是環氧樹脂。Richart Grugel ，馬歇爾中心的一位材料學家，已經和他的同事系統地研究了離子液體制成的環氧樹脂，發現它們非常堅固，能夠很好地結合碳纖維，還可以忍耐低極端的溫液氫液氧溫度。

    2013年，在MISSE-8上對兩種不同類型的離子液體的環氧樹脂進行了試驗。在暴露在太空環境中暴露兩年以后，環氧樹脂恢復了原來的狀態后被航天器X空間龍帶回地球。液體的測試樣本顯示出了經過太陽紫外線輻射而產生的陰影，但是并沒有裂縫，沒有脫開粘接，也沒有發現重量和粘連性的變化。

    這些屬性表明環氧樹脂可用于制造碳纖維復合材料低溫液體儲存罐，Grugel說。這種存儲罐會比目前用于發射航天器的鋁制罐輕很多。

    細微裂痕會導致漏水，這是早期復合材料低溫存儲罐設計一直所面臨的挑戰。馬歇爾中心一直在進行關于復合包裝壓力罐（小型金屬罐子外面包裹離子液體環氧樹脂制成的商業碳纖維）的測試，目的是確認這種離子液體到底能否用于構建這種儲存罐，使它們更強韌。

    研究顯示，這種多功能液體不僅可以用于建造和修理去火星的航天器，而且可以在到達火星后幫助我們維持生命，完成更多探索。 Grugel 說。

    正如MISSE試驗所證實的，科學是需要時間證明的，試驗樣本在被帶回地球之后的幾十年間一直在起作用。MISSE試驗成功地驗證了NASA、商業公司、美國國防部所使用的原材料的性能、穩定程度和長期耐受性。很多航天器如今的安全運行需要感謝MISSE試驗，因為MISSE幫助這些航天器選擇了最合適太空環境的材料。第一隊火星探索者也需要感謝MISSE，因為MISSE幫助他們找到創新型原料和操作方式，讓他們可以在火星維持生命。

    Laurel Karr 和 Richard Grugel，兩位NASA馬歇爾太空飛行中心的材料學家，最近通過NASA TV播放的《空間站現場》（ Space Station Live）講述了國際太空站試驗中所運用的材料。這次調查著重探究了離子液體，這種液體很有可能運用于航天器儲存罐的設計和在火星土壤中提取氧或者其他元素的有價值工具，是一種既神奇又環保的液體材料。

    中國液態金屬逆天：逆重力攀爬

    據中科院官網消息， 近日，中科院理化技術研究所低溫生物與醫學研究組首次報道了液態金屬可在石墨表面以任意形狀穩定呈現的自由塑型效應，并實現了逆重力方式的攀爬運動。研究以封面文章形式發表于《先進材料》。此前，金屬液滴因自身表面張力較大，在電解液中通常以球形方式存在，塑形能力及變形模式相對有限。

    圖1：期刊封面故事及液態金屬在石墨表面的自由鋪展與塑形效應

    圖2：石墨基底表面的液態金屬在外電場作用下的變形與匍匐運動行為

    圖3：電控液態金屬以蠕動變形方式在石墨斜坡上逆重力攀爬的情形（側視及俯視圖）

    在這篇題為《石墨表面上的液態金屬操控》（Hu et al., Manipulation of Liquid Metals on A Graphite Surface, Advanced Materials, vol. 28, pp. 9015, 2016）的論文中，研究組首次發現通過引入石墨基底，可靈活自如地將處于電解液環境中的液態金屬塑造成各種銳利圖案如條形、三角形、方形、環形以及更多任意形狀（圖1）。

    迄今，液態金屬雖可通過外加電場短暫改變形狀，然而一旦去除外場，液態金屬即會在其表面張力作用下迅速回縮成球形，無法維持先前的結構。此次發現的液態金屬自由鋪展與塑型效應，為柔性變形機器人的研制乃至4D打印等提供了新方向。

    實驗表明，將一滴液態金屬置于浸沒在氫氧化鈉溶液中的石墨表面上時，液態金屬會自動攤開形成扁平的煎餅狀，這與位于玻璃基底上以球形方式呈現的液態金屬非常不同（圖1）。

    引發這類鋪展效應的原因主要來自液態金屬與石墨基底間的電化學相互作用。在堿性溶液中，石墨表面通常帶正電荷，而液態金屬表面帶負電荷，當這兩種導體接觸時，電荷會從液態金屬流向石墨，液態金屬表面被氧化形成氧化膜，這會顯著降低其表面張力，此時液態金屬表現為類似于泥漿的狀態，由此可被隨意塑造成各式各樣的形狀。

