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二氧化碳变能源

近日，韩国蔚山国家科学技术研究所和美国佐治亚理工学院的研究人员，开发出一套吸收二氧化碳并产生电能和可用氢燃料的新系统。

这是一种混合“钠 - 二氧化碳”系统的大型液体电池，研究人员将钠金属阳极置于有机电解质中，将阴极置于水溶液中，两种液体通过一种钠超离子导体实现膜分离。当二氧化碳进入含水电解质中与阴极反应后，溶液的酸性便会增强，从而产生电和氢气。

研究人员表示，该系统二氧化碳的转化效率可达 50％，运行超过 1000 小时而不会对电极造成任何损害，但该系统各个组件仍存在改进余地，能否投入大规模生产使用还有待观察。如果效率进一步提升，这种系统将有望为新型氢汽车提供动力。

宁波材料所：高分子复合材料 3D 打印获进展

随着科技的不断发展进步，3D 打印技术作为一种全新的数字化模拟制造技术应运而生并迅速发展。其中，熔融沉积技术具有设备简单、工艺洁净、运行成本低且不产生过多加工残留物等优点，被广泛应用于快速原型和教育等领域。但现有的熔融沉积材料主要以 ABS 和 PLA 等通用塑料为主，需要针对工业产品制造开发适合高强度工程塑料等材料的 3D 打印成型技术。

中科院宁波材料所增材制造重点实验室许高杰团队针对高性能工程塑料 3D 打印技术开展了一系列研究工作。选取了具有高坚韧度和抗疲劳特性的半晶态尼龙 12 和高强度聚醚酰亚胺作为基体，研究了熔体流变特性对熔融长丝烧结特性的影响，对高性能工程塑料的 3D 打印工艺参数、工业可用性进行了研究。研究发现，半结晶高分子具有较好的流变性能和快速烧结特性，在合适的打印条件下能够获得接近注塑件的力学性能。拓展了高温高强度工程塑料在熔融沉积技术中的应用（Rapid Prototyping Journal, 2017, 23(6), 973–982. High Performance Polymers, 2019, 31(1): 97-106.）。

图 1 共混物熔融沉积成型流程图

由于熔融沉积层层叠加成型过程产生的空隙会不可避免地降低 3D 打印产品的机械强度，严重制约了熔融沉积技术的应用推广。研究人员在工艺研究的基础上，开发了尼龙 12/ 氧化石墨烯、尼龙 12/ 碳纤维复合材料。研究发现两种填料在熔融沉积成型过程中可实现取向分布，不仅有效提高了产品的机械强度（GNPs 7% 和 CFs 251.1%），还能够对产品热导率（提高 51.4%）进行灵活调控。（Journal of Applied Polymer Science, 2017, 134(39), 45332.; Materials & Design, 2018, 139: 283-292.）。

最近，研究人员以聚乳酸（PLA）为基体，以热塑性聚氨酯（TPU）为填料，通过熔融沉积技术的整个加工流程实现了弹性体 TPU 原位成纤，纤维状 TPU 的平均长度可以实现从 67.24μm 到 103.72μm 的精准调控。同时，TPU 成纤有效改善了其与 PLA 基体的界面结合力。研究发现，3D 打印形成的网格状 TPU 可有效补偿打印空隙对打印件力学强度的弱化效应，使产品的韧性达到甚至超过注塑水平。该熔融沉积原位纤维技术为制备高韧性聚乳酸复杂结构零件提供了简便有效的方法（Macromolecular Materials and Engineering, 2019, 1900107）。

图 2 注塑（a）和打印（b）成型件中 TPU 的分布形貌

图 3 TPU 含量和分布结构对制件冲击强度的影响

准晶体的“华丽转身”

准晶体，从 1982 年被以色列材料科学家谢赫德曼发现，到逐渐为科学界所接受并认可，经历了数十年的曲折。近日，研究人员首次发现了一种超导准晶体，在晶体学界掀起了新的波澜。

