航天员在离心机里

要说最近一段时间化工界什么话题最火，材料一定是绕不开的话题。因为疫情的影响，从口罩到熔喷布再到聚丙烯，我们快速见证了熔喷布从一文不名到五十万/吨的天价，而后又跌的让很多投机商裤衩不剩的情况。之所以如此疯狂，和很多媒体的引导是分不开的，但和很多行业的靠概念炒作不一样，化工行业一直是依靠技术推动的。化工人坚信大潮退去才知道谁在裸泳。

当有些人在忙着投入身家性命去炒概念，另一批人则在务实的科研和创新。同样在五月份，化工界的一件大事成为公众街头巷尾热议的重点：中国科学技术大学俞书宏院士团队在国际上首次将纳米纤维素加工成一种新材料，该材料在汽车、航空航天等领域具有应用前景，并有望替代工程塑料减少污染。

众所周知，材料领域一直是成就化工行业传奇的重点领域，从尼龙到聚氨酯，可以说材料领域的创新引领着时代的创新。那么近期又有哪些值得让人关注的创新材料呢，让我们一块来看看吧：

1纤维素纳米纸

纳米纤维素(NC)作为自然界来源丰富的可再生天然高分子材料，不仅具备纤维素的基本性质， 还拥有纳米材料的一些特殊性能，有着巨大的发展潜力。目前，以纳米纤维素为基本单元成功制备了多种性能优异的结构和功能材料， 极大提高了纤维素的附加值和利用效率。由纳米纤维素通过真空过滤等方法制备的纤维素纳米纸(CNP)不仅拥优异的力学性能、光学性能和热性能，同时还具有来源丰富、可再生的优点，是一种极具前景的柔性、透明膜材料。目前已被成功应用于太阳能电池、超级电容器和有机发光二极管等柔性/可穿戴电子领域。

纳米纤维素来源( 包括植物、动物和微生物) 广泛、储量丰富， 是人类近期难以人工合成的材料之一。根据材料来源、制备方法及纤维形态不同，纳米纤 维素可分为纤维素纳米晶体(CNC)、纤维素纳米纤丝(CNF)、细菌合成纳米纤 维(BNC)和静电纺丝纤维(ECC)4大类。航天员在离心机里

纤维素纳米纸的疏水改性及应用研究纤维素表面含有大量的活性羟基，造成它具有强烈的亲水性。在水分子的作用下，纤维素内部氢键断裂，纤维素纳米纸整体结构遭到破坏，机械性能急剧下降。甲硅烷基化、 乙酰化/酯化、聚合物接枝和物理吸附等有效改善了纤维素纳米纸的表面疏水性，同时一定程度上提高了纤维素纳米纸在潮湿环境下的应用性能。尽管纤维素纳米纸的疏水改性研究已有多年，但依然存在两个主要问题:第一、 改性过程中保持纤维素的原始结构和性能发生破坏。由于大量分子间氢键和高结晶度，纳米纤维素具有优异的力学性能， 改性过程中羟基逐步被其它官能团取代或被疏水分子包裹遮蔽纤维素纳米纸的力学性能受到一定程度的影响。此外结晶度的下降会进一步削弱其力学性能． 第二、“绿色化” 改性问题。目前化学改性通常使用大量有机溶剂，不仅造成一定的环境污染问题， 还增加了成本，不利于大规模的产业化生产。

研究表明以水作为反应溶剂进行化学改性是一种可行的、环境友好的方法。随着纤维素改性技术的不断的深入发展与完善，制备的柔性、透明纤维素纳米纸材料会逐渐趋于高性能和多功能，其应用会更加广泛，并在各种高端领域发挥出前所未有的价值。