    該項研究首次實現了在開放液體環境中的液態金屬自由塑形，突破了原有的液態金屬元件調控模式，在不定形柔性電子器件、可變形智能機器的設計乃至先進制造方面有重要價值。

    進一步地，基于石墨表面的液態金屬自由塑形效應，研究人員探索了電場作用下液態金屬不同于傳統基底材料如塑料、玻璃等情形的豐富的物理化學圖景（圖2），初步揭示了其獨特的變形及匍匐運動行為的內在機制。

    有趣的是，作者們還首次揭示出處于自由空間下的電控液態金屬的蠕動爬坡能力，實現了逆重力方式的運動（圖3）；而采用常規材料，液態金屬會因自身重力較大且表面光滑難以攀爬的緣故，不易通過外電場實現逆重力牽引。

    新發現擴展了近年來興起的液態金屬柔性機器的理論與技術內涵。

    光子晶體超浸潤性研究取得新進展

    光子晶體特殊的光學調控性能使之在傳感、催化、檢測等光學器件方面具有重要應用。由于光子晶體的特殊浸潤性賦予其更多優異性能及新應用，光子晶體超浸潤性研究得到廣泛關注。

    在國家自然科學基金委和中國科學院的大力支持下，中科院理化技術研究所仿生材料與界面科學院重點實驗室的科研人員在具有超浸潤性光子晶體的制備及應用方面取得一系列進展。研究人員考察了基底浸潤性對光子晶體組裝單元乳膠粒的形貌影響（ Adv. Mater. Inter. 2015, 1400365；J. Mater. Chem. C 2015,3,2445 ），利用界面特殊的浸潤性調控，實現了具有特殊光功能的花形（ Chem. Commun. 2015,51,1367 ）及面包形（ Chem. Commun. 2016, 52,3619 ）的各向異性光子晶體。利用基底的特殊浸潤性調控，制備得到具有良好光波導行為的光子晶體微陣列（ ACS Appl.Interf. 2016,8,4985 ）。進一步利用所制備的聚離子液體反蛋白石結構光子晶體的梯度浸潤性，實現了具有單一結構的光子晶體驅動器的制備（ Chem.Commun. 2016, 52,5924 ）。

    近期，研究人員系統總結了光子晶體的特殊浸潤性對其應用的貢獻。從自然界光子晶體的特殊浸潤性的作用為源，總結了超浸潤性光子晶體的構筑思路及相關實例，及光子晶體超浸潤性所賦予材料的傳感、檢測、防污、驅動、油水分離等新應用（ Chem. Soc. Rev. 2016,doi.10.1039/c6cs00562d ）。

    光子晶體的超浸潤性及其相關應用

    哈佛大學研制出世界首個由軟性材料制成的自主機器人

    近期媒體報道，美國哈佛大學威斯生物工程研究院研制出名為octobot的微型機器人，該機器人是世界首個全部由軟性材料制成的自主機器人。

    octobot采用軟性材料替代了包括電池和電子控制系統在內的所有剛性組件，造型酷似無骨章魚。軟性材料采用3D打印技術制作，并在材料內部留有可布置電源和控制線路的通道。

    octobot將自身攜帶的過氧化氫氣體注入肢體內，在機器人內部構建的微流體網絡，使肢體充氣膨脹，從而移動。同時，該微流體網絡可在程序控制下，在特定的時間序列中，停止向某一肢體充氣，轉而向另一肢體充氣使其膨脹，改變機器人的移動方向和速度，具備較高程度的自主性。

    據稱，采用軟性材料制成的自主機器人在許多領域有廣泛的應用前景，而下一個版本的octobot更將具備游泳以及與周圍物體進行交互的能力。

    耐高溫材料技術突破 助推高超聲速飛行器發展

    globalfuturist網站近日報道，南加利福尼亞大學（USC）科研人員一直在研究耐高溫材料，并接近成功。一旦該材料研制成功，可廣泛應用于航空航天、機械制造和工程等領域。

    大部分材料在加熱后都會膨脹，給工程應用帶來挑戰。類似于橋梁、建筑物等大型結構必須具有允許膨脹的連接處，使結構能夠安全地膨脹。像BAE、波音和洛馬等公司在研究HTV-2等高超聲速飛行器的過程中必須解決熱力學問題。當不同材料制成的部件受熱時以不同的速率膨脹時，會產生裂紋或發生斷裂，在其他大型建筑物中事很常見的。

    南加利福尼亞大學設計了一種由不同材料制造3D打印結構的制備工藝。首先，將這些材料以液態打印，隨后通過紫外光使其固化。該設計團隊利用該工藝打印出了一種具有內部點陣結構的物體，該結構由多個桿以特定角度排列而成。當該物體被加熱后，其組成材料以不同的膨脹速率發生膨脹，但這些膨脹會使這些桿往里移動，最后結果就是該物體對外表現出縮小，而不是膨脹。

