人類探索未知的打開的腦洞往的奇頂刊道路從來沒有盡頭，正所謂“路漫漫其修遠兮，自己吾將上下而求索”。奇葩人們思維活動的思妙創造毫無疑問是人類意識在反映客觀存在的基礎上發揮主觀能動性的實踐過程。今天，發牛和我們一起腦洞大開，材料暢想一下未來可能改變世界的打開的腦洞往的奇頂刊發明或者理論，也許，自己你之前敢都不敢想的奇葩事情，現在就真的思妙發生在你身邊。筆者盤點了頂刊里那些很接地氣，發牛且腦洞大開的材料研究。先睹為快吧！打開的腦洞往的奇頂刊
1 竹子制成的自己堅韌和可伸縮的結構材料強度超過鋼
美國馬里蘭大學胡良兵教授等人設計了一種簡單而有效的自頂向下的方法，將天然竹子加工成一種重量輕但強度高的奇葩散裝結構材料，其抗拉強度高達≈1 GPa，韌性為9.74 MJ/m3。竹子的密度是由部分去除其木質素和半纖維素，其次是熱壓，長而整齊的纖維素納米纖維顯著增加了氫鍵，大大減少了竹材結構的結構缺陷，使竹材具有較高的機械拉伸強度、彎曲強度和韌性。經過密實處理的竹子中木質纖維素的低密度導致其比強度為777 MPa cm3?g?1，顯著高于其他報道的竹子材料和大多數結構材料(如天然聚合物、塑料、鋼和合金)。這項工作展示了用豐富的、快速生長的和可持續的竹子大規模生產輕質、堅固的塊狀結構材料的潛力。相關研究以“A Strong, Tough, and Scalable Structural Material from Fast-Growing Bamboo ”為題目，發表在Advanced Materials上。
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DOI: 10.1002/adma.201906308
圖1 天然竹子向致密竹子轉化的示意圖及抗拉強度、特殊剛度及生長速率對比
2?廢塑料、廢食物、石油焦炭秒變石墨烯
大多數批量生產的石墨烯采用自上而下的方法，即剝離石墨，通常需要大量的溶劑和高能混合、剪切、超聲波或電化學處理。雖然石墨化學氧化成氧化石墨烯會促進剝落，但需要苛刻的氧化劑，在隨后的還原步驟之后，石墨烯會出現穿孔結構缺陷。在這項工作中，萊斯大學Rouzbeh Shahsavari教授聯合Boris I. Yakobson教授展示了通過快速焦耳加熱廉價的碳源（例如煤，石油焦炭，生物炭，炭黑，廢棄食品，橡膠輪胎和混合的塑料廢料），可以在不到一秒鐘的時間內獲得g級的石墨烯。該產品以其生產工藝命名為Flash Graphene (FG)，顯示了在堆疊的石墨烯層之間的渦輪增壓排列。FG合成不需要加熱爐，不需要溶劑或反應氣體。產量取決于碳源的含量；當使用高碳源，如炭黑、無煙煤或煅燒過的焦炭時，產量可達80%至90%，而碳純度大于99%。無需任何凈化步驟。拉曼光譜分析顯示FG存在一個低強度或缺失的D帶，這表明FG是石墨烯迄今報道的最低缺陷濃度之一，并證實了FG的渦輪應變堆積，這與渦輪應變石墨有著明顯的區別。FG層的無序取向有利于其在復合材料形成過程中混合后迅速剝落。合成FG的電能成本僅為每克7.2千焦，這使得FG適合用于塑料、金屬、膠合板、混凝土和其他建筑材料的大塊復合材料。該研究以“Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis ”為題目，發表在nature上。
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DOI:10.1038/s41586-020-1938-0?
