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一大波新材料横空出世,改变世界超出你想象(九十)

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  无铅光致发光材料

  

  (a)通过将新型光致发光0D材料与黄色荧光粉混合,科学家们能够制作出白色光致发光薄膜,这是该材料的潜在应用之一;(b)通过简单地调节0D材料和黄色荧光体的比例,可以改变光致发光膜的颜色。图片来源:Advanced Materials

  通过设计制造成本低廉的新型光致发光材料,使用无毒且稳定的起始材料,日本科学家们已经增强了他们对光致发光的量子性质的理解。

  理解和掌握光的产生可以使研究人员能够为各类应用构建和改进各种光学和电子设备。量子点(QD)是一种特殊的纳米粒子,在被激发时以特定频率发光。但由于多种因素的共同作用,它们的应用目前受到限制:制造QD薄膜很困难,它们使用的是有毒的起始材料如镉和铅,合成成本高。

  一些光致发光的零维(0D)材料(其中电子被限制在几纳米并且可以被激发产生光)也已经过测试,但它们仍然非常依赖于铅。现在,科学家们设法设计了一种新型的光致发光无铅0D材料,并对其进行了分析,以深入了解光致发光材料的性质。

  这种材料由铯、铜和碘(Cs3Cu2I5)构成,并具有晶体结构。铯原子限制了[Cu2I5 ] 3-,当被与激发QD的那些类似的特定频率激发时,它们便发射蓝光。研究人员能够利用这种材料制造稳定且具有优异光致发光特性的薄膜。这种薄膜在环境条件下表现出良好的稳定性,即两个月内光致发光量子产率(PLQY)没有明显降低。

  研究人员进一步展示了这种材料的两种应用。第一种应用是白色发光膜,通过将蓝色发光材料与特定比例的黄色磷光体混合,以产生白光。然后可以简单地改变所用成分的比例来制备发出不同颜色光的膜。

  第二个应用是蓝色LED,但它的电致发光(EL)性能并不好。然而,这使得团队能够更好地理解基础EL机制,这将在未来的研究中发挥作用。研究人员表示:“已经证明,基于Cu(I)卤化物的低维化合物的探索是获得无铅高量子产率发光材料的新途径。”这些材料有望在未来的光学和纳米技术应用中发挥重要作用。

  

  液体木材

  

  液体木材是造纸厂的副产品,如上图所示。

  下一个有令人期待的新生物塑料或生物高聚物被称为液体木头。假装成生物聚合物;这些材料看起来,感觉起来和性能就像塑料一样,但与石油为原料的塑料不同,它们可生物降解。这个特殊的生物聚合物来自纸浆的木质素,一种可再生资源。

  制造商把造纸厂的副产品-木质素与水混合,然后把混合物暴露在高热和高压的环境中,制造一种强度高且无毒的可塑性复合材料。德国研究人员已经把这种塑料的替代品用于各种物品包括玩具,甚至高尔夫球托和高保真扬声器盒。因为它是用木头做的,也可以作为木材回收。

  

  新型高强度复合材料

  

  图为涂上了木纤维的金属海绵

  早在2014年,科学家们就已经开发出一种可用作环保隔热材料的木基泡沫。如今他们更进一步,将这种木基泡沫与金属材料相结合,创造出了一种潜在应用范围更为广泛的复合材料。

  最初的木基泡沫首先是将木头颗粒磨碎成一种黏滑物质,然后在这种物质中通入气体使其呈现出泡沫状,最后使之自然变干,而其中的木材大多来自于林业废料。

  木基泡沫多被加工成刚性板或柔性垫的形式,据悉成品非常适合用作建筑隔热材料,它比传统的石油基泡沫更为环保,而且不会像一些宽松的替代品那样随着时间的推移而沉淀下来。

  为了制造新的木基金属混合泡沫,研究人员首先利用铸造工艺创造了开孔金属“海绵”。接着再将木纤维泡加入其中——海绵被反复地机械敲击,振动使粘性泡沫从海绵上滴下来,填满了所有孔洞。最后再将其晾晒干燥。

  这种复合材料被称为“HoMe泡沫”(德语中木材与金属的缩写),是一种轻量复合材料,它不仅保留了木基泡沫的隔热和隔音性能,还具有比木基泡沫与金属海绵高得多的弯曲强度。该特性使它能够提供结构支持。另外值得一提的是,这种材料还具有导电性。

  现在,人们希望HoMe泡沫可以添加至传统材料的内部,或者以独立面板的形式使用,比如可用作汽车发动机隔间中的声垫,或汽车地板上的踩踏垫。科学家们目前正在改进木基泡沫的制造过程,并将优化后的制造过程用在金属海绵上,以尽快进入商业规模的生产。

  

  核壳结构记忆微米导电纤维膜

  导电形状记忆聚合物作为一种远程驱动的智能材料在航空航天、生物医疗、可穿戴器件、机器人等应用中发挥着重要作用,特别是传感和驱动,导电性和响应速度对实际应用具有较大影响。低电导率和慢回复速度限制了其进一步发展。

  近日,研究团队成功设计出导电形状记忆聚合物复合纤维膜,并探索了该纤维膜的微观结构及其导电性能和电驱动行为。

  该团队成员采用静电纺丝技术与化学气象沉积相结合制备了高导电的PLA/PPy复合微米纤维膜,该纤维膜具有核壳结构且在安全电压下实现快速变形过程。首先将形状记忆聚乳酸制备成微纳米纤维作为核层,然后通过化学气相沉积将PPy包裹在PLA表面形成壳层,从而获得核壳结构导电纤维膜。通过改变纺丝溶液浓度、FeCl3溶液浓度、PPy蒸镀时间和温度来调控复合纤维的导电性能。该制备方法简单、易制备大面积薄膜、成本低,同时实现了核壳结构导电形状记忆纤维膜的制备,提高了其电导率和电驱动速度。这种导电薄膜具有良好的性能:高电导率(0.5 S/cm),低表面温度(≤70 ℃),在安全电压30 v的驱动条件下2 s回复到初始状态。

  

  图:基于静电纺丝和化学气相沉积法设计并制备的核壳结构导电形状记忆纤维膜及其电驱动行为

  

  降解聚酯复合材料

  我国科学家最近研制出一种可在海水中降解的聚酯复合塑料材料,有望在诸多领域替代现有难以降解的通用塑料。

  

  可降解的聚酯复合塑料材料面世

  研究团队研制出的这种结合了水溶性与降解性的材料具有一定的环境耐受性,废弃后能在数天到数百天内在海水中降解消失,最终分解为不会对环境造成污染的小分子。

  据保守估计,人类每年向海洋投放的塑料垃圾为480万吨到1270万吨,占海洋固体污染物总量的60%至80%。世界经济论坛也发出警告,2050年全球海洋塑料总重量将超过鱼类的总重量。

  尽管海洋中塑料污染问题已经非常严峻,但目前人们对于这些塑料污染仍然没有有效的应对措施。海洋特殊水域环境使得人们不能像在陆地上一样对这样大量分散的垃圾进行集中收集和处理。最根本有效的办法就是让材料废弃进入海水后能自行降解消失。

  生物降解塑料大都是含酯键的高分子材料,分子链相对脆弱,因而可以被自然界许多微生物分解、消化,最终形成二氧化碳和水。

  经过多次反复实验,科研团队将非酶水解过程和水溶过程与生物降解过程结合起来,实现了材料在海水中快速降解。科研人员通过对材料的设计、合成、改性和加工使得其降解性能可根据不同的应用需求进行调控。

  来源:新材料在线、材料科技在线、学术帮、慧聪塑料网

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