    該設計團隊希望利用不同材料和不同點陣排列定制膨脹率和縮小率，甚至制造出零膨脹材料，那么屆時那些橋梁和建筑物將更加安全，更重要的是該技術可應用于高超聲速飛行器結構設計。

    仿壁虎材料可在極端溫度下 保持超強粘結特性

    美國代頓空軍研究實驗室與凱斯西儲大學聯合開發出一種受壁虎腳啟發的新型干性仿生粘結材料，可在極端溫度下保持超強粘結特性，甚至在溫度越高時粘結越牢固。研究人員將這種由碳納米管組成的粘結材料制成雙面膠帶，無論在液氮低溫環境還是在熔融的金屬銀中，膠帶粘結性能都不會下降。

    粘結材料由豎直排列并捆綁至固定節點的碳納米管構成，具有類似壁虎足墊表面微毛的顯微結構。壁虎得益于這種微毛結構，可以在垂直的墻壁上自由行走，受此啟發，人們已經開發出多種粘結材料或粘附裝置。然而，大多數商用膠帶在低溫或較高溫度下會失去粘性，但這種碳納米管新型粘結材料可以在-196℃下保持粘附力，而在418℃時粘附力是常溫的2倍，在1033℃下達到6倍！

    研究人員使用高能掃描電子顯微鏡觀察這種粘附力增加的反常現象，發現碳納米管在高溫下會塌陷成網狀結構，增大了與粘結材料的接觸面積，提高了起到粘結作用的范德華力。這種干性粘結材料在低溫下不會失去粘結效果，是因為粘結材料表面并沒有因為溫度降低而發生變化。

    這種新型粘結材料在溫度變化達數百攝氏度的太空環境中具有巨大的應用前景。此外，該材料還具有導熱和導電特性，可用于電子領域，保證電路或元器件的高溫性能。研究人員表示，在室溫下，這種碳納米管雙面膠帶在許多粗糙表面具有和商用膠帶一樣的粘結力，如紙張、木材、塑料和墻等表面，可用于家用導電膠帶和壁虎機器人。該研究成果近日發表于《自然通訊》期刊。

    超材料使無需半導體的微電子學成為現實

    加利福尼亞州圣地亞哥大學的工程師制造了第一個無半導體的光控微電子器件。使用超材料，工程師能夠構建一個微電子器件。當使用低電壓和低功率激光激活微電子器件時，器件顯示出1000％的電導率增加。

    該發現這項工作在11月4日發表在Nature Communications上。

    研究人員說，現有微電子器件（例如晶體管）的能力最終受其構成材料（例如其半導體）性質的限制。

    例如，半導體可以對器件的電導率或電子流施加限制。半導體具有所謂的帶隙，意味著它們需要增加外部能量以使電子流過它們。當電子流過半導體時，電子不斷地與原子碰撞，因此電子速度受到限制。

    由位于加利福尼亞州圣地亞哥市的電氣工程教授Dan Sievenpiper領導的應用電磁學研究小組試圖通過在空間中用自由電子替代半導體來消除這些導電性的障礙。我們想在微尺度上做到這一點，Sievenpiper實驗室前博士后研究生及本研究的第一作者Ebrahim Forati說。

    然而，從材料中釋放電子是具有挑戰性的。它要么需要施加高電壓（至少100伏特），要么需要大功率激光器或極高的溫度（大于1000華氏度），這在微米和納米級電子設備中是不可用的。

    為了解決這個挑戰，Sievenpiper的團隊制造了一個微尺度器件，可以不需要這樣的極端要求而從材料中釋放電子。該器件由硅晶片頂部的一個工程表面，稱為超材料表面組成，硅晶片和超材料表面之間具有一層二氧化硅。該表面由在平行金條陣列上的金蘑菇狀納米結構陣列組成。

    金超材料表面是這樣設計的，當施加低DC電壓（低于10伏特）和低功率紅外激光器時，超材料表面產生具有高強度電場的熱點，其提供足夠的能量把電子從金屬材料中釋放出來，進入空間。

    器件上的測試顯示電導率有1000％的變化。這意味著更多的可用電子被操縱。Ebrahim說。

    美國研制出新型高效防冰材料

    美國休斯頓大學研究人員日前開發出一種具有磁性光滑表面的新材料，可以用于任意表面防冰，且性能超過所有現有防冰材料，研究成果發表于《自然通訊》期刊。

    結冰會造成許多危害，如飛機機翼結冰會引起飛機抖動，使飛機操縱變得困難，甚至墜機；電力線結冰會導致線纜崩斷等。結冰現象是由于過冷水（溫度低于0℃的液態水）滴接觸到材料表面時發生潤濕并凝結形成的。除冰的方法包括加熱材料表面使冰融化、外力除冰、溶解除冰、或者在水接觸到材料表面時不發生潤濕和粘附，使冰無法在材料表面附著。此前認為具有不潤濕的疏水表面具有很好的防冰效果，但是這些表面在較低溫度下難以克服冰的高結合強度，效果有限且成本較高。

