材料研究

陶瓷气凝胶极端隔热多功能材料

哈尔滨工业大学土木学院李惠和徐翔教授在陶瓷气凝胶隔热领域取得新成果。相关成果发表于《自然》（Nature）。传统陶瓷气凝胶超隔热材料存在困扰其近百年的“力热互斥”瓶颈难题，例如陶瓷无定形态增韧的同时引发高温析晶粉化、低热膨胀效应受困于结构几何构型和力学特性、力热协同增强的同时牺牲隔热性能、低密度降低声子传热的同时无法有效阻隔高温热辐射等，难以满足极端环境热控制需求。文章提出了一种气凝胶多尺度超结构设计和制备方法，采用半晶质陶瓷材料设计结合宏观结构设计思路，赋予陶瓷气凝胶近零泊松比和近零热膨胀的“双零”反常规物理性质，可获得轻质超柔韧、高热稳定性及高温超隔热等特性。

拓扑量子材料的能源应用

中国科学院宁波材料技术与工程研究所李国伟研究员与中山大学罗惠霞教授及严凯教授合作，系统综述了拓扑量子材料在能源催化及储能等领域的应用进展，并提出了基于磁性、磁场等手段的效率优化策略。相关成果发表于《自然物理评论》（Nature Reviews Physics）。拓扑材料是过去十多年凝聚态物理领域的明星材料之一，研究者们追求其拓扑非平庸的表面态及无耗散的电子传输，并试图在超导技术、量子计算及低能耗器件上实现应用。然而，由拓扑特性导致的表面化学性质一直缺乏相关研究。目前，拓扑碳材料成为了当前电极材料的热门候选体系，包括锂离子电池、钠离子电池以及超级电容器等。

石墨炔的化学键转换产电研究

北京理工大学化学与化工学院陈南副教授团队在石墨炔（GDY）材料研究领域取得新进展，提出并验证了GDY化学键转换（烯-炔转换，acetylenic-alkenic conversion）诱导的小分子之间电子转移的生成机制。相关成果发表于《物质》（Matter）。气态H2O分子通过定向扩散穿过GDY框架结构时，与GDY的炔键之间发生电子转移而产生感应电信号。此外，气态H2O分子构成水汽的相对湿度和温度以及气体的类型（NH3、HCl）也会影响感应电信号输出。与从复杂环境（如太阳能、摩擦电和压电）获取能量的方法不同，这种发电技术利用GDY中独特的化学键诱导电子转移并直接获得感应电，可将其周围存储的巨大能量转换为电能。

微塑料老化降解研究

西北农林科技大学资源环境学院郭学涛教授团队阐明基于环境活性物质介导的微塑料分配机制，明确控制微塑料转化的环境活性物质界面体系，揭示控制微塑料环境地球化学行为的关键因子。相关成果发表于《环境科学技术》（Environmental Science & Technology）。聚苯乙烯微塑料（PSMPs）是环境中最常见，也是最具代表性的微塑料之一。已有研究表明光照条件下微塑料（MPs）的老化受活性氧（ROS）影响。然而，关于黑暗条件下MPs老化过程及溶解性有机质（DOM）的影响机制仍不清楚。新研究不仅揭示了DOM在黑暗和紫外光条件下促进PSMPs的老化机制，而且明确了DOM对PSMPs的老化受DOM类型的影响。

高熵热电材料研究

南方科技大学物理系讲席教授何佳清团队开发了具有高热电性能和高发电效率的高熵碲化锗基热电材料。相关成果发表于《科学》（Science）。热电材料能够实现热能与电能之间的直接转换，由热电材料做成的器件具有设备构造简单、服役稳定性高、对热源要求低等特点，在低品质环境废热的回收利用领域应用广泛。在由高熵稳定获得的极低晶格热导率基础上，通过调控电子局域化程度，避免了无序引入对电子传输的影响，从而使高熵碲化锗基材料的电性能得到了显著提升。这种电性能和热性能的协同优化，极大地提高了材料的热电优值，同时还实现了极高的器件转换效率，有利于高熵稳定概念在高性能热电材料开发中的应用。

发现碳家族单晶新材料

中国科学院化学研究所郑健课题组在常压下通过简单的反应条件，创制了一种新型碳同素异形体单晶——单层聚合C60。相关成果发表于《自然》（Nature）。碳是元素周期表中最多样化的元素之一，碳原子具有极轻的原子质量和极强的共价键，以多种杂化方式成键获得结构丰富的碳网络，其独特的π电子共轭体系展现出优异的力、热、光、电等属性。研究人员通过调节碳材料的带隙，可以使其表现出迥异的电学性质，从而在晶体管、能源存储器件、超导等领域具有广泛应用；利用掺杂聚合-剥离两步法，成功制备了单层二维聚合C60单晶，获得了确凿的价键结构；通过调节工艺，进一步得到单层C60聚合物。

分子筛孔道内单分子原子级显微成像

清华大学魏飞团队实现了在室温下高硅铝比准二维片层ZSM-5（2-3个单胞厚度）分子筛孔道内限域的有机小分子（吡啶、噻吩）的原子级成像，实现了分子筛孔道内单分子原子级显微成像突破。相关成果发表于《自然》（Nature）。有机小分子在以分子筛为代表的多孔材料中的单分子成像与构象研究，是深入理解其相变、吸附、催化和相互作用过程的基础与关键。其中，有机小分子（吡啶、苯、噻吩等）在室温或更高温度下的原子级成像一直难以有效开展。新研究不仅提供了一种有效、通用的相互作用势阱在室温下对单个有机小分子的原子级结构成像策略，同时推动了电子显微学在有机小分子原子级成像上的进一步应用。

石墨烯基三维网状超轻复合吸波材料研究

安徽理工大学化学工程学院疏瑞文教授团队致力于研发新型轻质高性能吸波材料。相关成果发表于《材料科学技术》（Journal of Materials Science & Technology）。吸波材料是解决电磁干扰和电磁辐射污染问题的关键材料，在军事和武器方面应用广泛。研究发现，复合气凝胶具有独特的三维分级多孔网状结构；钴铁氧体的形貌和添加量对复合气凝胶的电磁参数与吸波性能具有显著的影响。复合气凝胶的电磁衰减机理主要包括空间电荷在异质界面积累产生的界面极化损耗，石墨烯表面的结构缺陷、残留官能团及氮原子摻杂诱导的偶极极化损耗，磁性中空钴铁氧体引起的自然共振损耗，三维网状结构产生的传导损耗和多重反射效应等。