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一大波新材料横空出世,改变世界超出你想象(六十七)

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  新骨修复复合材料

  来源:复材网

  研究人员发明了一种由丝纤维制成的可生物降解的复合材料,它可以用来修复断裂的承重骨,并且不会产生像其他材料那样产生并发症。

  

   图片来源:由Bryant Heimbach/UConn

  研究人员研制的一种新型骨修复复合材料的三维效果图。该复合材料由丝纤维和聚乳酸纤维制成,在保持柔韧性的同时,还涂上了优良的生物陶瓷颗粒。这种生物可降解的复合材料可以帮助愈合骨骼,而不会产生像金属部件那样所造成的并发症。

  修复主要的负重骨骼如腿部骨骼,可能会是一个漫长且艰难的过程。为了便于修复,医生有时会安装一块金属板以便在骨骼愈合时支撑骨骼。但这可能有问题。一些金属将离子注入周围组织,这将引起炎症和刺激。另外,金属也很坚硬。如果一个金属板在腿部承受了过多负荷,新的骨骼可能会变得更脆弱,更易发生骨折。

  为了寻找解决这个问题的方法,科研人员求助于蜘蛛和飞蛾以求寻找灵感。丝素蛋白—这是一种在蜘蛛和飞蛾的丝纤维中所发现的蛋白质,以其良好的韧性和拉伸强度而闻名。医学界早就意识到了丝素蛋白的存在。由于它较高的强度和良好的可生物降解性,是医用缝合线和组织工程中常见的组成部分。然而没有人尝试过将其制成致密的聚合物材料。

  近日,科研人员通过测试各种复合材料中的丝素蛋白,找到的这种新型复合材料由长丝纤维和聚乳酸纤维(一种由玉米淀粉和甘蔗制成的可生物降解热塑性塑料)组成,浸渍在溶液中,每种溶液均涂有羟基磷灰石制成的细微生物陶瓷颗粒(在牙齿和骨头中所发现的磷酸钙矿物质)。然后将涂覆的纤维分层堆积在小的钢框架上,并在热压缩模具中压制成致密的复合棒。这种高性能的生物可降解复合材料显示出较高的强度和良好的柔韧性,这是同类生物材料在文献中所记录过的最高数值。另外,它们的性能会变得更为优异。

  新的复合材料也具有韧性。成年人和老年人的大腿骨可能需要几个月才能痊愈。这种新的复合材料完成了它的工作,然后在一年后开始降解。不需要手术去除。

  

  新型陶瓷滤膜材料

  来源:中国有色金属报

  近年来,雾霾肆虐横行,严重影响了空气质量。雾 霾主要来自于工厂、汽车、家庭化石燃料燃烧所产生的有机碳化物,对人体有一定危害。

  随着化石能源消耗量的增长,雾霾也在持续增加,尽管业内一直致力于开发去除雾霾的滤膜,但现有的雾 霾滤膜材质主要是塑料纤维材料,气孔尺寸大,无法阻挡细微雾霾颗粒,而且大部分是一次性产品,如果随意丢弃,对环境也有一定影响。

  

  近期,科研团队选用氮化硼纳米管(BNNT)材料,开发出可以回收利用的高端陶瓷滤膜制造技术。研究团队制造的氮化硼纳米管滤膜在等离子可经受900℃超高温的考验,通过将雾 霾中的普通有机微粒子加热到350℃以上,燃烧后分解为二氧化碳和水,由此实现了滤膜的重复利用。

  滤膜为薄膜形态,按照名片尺寸制作,重量约100mg,相当于1个咖啡豆,可以除去99.9%以上的超细微粒子。值得一提的是,不仅可以轻松调节气孔的尺寸,即便反复灼烧,也可以维持良好的粒子去除性能,这有助于大幅节省滤膜更换的费用。

  科研人员表示,这一滤膜不仅可以去除细微粒子,还可以用于病毒、水处理、食品等提纯过程。氮化硼纳米管是散热和屏蔽辐射的材料,应用潜力巨大,未来将广泛应用于宇宙航空、电子、汽车、核电等行业。

  

  新型显示材料

  来源:中国科学报

  日前,研究团队在钙钛矿发光研究上运用独创的室温离子交换组装法,在全球率先实现了“最绿”高效纯色发光。

  当今,世界显示领域正处于由第二代氮化镓蓝光发光二极管(LED)液晶显示到第三代新型显示的变革之中。其发展动力一方面来自于柔性显示需求,另一方面则来自于对显示清晰度越来越高的要求。而要想在显示中真实地还原实物的色彩,实现较广的色域,就要求红、绿、黄等荧光材料必须具有很高的色纯度。相对于红光和蓝光,人眼的感知系统对于绿光颜色的细微变化更为敏感,即使是很微小的色调变化,也很容易被人眼区分出来,因此绿光的色调精准程度在高清显示中显得尤为重要。

