金属与合金材料科研进展

有关金属材料的最新科研进展纳米新材料“钯蓝”问世有望成为癌症光热疗的“希望之星”我国科学家制备出一种蓝色的新型钯纳米材料，它不仅具有很高的催化活性，而且或可成为癌症光热疗的“希望之星”。近期，《自然—纳米技术》刊登了厦门大学化学化工学院郑南峰教授课题组的研究成果，题为“具等离子体光学和催化性能的钯纳米薄片”。钯是一种稀贵金属，在化学中主要用做催化剂。但高比表面积的钯纳米材料多为黑色，被科学家们通俗地称为“钯黑”。他们发现，通过形貌的精细调控，纳米钯可以展示出绚丽的蓝色。实验表明，所制备出的这种蓝色钯纳米材料——“钯蓝”不仅拥有“漂亮的外表”，而且拥有独特的光学、催化等性能。“钯蓝”由尺寸均一的六边形超薄钯纳米片组成，薄片的厚度仅为1.8纳米，边长可在20—200纳米间调控。这样超薄的结构特征不仅使‘钯蓝’具有高的比表面积，使催化性能更为优越，而且结合理论计算，还发现超薄结构是‘钯蓝’具有强近红外光吸收并呈现蓝色的主要原因。这样的发现使得课题组将之与当前用于肿瘤治疗的光热疗联系起来。经过一年多的反复实验，课题组发现，“钯蓝”的超薄厚度使其无法散射近红外光，所吸收的光被完全转化为热，导致周围环境快速升温，可直接应用于肿瘤的近红外光热疗。同时，作为近红外光敏剂，‘钯蓝’的最大特点在于它的超高光热稳定性，这一特性是其他现有贵金属纳米近红外光敏剂所无法媲美的。我国科学家制备出单原子铂催化剂中科院大连化物所张涛研究员领导的航天催化与新材料研究组在多年研究高分散催化剂的基础上，与清华大学合作，以氧化铁为载体，利用氧化铁与铂原子之间的强相互作用，首次制备出具有实用意义的单原子铂催化剂。相关论文近日刊登在《自然·化学》杂志上。贵金属的资源稀缺性决定了其价格昂贵，但其独特的物理化学性质又决定了在多种催化反应中不可替代。因此如何提高贵金属原子利用效率一直是催化剂制备科学的核心问题之一，而其中铂金催化剂是用途最广的贵金属催化剂。张涛研究组及合作伙伴通过超高分辨扫描透射电子显微镜观察到，在他们制备出的催化剂上，所有的铂都呈单原子分散状态，没有任何亚纳米或纳米聚集体存在。单原子铂催化剂具有非常高的催化效率，其催化活性是传统的纳米催化剂的2—3倍。单个原子是否能够作为多相催化剂中的活性位是催化界曾经思考的问题，该研究给出了肯定的回答。单原子催化对于催化剂的实际应用具有重要意义。全球每年铂产量的50%都用于汽车尾气净化系统、燃料电池电极催化剂、石油化工中的催化重整选择加氢，以及各种精细化学品的合成都大量依赖于高效的负载型铂、钯等贵金属催化剂。如果单原子催化剂能在上述催化反应中获得应用，将会大大降低催化剂的成本。制备出单原子催化剂是催化科学从纳米催化走向单原子催化的一个实例。这种方法既可以提高生产效率，又可降低成本。哈工大在泡沫材料中发现大的磁感生应变铁磁形状记忆合金哈尔滨工业大学材料学院副教授张学习与美国西北大学合作开展的具有大磁感生应变性能的泡沫镍锰镓合金的制备过程与组织性能研究，首次在泡沫材料中发现大的磁感生应变。《自然—材料》杂志近期刊登了这一研究成果并给予高度评价。镍锰镓合金具有磁感生应变特性最早发现于1996年，2002年发现镍锰镓单晶具有高达9.6%的磁感生应变性能，然而单晶制备过程复杂、容易发生成分偏析，制备困难且成本很高；相反，多晶镍锰镓合金容易制备且成本低，在多晶合金中实现高的磁感生应变性能成为该领域研究的热点和难点。铁磁形状记忆合金在磁场控制下不仅具有可与形状记忆合金相比的、大的输出应变和应力，而且具有高的能量密度和可与压电材料相比的、高的频率响应和可精确控制的特性。哈工大金属基复合材料课题组多年来采用的挤压铸造技术，制备了多晶镍锰镓泡沫材料，发现该方法制备的材料成分偏析小、孔隙分布均匀、马氏体孪晶穿越了泡沫材料中的节点及孔棱，奥氏体—马氏体相转变温度稍高于室温，在0.97特斯拉强度磁场下实现了高达8.7%的可逆磁感生应变，达到目前多晶镍锰镓材料磁感生应变量的最高值。该期《自然—材料》杂志封面报道了镍锰镓泡沫材料孔棱中的孪晶结构，同期杂志对镍锰镓泡沫材料研究予以专题评述，认为该研究“获得了可与镍锰镓单晶材料媲美的磁感生应变性能，使铁磁形状记忆合金的工程应用成为可能。