圖2 有多種碳源的FG合成
3 簡單粗暴的錘擊促進有機小分子氧化還原反應
在過去的十年中，光氧化還原催化利用光能來加速鍵形成反應。日本北海道大學的Hajime Ito團隊通過壓電效應開發出一種補充方法，用于響應所施加的機械能而對小有機分子進行氧化還原活化。在此，報道了通過球磨對壓電材料的攪拌減少了芳基重氮鹽，該機械氧化體系可用于機械化學條件下的芳基化和硼基化反應。甚至可以通過錘擊這種簡單粗暴的方式來促進反應的進行。該反應條件溫和、操作簡單、底物兼容性較好；與光化學策略相比，能夠在更短的時間內達到高的收率。相關研究以“Redox reactions of small organic molecules using ball milling and piezoelectric materials ”為題發表在Science上。
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DOI: 10.1126/science.aay8224
圖3 ?有機合成中激活小有機分子的機械反應體系的工作假說
4 聚丙烯腈纖維力學性能剛剛的
在材料科學中，高強度和高韌性之間存在內在的矛盾，只有通過使用創新的設計原理才能解決不同材料的矛盾，先進材料必須高度抗變形和抗斷裂。德國拜羅伊特大學Andreas Greiner教授多名學者共同合作克服了人造聚合物纖維中的這種沖突，并展示了多纖聚丙烯腈紗線，其韌性為137±21焦耳/克，拉伸強度為1236±40兆帕，和蜘蛛絲相似。近乎完美的單軸取向的原纖維，在存在連接分子的張力下進行退火，對于紗線機械性能至關重要。該基本原理可用于將來從其他聚合物中制造出類似的強韌纖維，并可用于生物醫學，衛星技術，紡織品，飛機和汽車等領域的各種應用。相關研究以“High strength in combination with high toughness in robust and sustainable polymeric materials”為題發表在Science上。
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DOI: 10.1126/science.aay9033
圖4不同處理工藝下紗線的照片和SEM圖像
5 當“俄羅斯套娃”遇到一維范德華異質結構
異質結構是一類材料，其中不同原子層同軸地堆疊。日本東京大學Rong Xiang 教授聯合印度、中國、美國等多名學者介紹了一維（1D）范德華異質結構的實驗合成，證明了單壁碳納米管（SWCNTs）上六方氮化硼（BN）和二硫化鉬（MoS2）晶體的單晶層的生長。 對于后者，更容易合成克服應變效應的大直徑納米管。他們還報告了一個5nm直徑的異質結構，該結構由內部SWCNT，中間的三層BN納米管和外部的MoS2納米管組成，類似于類似“俄羅斯套娃”的一維范德華異質結構，電子衍射證實異質結構中的所有殼都是單晶。 這項工作表明，當前2D庫中的所有材料都可以卷入其1D對應物中，并且可以實現大量功能可設計的1D異質結構。相關研究以“One-dimensional van der Waals heterostructures”為題發表在Science上。
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DOI: 10.1126/science.aaz2570
圖5 SWCNT- MoS2?1D異質結構的結構表征
6 細菌產物讓空氣也能發電
從環境中收集能量為自持系統提供了清潔能源的希望，諸如太陽能電池、熱電設備和機械發電機之類的已知技術具有特定的環境要求，這些要求限制了它們的部署位置，并限制了其連續發電的潛力。大氣濕度無處不在提供了另一種選擇，但是，由于缺乏持續的轉換機制，現有的基于水分的能量收集技術只能在周圍環境中產生間歇性的，短暫的（短于50秒的）能量爆發。美國麻省理工學院的Derek R. Lovley教授?和Jun Yao教授等人證明了由從硫還原微生物中獲得的納米級蛋白質線制成的薄膜設備可以在環境中產生連續的電力。這些器件在7um厚的薄膜上產生約0.5V的持續電壓，電流密度約為每平方厘米17mA。研究發現，這種能量產生的驅動力是當薄膜暴露于空氣中自然存在的濕氣時在薄膜內形成的自我維持的水分梯度，線性連接多個設備會按比例放大電壓和電流，以連接電子設備。結果表明，與其他可持續方法相比，連續性能源收集策略的可行性受到位置或環境條件的限制較小。相關研究以“Power generation from ambient humidity using protein nanowires ”為題發表在Nature上。
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DOI: 10.1038/s41586-020-2010-9
圖6納米線設備和電力輸出示意圖
7?新型三極管型水滴發電機