2硼墨烯

位于元素周期表中的第五位元素硼, 其丰富的化学结构和多样的成键方式仅次于有机化学和生物科学中的核心元素——碳元素。硼的缺电子性质导致其必须通过多中心键的方式共享电子以平衡体系的电子分布, 因此硼团簇多具有独特的几何结构和电子离域的成键特性。近年来, 硼团簇及其材料的研究越来越受到人们的重视, 并取得了一系列研究成果。

科学家一直感兴趣这种单层二维材料的独特属性，特别是其电子性质。硼墨烯是一种不同寻常的材料，因为它在纳米尺度表现出很多金属特性，而三维硼或者散状硼都只是非金属半导体。因为硼墨烯同时具有金属性和原子厚度，从电子产品到光伏发电都具有广泛的应用可能性。

与其在元素周期表上的“邻居”碳元素相似，硼也经常以不同的“面孔”示人，被称为“同位异形体”。石墨由很多二维层堆叠而成，可以被整层“撕开”，但对于二维硼墨烯而言，则不具备这样的属性。领导这项研究的纳米科学家南森·郭尔辛格说：“硼墨烯非常有趣，它不同于先前的二维材料，不会自然出现。”

对这些硼墨烯薄膜的分析显示，有些薄膜和“硼墨烯”分子结构模型具有一定的相似之处，都是由36个硼原子形成三个相互联结的准平面环，中间留下一个六边形的空洞。不过，这些新型薄膜并非由单个分子构成，而是由若干层这样的环状结构组成，显示出面外弯曲振动特征。这些片段会自行形成一个六边形结构，中间环绕着一个硼原子，就好像一只蜜蜂坐在蜂巢正中间一样。此外，科学家还观察到了其它结构，如一种丝带状的材料等。

同素异形体的微观结构并非由二维结构堆叠而成, 因此硼墨烯无法像石墨烯一样可以经过层间剥离产材料的合成在这项最新研究中，科学家使用物理气相沉积技术制造出了硼薄膜。使用这种方法时，硼在超高级真空下被气化。气化后的粒子在真空中转移到目标平面上(这项研究中采用的是银)，并沉积成一层薄膜。研究人员能够获得一系列不同的平面硼结构，取决于硼粒子的移动方向和沉积条件。需要指出的是，发现和合成硼墨烯实际上借助了计算机模拟仿真工具。

3冷沸材料

我们周围的物质材料一般都是热沸材料，随着温度的上升而依次呈现固、液、气、等离子体四态。在宇宙中还存在着一种性质截然相反的冷沸材料，随着温度的下降而依次呈现固态、液态和气态。在月球的骨架材料中，就大量存在着这种由四极夸克构成的冷沸材料。聚集态的冷沸材料在常温及高温为固态，在零下 121 ℃变为液态，在绝对温度 3 K(约零下 270 ℃变为气态(也称游离态)。冷沸材料的特殊性能在月球的特殊构造的形成过程中发挥了关键作用。月球的构成极不均匀，一侧是密度为 3. 2 ～3. 4 g/cm3的月岩，另一侧 4 ～6 km 深的月球内部则含有大量由四极夸克构成的天然冷沸材料，密度约为 0. 05 g/cm3; 在月球表面 40 ～60 km 以下的月核部分所含的冷沸材料的纯度更高。聚集态的冷沸材料在常温和高温时则热而弥坚，愈热强度愈高，冷沸金属材料最高耐受温度可达10 200 ℃，在常温及高温时均可保持电超导和磁超导特性; 冷沸非金属材料可耐 7 400 ℃ 的高温，是优秀的耐磨和阻磁材料。2006 年初英国剑桥大学的学者在对太阳周围的暗物质晕进行观察时发现，暗晕的温度可以高达一万多摄氏度，但更高的温度区域就不再存在暗物质晕了，该项观察结果印证了冷沸金属材料的高温极限。自然界中极少存在凝聚态的天然冷沸材料，只有像月球这样的冷星球骨架材料中存在着四极凝聚态夸克(通常质子中的夸克都是三极的)可供采掘。我们之所以把冷沸材料称为超级材料，是因为它具有一系列人类目前使用的热沸材料所未有的性能，可以用于研制一系列前未有的航空航天发动机和飞行器、超级机械和电子设备，引发新一轮的工业科技革命。