由日本名古屋大学、丰田工业大学、丰田理化学研究所组成的一个研究团队，研究了一种由铝、锌和镁组成的合金。一般说来，晶体状态都被认为具有超导性。然而，铝锌镁合金的结构取决于这三种元素的比例。该研究团队发现，铝的占比对这种合金的性能有着至关重要的影响。在保持镁含量不变的情况下，当铝含量降低至合金的 15% 时，超导的临界温度将会降低至 0.05K 左右，此时，该合金就变成了准晶体结构。

自从第一个准晶体被发现以来，有的物理学家就曾提出过设想——准晶体中可能存在超导性。现在，这一设想终于被发现并证实，将可能助推超导新材料的产生。

中科院苏州纳米所张学同研究员团队在气凝胶纤维领域获重要进展

因防寒服装对保暖性、轻便性以及功能化的要求越来越高，造成了对其基础材料——保暖纤维的要求也越来越高。天然纤维与传统化学纤维的应用潜能几乎已开发完毕，因此需要对传统的化学纤维进行结构上的创新以获得更加良好的保暖性能。上世纪五十年代，美国杜邦公司开发出了异形纤维，化学纤维的光泽性、蓬松性等特性获得了极大改善。在众多的异形纤维之中，中空纤维因为显著提高了其内部静止空气的含量，因此明显提高了化学纤维的保暖性能。上世纪七十年代，科研人员开发出超细纤维，由超细纤维制作的人造皮革等仿生材料使化学纤维的保暖性能与天然材料平齐。通过对中空纤维和超细纤维的研究发现，纤维材料的保暖性能与纤维材料内部静止空气含量成正比，与纤维直径大小成反比，与整体材料密度成反比。气凝胶纤维具有孔隙率极高、密度超低等显著特征，理论上是隔热保温效果最好的一种纤维，有望取代超细纤维、甚至颠覆羽绒，是下一代保暖纤维的最重要发展方向。但气凝胶的高孔隙率特征也造成其制备面临着极大挑战。

凯夫拉气凝胶纤维

鉴于此，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员领导的气凝胶团队（http://www.aerogel-online.com/index.php）通过溶解杜邦 TM 的 Kevlar 纤维获得纳米纤维分散液，然后进行湿法纺丝、特种干燥等过程制备出了一种具有高孔隙率（98%）和高比表面积（240 m2/g）的凯夫拉气凝胶纤维，如图所示。该气凝胶纤维具有优异的力学性能，可以任意弯曲、打结、编织等。该气凝胶纤维同时具有优异的隔热性能，常温下热导率仅为 0.027 W/m·K，在低温下其隔热性能是棉布的 2.8 倍，可在 -196~300℃的极端环境下长时间发挥隔热保温性能。此外，该气凝胶纤维还具有优异的化学稳定性，可进行染色、疏水化、化学镀等多种改性且不损伤气凝胶主体骨架结构。最后，该气凝胶纤维也可以通过填充相变材料制备成空调纤维，其热焓值可达 162 J/g，远超现有商用 Outlast 空调纤维的热焓值。

可扩容液流电池

要让电动汽车跑上数百千米而不用充电，提高电池性能是关键。但现有的技术改进始终是小打小闹，突破性进展总让人觉得遥不可及。不过，最近由麻省理工学院教授蒋业明提出的液流电池可能会打破这一瓶颈。

这种液流电池，就是由两罐分别带有正负电荷的液体，在一层薄膜之间相互运动，离子在两种液体的“搭载”下循环并生成电能。这种液体中存在着一种“秘密调料”——碳构成的纳米微粒，工作时“调料”会聚集成一条“液体导线”，正负两个电解液箱体不断向液流电池提供燃料，在薄膜上发生氧化还原反应，进而产生电流。用液体的快速加注代替了电池的缓慢充电，且扩容方便。要提高电池容量，只需建造更大的储能液槽即可。

由于液体安全、不易燃，还可用于冷却电池和电机。它在未来的航空领域及军事应用中，都有着广阔前景。