泡沫材料中发现大的磁感生应变是铁磁形状记忆合金领域的一个突破”。美开发出可吹塑成型的合金材料强度是普通钢材的两倍加工成本同塑料一样便宜几十年来，科学家们一直试图找到或制造出这样一种材料，既能像塑料一样具有良好的可塑性和较低的加工成本，又能像钢一样具有很好的强度和耐久性。这并非不切实际的幻想，据美国物理学家组织网报道，美国耶鲁大学的科学家们已实现了这一目标。耶鲁大学材料学家简·施洛尔斯领导的一个研究小组证明，由他们制成的一种块体非晶合金材料能够像制作玻璃或塑料制品一样吹塑成型，且不会牺牲其原有的强度和耐久性。相关论文已在线发表在国际材料学著名期刊《今日材料》杂志上。这种材料由包括锆、镍、钛和铜在内的多种金属构成。其材料成本与高端钢材大致相同，但加工成本却和塑料一样便宜。吹塑过程在低温低压下进行，此时这种非晶合金会逐渐软化，并能像融化的塑料一样流动，但又不会像普通的金属一样出现结晶现象，由此为后续的吹塑工作带来了前所未有的便捷。为了达到并保持理想的精度和温度，吹塑过程能在真空或液体中进行。到目前为止，该团队已经用该材料制造出了无缝金属瓶、表壳等外形较为简单的物品和用于微机电系统（MEMS）的微型谐振器以及生物医学植入物等结构较为复杂的设备。这些材料的加工过程不到一分钟，但强度可以达到普通钢材的两倍。通过吹塑法来加工块体非晶合金，该团队还将传统金属加工的三大步骤（成型、接缝、精加工）合为一步，从而免去此前繁琐、费时、耗能的加工程序，在时间上新工艺最短只需一分钟。它将有望成为一种极具潜力的新型材料，就如同当年的合成塑料一样，在相关工业领域引发一场革命。据了解，不久前苹果公司与拥有该项专利的液体金属科技公司签署协议，获准在消费电子领域使用这项技术。或许在未来的几年内我们就能用上由该材料制成的笔记本电脑和手机。美研制出迄今强韧度最好的合金《自然·材料》杂志刊登报告说，美国研究人员制出一种新型合金材料，且是迄今在强度和韧度两方面综合性能最好的材料。该方法以金属钯为主要材料，加入少量银和其他元素，在融化状态下将其快速冷却，从而获得一种具有类似玻璃内部结构的全新合金材料。实验显示，这种新材料在强度和韧度两方面的综合性能超过其他任何已知材料。在材料学中，强度指材料在不出现永久变形情况下承受压力的能力，而韧度是抗碎裂的能力。玻璃是强度好过韧度的典型，而铁等金属则相反。这种使合金具备类似玻璃结构的技术以前就有，但过去使用其他金属得到的合金性能不理想。本次研究的成功之处是找对了“配方”。钯、银等金属混合后能产生既强且韧合金的深层原因目前还不清楚，需要进行更深入的研究。由于钯是一种昂贵的金属，这种新材料暂时还难以大规模应用。研究人员认为目前最适合的用途是制造对强度和韧度要求都较高的牙科用品等。不过，他们也在探索用便宜的铜、铁或铝等金属来制造类似的合金材料。新合金让光电催化水解制氢更快捷据美国物理学家组织网近日报道，美国科学家研制出了一种新的氮化镓—锑合金，其能更方便地利用太阳光将水分解为氢气和氧气，这种新的水解制氢方法不仅成本低廉且不会排放出二氧化碳。科学家们在美国能源部的资助下，借用先进的理论计算证明，在氮化镓（GaN）化合物中，2%的氮化镓由锑（Sb）替代，这样结合而成的新合金将拥有适宜的电学特性。当其浸入水中并暴露于阳光下时，会通过光电化学反应，借用太阳能将水分子中的氢原子和氧原子之间的化学键分开，将水分解为氢气和氧气。这种氮化镓—锑合金是首个简单且容易制造的可通过光电反应水解制氢的材料。而且，在光电化学反应中，这种合金是催化剂，这意味着它并不会被消耗，因此可被不断地回收利用，科学家们已经制造出了这种合金并正在测试其将水解制氢的效率。以前，科学家们利用光电反应水解制氢使用的都是复杂材料。但他们决定另辟蹊径，尝试利用易制造的材料来完成这个任务，并希望将这些材料内的电子排列进行微调，以获得令人满意的结果。现在使用的大部分氢气都由煤和天然气等非可再生能源产生。由煤和天然气等非可再生燃料制造氢气会排放出大量二氧化碳。该合金有望将太阳能和水变成经济、环保的氢气来源。更多最新进展可到“教育与科研计算机网—科技前沿”“中科院主页—科技动态”等网站查询。