根据《蓝星科技畅想》，如能将质子的内核夸克和外围的胶子分离，人工方法就可提取到夸克构成的冷沸材料，而利用介子射线器构成梯压振动心聚真空射浮分离技术，即可大批量分解质子、实现工业化生产冷沸材料的目的。质子流被介子射线冲击轰炸而发生分解之后所产生的夸克-胶子等离子体可在电磁离心机上加以分离。重质量的夸克从离心机上甩出后，保存在零下60摄氏度的环境中呈游离态。继续降温到零下121摄氏度并予以压缩之后变为胶状，可进行塑性加工；再降温则呈现液态；当温度低于绝对温度3K之后，冷沸物质变成游离气态，这也是“冷沸”一词的由来。只要向冷沸物质中渗入一定量的惰性气体，就可获得在超低温、低温、常温、高温以及超高温广阔温度范围内都具有超级强度的固态材料。

4超高温陶瓷

超高温陶瓷材料（Ultrahigh-Temperature Ceramics,简称UHTCs）最早由美国空军开发，主要指高温环境（2000℃以上）和反应气氛中（如原子氧环境）能够保持化学稳定的一种特殊材料，通常包括硼化物、碳化物、氧化物在内的一些高熔点过渡金属化合物，由上述化合物组成的多元复合陶瓷材料统称为超高温陶瓷材料。

如此优秀的高温性能，航空航天领域必须要有超高温陶瓷的一席之地。比如说高超声速飞行器，它在长时间高超声速巡航、跨大气层飞行和大气层再入等极端环境下，飞行器机翼前缘和鼻锥等关键部件在飞行过程中会与大气剧烈摩擦，产生极高的温度——如 Falcon计划中机翼前缘的驻点区域温度可以超过2 000℃，如果材料不够“耐烧”，飞一趟就得报废了。虽然除了超高温陶瓷外，难熔金属材料、C/C复合材料也都具备优异的高温性能，但前者难加工、抗氧化能力差，后者C /C 在高温下容易发生氧化，这都限制了它们在超高温领域，尤其是在可重复使用飞行器上的应用。而陶瓷基复合材料，特别是过渡金属硼化物（TiB2、YB4）和碳化物（ZrC等），由于具有高熔点、高硬度、高热导率和适中的热胀系数，具有良好的抗烧蚀性和化学稳定性，被认为是高超音速飞行器和再入式飞行器的鼻锥和前缘等部位最具前途的热防护材料。

2017年时，曼彻斯特大学和中南大学的研究人员合作设计了一种陶瓷涂层，可以抵抗高速飞行器因高温引起的两个最大的问题——烧蚀和氧化。

报道中称有两种候选材料被寄予厚望，一是ZrC，通常用于涂覆超音速飞行器的钻头和发动机零件；二是其表兄ZrB2，不仅可以在高达1500摄氏度的温度下抗氧化，而且密度低且成本相对较低。不过后者有一定的风险，当硼原子确实被氧化时，就会使其易于被烧蚀，因此如果涂层的某个部分碰巧发生意外时，就会造成灾难性的后果。不过，就算不“上天”，超高温陶瓷材料在切削工具、电子材料、研磨材料等领域也有用武之地，例如具备高硬度的TaC就已在切削领域得到了应用。至于超高温陶瓷还具有多少的其他潜力，就等科学家慢慢告诉我们吧！