    為了克服以上問題，休斯頓大學研究人員研制了一種叫做磁性光滑表面（MAGSS）的材料，材料內層是磁性涂層，外層是由懸浮的氧化鐵納米顆粒組成的磁流體層。當水滴接觸到新材料表面，磁流體會有效阻擋水滴接觸和潤濕，使水滴滑落而防止結冰。

    相較于目前防冰材料的-25℃最低工作溫度，MAGSS材料可在-34℃下有效防冰，效果提升明顯。研究團隊計劃開發噴涂的方式來涂覆這種新型防冰材料，未來將有望大幅提升飛機和能源設施的防冰性能。

    新材料可在半干燥條件下自愈能修復99%

   能在半干燥狀態下自愈的新材料

    在擁有能自我修復的汽車或建筑物前，人們需要能在無水環境中自我修復的材料。自愈性材料在柔軟和潮濕的條件下能很好地發揮效用，研究人員發現，當材料變干后，自愈能力會減弱。不過，日本大阪大學科學家近日制造出一種在半干燥條件下能修復99%表面切口的新材料。研究人員首次將物理和化學方法同時用于自愈材料，相關論文發表于《化學》。

    結合自我修復的物理和化學特性，能使材料在更干燥和堅硬的狀態下快速和有效地自愈。該論文作者、超分子聚合物化學家Akira Harada說。新材料只需要少量的水蒸氣促進修復，換句話說，水只是充當修復過程中需要的無毒膠水。參與該研究的副教授Yoshinori Takashima說。

    通常，材料工程師會為材料嵌入充滿自愈物的微囊或路徑，或者利用多輪烷等分子建造材料。自愈材料的化學性則是指使用包括可逆化學反應和氫鍵結合等分子間相互作用等在內的可逆紐帶。

    Harada實驗室利用多輪烷作為主體結構，并交聯了可逆相互作用，將自愈性的物理和化學機制結合到新材料中。多輪烷結構能讓材料利用應力松弛修復淺坑；而化學可逆作用能使其修復深坑。這種結合方法讓這種材料能在10分鐘里恢復80%。

    超分子聚合物材料研究取得的突破展示了精巧設計能在宏觀尺度上帶來功能進步。該研究論文第一作者、工程學助理教授Masaki Nakahata說，無論是堅硬還是自我修復，聚合材料都為材料科學開辟了一個新前沿。

    科學家表示，該材料用途廣泛，能用于汽車涂層、建筑物和醫療設備領域等。他們還計劃設計能在環境條件下自愈的硬質材料。

    科學家發現液態水第二形態：屬性完全改變

    水是地球上最常見的物質之一，但一個國際團隊的最新研究卻使水變成了我們最熟悉的陌生人。這項新發現指出，液態水或存在第二種狀態，當水被加熱到40℃—60℃之間時，它的導熱性、折射率、導電性、表面張力等屬性也會發生改變。

    一般認為，水有三種基本狀態：固態、液態和氣態。現在，由英國牛津大學物理學家勞拉·馬斯特羅領導的國際團隊發現，當水溫介于40℃—60℃之間時，液態水會在兩種狀態間切換，根據其切換的狀態不同，會展示出一整套全新的屬性。

    他們對水溫在0℃—100℃之間變化時的導熱性、折射率、導電性、表面張力、介電常數等屬性進行了深入研究。結果顯示，一旦水溫達到40℃，屬性開始改變，直到水溫為60℃。不過，每個屬性的轉型溫度不同，比如折射率改變時約為50℃、導電性約為53℃、表面張力約為57℃。研究人員認為，這是因為液態水進入了一種不同的狀態。

    研究人員表示，特定溫度下水能在兩種完全不同的狀態間切換這一事實，或許與水擁有如此多非同尋常的屬性有關。水分子間的連接非常短暫，且連接水分子的氫鍵遠比分子內連接單個氫原子和氧原子的鍵微弱，因此，這些氫鍵會不斷地分開并再次形成，使水擁有某些非凡的屬性。但具體原因還是個未解之謎。

    研究人員稱，盡管水可能存在四種狀態的最新結論，還需經其他研究團隊證實后才能改寫教科書，但這項發現可能有助于我們更好地理解納米尺度上的生物特性。

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責任編輯：王元

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