  据团队负责人介绍,钙钛矿是一种具有优异光学和电学性能的功能材料,在太阳能电池、发光二极管、微激光等领域都具有广泛的应用前景。其性能虽然优异,但要想实现高效纯色发光绝非易事,原因是钙钛矿的发光始终难以达到精准色调。经过多年潜心研究,该团队终于发现了一种离子交换诱导二维钙钛矿自组装的合成机理,并逐步摸索出室温离子交换组装的方法,从而实现了球形甲脒基钙钛矿纳米片绿色发光在Rec.2020国际标准要求的525~535nm波段上的精细调控,并且还在试验中成功获取了(0.170,0.757)最优绿光色坐标。

  为规范如何使显示真实地还原实物的色彩,国际电信联盟推出了Rec.2020标准。该标准指出,绿光在CIE 1931色空间中的坐标越接近(0.170,0.797),就越是理想中的高纯色绿光。由于获取的色坐标覆盖了将近95%的Rec.2020绿光色域,因此被认为是钙钛矿发光领域内“最绿”的背光型发光。随着相关研究成果的陆续取得,将会极大地推动我国基于钙钛矿纳米晶的低成本、广色域背光LED的产业化应用。

  

  可“吞噬”塑料的细菌酶

  来源:前瞻网

  英国研究人员日前在调查塑料的天然对应物时,偶然发现了可以“吞噬”分解塑料的细菌酶——“PETase”。

  据70%的软饮料、果汁和矿泉水都是用PET制成的瓶子包装销售的,这对环境保护造成了很大压力——废弃的PET在其降解之前在环境中持续数百年。

  研究人员表示,使用称为PETase的天然酶可以“消化”塑料容器。在探测细菌的分子结构时,英国团队无意中创造了一种强大的新版本蛋白质。

  

  不过,在PETase实际投放之前,还有很多研究需要完成。目前改进版的一升酶溶液每天只能分解几毫克塑料,因此,研究人员需要进一步提高它的的塑料消化能力。

  虽然改善幅度不大,但这一意料之外的发现表明,还有进一步改进这些酶的空间,使有望推出分解塑料垃圾山的循环利用解决方案。

  这项技术是存在的,未来几年我们将看到一种工业上可行的工艺,可以将PET和潜在的其他(塑料)基材恢复到其原有的基础结构,从而使它们得以可持续回收。

  科学家在位于牛津郡哈威尔的钻石光源同步加速器工厂对细菌进行强烈的X射线束照射。

  
通过在圆形隧道周围加速电子产生的X射线比在设施处产生的太阳光亮100亿倍。 X射线可用于揭示材料和生物分子的精细结构,直至单个原子的水平。

  
科学家们重新设计了这种分子,导致突变蛋白具有增强的塑料攻击和分解能力。
除了消化PET之外,新酶还能够降解聚呋喃二羧酸酯(polyethylene furandicarboxylate),这种塑料被誉为玻璃啤酒瓶的替代品。

  

  3D打印制造可控制声波的超材料装置

  来源:材料科技在线

  

  超材料显示出对声波的控制

  研究人员设计了一种超薄的工程材料,可以近乎完美的控制声波的重定向和反射。这是首次实现超材料对声波的控制,这种新材料可以采用3D打印机进行快速制造。

  虽然已经提出了生产这种超材料器件的理论方法,但是这些方法并不能精确地控制声音的传输和反射,而且实验难以实现。然而在研究过程中,科研人员产生并测试了这样一种装置,使超材料表面被设计成可以同时控制传入声波的传输和反射。

  使用轻薄结构来控制声音并不是全新的想法,但是通常的做法只控制传输和反射相位,并会导致一些声能损失。然而,正如《自然通讯》所描述的那样,通过对结构两侧的波阻抗进行设计和控制,可以在没有能量损失的情况下完美地操纵声音的透射和反射。

  这种设计使用超材料,利用它们的结构来操纵波,例如光和声音。在这里,超材料是由3D印刷塑料制成的,材料独特的形状和属性,允许它操纵声波,而超材料可以缩放,几乎会影响任何波长的声音。它由一排四个空心柱组成,每一个柱在一个侧面上大约半英寸,一个侧面的中间有一个狭窄的开口。研究人员演示了这个装置如何通过每个列之间的通道宽度和每个柱内的空腔的大小来操纵声音。根据塑料填充多少,每个柱在不同的频率产生下共振。

  当声波通过这种材料时,装置中的每个谐振腔以特定的频率共振。振动不仅影响声波的速度,而且还与其相邻的腔体相互作用以控制透射和反射。此外,振动柱不仅与声波相互作用,而且与周围柱产生相互作用。

  研究小组正在将他们的想法应用于更为奇异的声音控制形式,包括在声纳等应用中操纵声波。

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