人們已經做了大量的努力來從水中獲取能量，這些能量以雨滴、波浪、潮汐和其他形式存在。然而，實現高密度的發電是具有挑戰性的。傳統的水力發電主要采用電磁式發電機，重量大、體積大、效率低下、供水不足。作為替代的基于水滴/固體的摩擦納米發電機，到目前為止產生的峰值功率密度小于1瓦特每平方米，由于限制界面作用特征的電荷生成和轉移發生在固液和液液界面。在這里，香港城市大學的王中林教授等人開發了一種裝置，通過使用在銦錫氧化物襯底和鋁電極上的聚四氟乙烯薄膜結構，從撞擊的水滴中獲取能量。研究表明，撞擊的水滴在設備上的擴散將最初斷開的組件橋接到一個閉環電氣系統中，將傳統的界面效應轉變為體積效應，從而使瞬時功率密度比等效設備提高了幾個數量級。該研究以“A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density ”為題發表在Nature上。
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DOI: 10.1038/s41586-020-1985-6
圖7 水滴電力發電機設計的原理圖
8?干燥雙面膠帶，用于粘接濕組織和設備
兩個干燥的表面可以通過分子間的作用力，如氫鍵、靜電相互作用和范德華相互作用等，立即粘附在一起。然而，當涉及到身體組織等潮濕表面時，這種瞬間粘附是具有挑戰性的，因為水將兩個表面的分子分開，阻止了相互作用。雖然組織粘接劑相對于縫合或吻合術有潛在的優勢，但現有的液體或水凝膠組織粘接劑存在著粘接力弱、生物相容性差、與組織機械匹配差、黏附形成緩慢等缺陷。在此，美國麻省理工學院的Xuanhe?Zhao教授等人提出了一種由生物聚合物(明膠或殼聚糖)和N-氫丁二酰亞胺酯接枝的交聯聚(丙烯酸)組成的干雙面膠帶(DST)的替代組織膠粘劑。這種DST的粘附機制依賴于從組織表面去除界面水，從而導致與表面的快速暫時性交聯，隨后在組織表面與胺基共價交聯，進一步提高了DST的粘附穩定性和強度。體外小鼠、體內大鼠和體外豬模型顯示，DST可在5秒內實現不同濕動態組織與工程固體之間的強粘附。DST可用作組織粘合劑和密封劑，并可將可穿戴和可植入式裝置附著在濕組織上。相關研究以“Dry double-sided tape for adhesion of wet tissues and devices ”為題發表在Nature上。
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DOI:10.1038/s41586-019-1710-5
圖8干法DST和干法交聯機理對濕組織和器件的附著力
9?輕如水的液態金屬實體
液態金屬具有良好的導電性和靈活性，在開發可穿戴設備和柔性機器人方面具有重要意義。但是，事實證明，這種金屬的高密度是許多實際情況的主要問題。在這里，清華大學的劉靜教授團隊，提出了一種輕如水的液態金屬輕實體概念材料。展示了一種由共晶鎵銦合金（eGaIn）和玻璃泡組成的非常規超輕材料，可以減少其密度低于2.010甚至0.448 g /cm3，甚至比水輕，但仍保持良好的一致性，電導率和剛度變化調節體溫。該材料可進一步通過折紙或力的調節來構建各種復雜的結構，代表各種應用場景，可重復使用8次，功能損失不明顯。在此基礎上，設計了具有開關和加載元件功能的浮力元件。在不久的將來，輕質液態金屬實體有望用于制造各種先進的軟機器人和水下設備。相關研究以“Lightweight Liquid Metal Entity”為題發表在Advanced Functional Materials上。
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DOI: 10.1002/adfm.201910709
圖9 玻璃泡和GB-eGaIn
10?剪紙藝術與具有機械穩定性薄膜太陽能電池的高度融合
開發具有大應變和高循環機械耐受性的可拉伸太陽能電池是可穿戴和皮膚界面電子應用的挑戰。在這項工作中，中國科學院寧波材料技術與工程研究所宋偉杰研究員和王維燕副研究員等人使用剪紙藝術設計演示了一種太陽能電池。實驗和力學模擬結果表明，剪紙藝術結構（kirigami）通過面外變形有效地提高了鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的拉伸性能，顯著降低了器件的應力。基于kirigami的PSCs具有最佳的幾何參數，具有較高的機械變形能力，包括拉伸能力(應變可達200%)、扭轉能力(角度可達450o)和彎曲能力(半徑可達0.5mm)。更重要的是，kirigami 基PSCs顯示出較高的機械耐力，即使在重復1000次拉伸、扭轉和彎曲循環后，其性能幾乎沒有改變。本文提出的可拉伸PSCs的kirigami設計為太陽能電池以及其他光電子器件實現高變形能力提供了一種很有前途的策略。相關研究以“Kirigami-Based Highly Stretchable Thin Film Solar Cells that are Mechanically Stable for More than 1000 Cycles”為題目，發表在ACS Nano上。
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DOI: 10.1021/acsnano.9b06562
圖10?kirigami PSCs穩定性測試
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