5全息投影膜

透明全息投影膜拥有独一无二的透明特性，在保持清晰显像的同时，能让观众透过投影膜看见背后景物。画质100%清晰亮丽，非凡超薄境界，绝无空间设限。有此神奇效果，得益于在国际市场上首次发表的综合衍射图(hologram)技术的实际应用，是国际上首次实现在无论光源是否充足的情况下，皆能透过正面及背面两侧同时、多角度直接观看影像的划时代专利技术投影膜。全像彩色滤光板结晶体（HCFC）为核心材料，融合纳米技术，材料学、光学、高分子等多学科成果和制备加工技术，以有机材料、无机纳米粉体和精细金属粉体为原料，生产而成。轻薄内部蕴含先进的精密光学结构，以达致高清晰、高亮度的完美显像。

360度全息投影同样能给人带来极强的三维立体的效果，但实际上却是一种伪全息显像技术。因为根据维基百科的定义真正的全息影像技术是指通过相干光（ 激光就是其中一种） 干涉原理对图像进行处理，以便可以精确地再现被记录物体的三维外观。是一种记录被摄物体反射（ 或透射）光波中全部信息（ 振幅、相位）的照相技术。而360度全息投影技术便相对简单。其中关键的显像部分便是全息膜，它在保证了显像清晰的情况下使观察者能透过它清晰地看到其中的像。周杰伦与“ 邓丽君”的同台对唱便利用了这样的全息膜。两者的原理也相差无几，它们都利用了一种光学现象，即佩波尔幻象，来实现虚拟和现实的叠加。它要求观察者既能看到材料上映出的像，又能透过材料看到另一边，性能优良的全息膜便是极好的材料。再加上现代高超的数字渲染技术， 不同的画面在空间中叠加便呈现出了极好的演示效果。与其说它的进步体现了全息投影技术的进步，不如说其代表了智能渲染技术的日臻成熟。航天员在离心机里

空气投影和交互技术与360度全息投影技术同属伪全息投影技术，但也是现今发展前景最好的一种显像技术。迄今为止，它也是最接近科幻电影中全息投影效果的成像技术。利用特殊机器吸入空气，经过加热处理将其喷出，来改变空气的成像特性（比如密度），之后再由特定方向射入光线，进行投影，使物体仿佛浮在空中。观察者便能从各个方向观察物体。这种成像模式在某种程度上也与海市蜃楼的形成原理类似，当气体温度发生变化， 气体的折射率便也会随着温度的改变而改变。一般情况下，由于冷空气的密度比热空气大， 其折射率便也显著大于热空气。当光线从冷空气（光密介质）入射进入热空气（ 光疏介质）时，全反射便也有了发生的条件。而在两种介质间也会由于折射率不同而发生折射。于是， 在折射与反射的共同作用下，同时加以高性能计算机的协作，空气投影和交互技术便能实现物体的三维成像工作。

要实现动态全息显示，全息材料的分辨率、可刷新速率、干涉衍射效果和所显图像的尺寸等是使其实现的重要物理参数。而实现全息动态视频一直以来的最大难题就是视频的刷新速率。近些年，不少专家学者对于此问题仍出于研究状态。2012 年，日本 Kinashi 等报道了光折变聚合物材料中刷新时间为 0.2 s 的准实时动态全息显示结果。Ishii1 等为实现全息视频的刷新，发现光致变色材料可作为全息介质。但要实现全息图像的完全擦除更新需要 100 多毫秒，并且还有图像拖尾严重影响可视度。上海大学高洪跃博士利用超快液晶薄膜实现了全息响应时间在毫秒量级的实时动态全息显示，突破了动态全息显示的技术瓶颈，真正实现了无串扰的全息视频刷新。

从上面如此众多的材料创新点上我们可以看出，以创新材料为代表的化学，不仅一个国家科研能力的代表，更是决定了我们能否在不远的将来能否抢占技术制高点的关键。清华大学教授、中国科学院院士邱勇就曾经直言我国的新材料发展大大滞后于制造业的需求。所以在这里我们也要说出化工人的心声：请媒体不要再引导我们的年轻人变成短视的守财奴！我们需要的是有更多的俞书宏，而不是更多的熔喷布大亨！