材料最前沿：新物质形态“时间晶体”、新材料PM2.5 滤除率超99%、碳纳米片比三维石墨烯导电率大两个数量级
美造出新物质形态“时间晶体”：
或可用于开发量子计算机
提到晶体，普通人可能会想到钻石等物质，其中原子在空间维度上按一定规律重复排列。那有没有晶体的结构能在时间维度上重现呢？这样的晶体就是“时间晶体”，美国研究人员刚刚报告说制造出了这种新的物质形态。
美国加利福尼亚大学伯克利分校研究人员最近在美国《物理评论快报》杂志上发表论文，描述了如何制造“时间晶体”和测量其特性。论文主要作者、该校物理学助理教授姚颖说，可以用果冻来比喻“时间晶体”，与反复轻拍果冻时它的晃动类似，“时间晶体”在受到周期性冲击后其结构也会在时间维度上重现。普通晶体则不会表现出这种特点。
姚颖介绍，“时间晶体”是一种新的物质形态，属于非平衡态。常见的许多物质都是平衡态物质，它们在不受外界影响时，结构等特征不会随时间而变化。姚颖说：“过去半个世纪里，我们一直在研究平衡态物质，比如金属和绝缘体。现在我们刚开始探索非平衡态物质这一全新世界。”
“时间晶体”的概念最初由美国麻省理工学院理论物理学家、诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔切克在2012年提出。姚颖说，他所在的研究小组充当了连接理论假设与实验执行之间的桥梁，帮助两个美国团队以不同方式造出了“时间晶体”。
其中，马里兰大学的团队将10个镱原子排成一列，然后用两束激光交替轰击它们，使得这些原子进入一种稳定且重复的自旋翻转模式，符合“时间晶体”的定义。另一个来自哈佛大学的研究团队则通过向钻石中密集充入氮气的方式，也制造出了“时间晶体”。
由于“时间晶体”是一种非常新颖的物质形态，研究人员还没有想好如何利用它，不过由于理论上非平衡态物质具有绝佳的存储能力，这方面成果或许可用于开发量子计算机。
（来源：科技日报）
北京理工大学团队发现过滤PM2.5新材料：
滤除率超99%
2月8日，新华社报道称，北京理工大学化学与化工学院教授王博及其团队成功将金属有机骨架化合物（MOFs）材料应用于空气过滤、净化与治理等方面，国际权威学术期刊《自然》近日刊登了该团队的成果。
这篇名为《金属有机合物在空气过滤领域的应用（Metalorganic mix for air filters）》的论文对该研究成果进行了报道，并指出通过能够大规模生产的MOFs材料薄膜在空气过滤上的应用，可有效过滤PM2.5，净化空气。
王博表示，MOFs材料是一种多孔结晶材料，由有机骨架和金属离子组成，这种材料可以通过静电吸附作用实现对大量的细微颗粒物的捕获。王博团队合成了三种MOF结晶化合物，并且使他们附着到不同的基材表面，包括纺织物、泡沫材料和塑料材料，实现了双面热滚压加工。
据介绍，这种材料是目前世界上已知的吸附储存气体分子能力（比表面积）最强的一类材料，比表面积最高可达8000平方米每克，是活性炭、分子筛的10多倍。这种材料在可见光照射下，实现日光催化，将有害有机物分解为二氧化碳和水。进而使得滤除效率得以持续保持，长效作用，无二次污染，且滤除率超过99%。
不同种类的MOFs材料 资料图
经过实验室检测，在室温下的空气过滤结果显示，该种材料能够有效地将空气中的PM2.5和PM10污染物降低99.5%，只有在200℃的时候才出现较少的效率损失。另外，该材料在过滤方面的潜在应用还包括家用吸尘器的灰袋材料和汽车排气管装置领域。
据悉，王博团队下一步将深入推进技术转化和产业化，应用于工业废气治理、空气净化器、纱窗制造等领域。除了《自然》杂志外，德国的Advanced Science等相关媒体也相继对这一科学研究成果进行了关注报道。
清华大学化学系主任、长江学者特聘教授王训认为，王博团队的这一成果将基础研究与应用研究结合起来，对于治理雾霾、净化空气等具有重要意义，其应用前景广阔。
（来源：观察者网，综合自新华社）
新材料比三维石墨烯的导电率还大两个数量级
研究者发现金属钠可以显著地提高碳电极的性能
在能源技术领域中，小小的金属钠起到了可思议的作用。尤其是当碳中包埋了金属钠后，就可以显著地提高电极的性能。
密西根理工大学（Michigan Tech）材料科学和工程系Charles和Carroll McArthur教授Yun Hang Hu领导的研究团队，找到了一种全新的方法来合成碳纳米片，这种碳纳米片就包埋了金属钠，而之前，这种材料仅仅停留在理论上。最近业内一家倍受关注的刊物《纳米快报》（Nano Letters ）报道了这项研究成果。
高导电性和大接触表面积，是理想电极材料的必要条件，但是这两种性质在现有材料中不兼容。无定形碳表面积虽然大，但导电率却很低。石墨正好与之相反，导电性较高，但是表面积不大。相比之下，石墨烯同时具备这两种性质，密西根理工大学Yun Hang Hu合成的包埋有金属钠的碳电极性能就非常好。
Hu介绍说，“与三维石墨烯相比，包埋有金属钠的碳不仅电导率比它大两个数量级，而且隧道和孔状结构还使它具备更大的接触面积。”
这种材料与简单参杂金属的碳不同，以往的金属只是简单的粘附在碳表面，很容易被氧化。不过，如果能够把金属埋入碳中，外部的碳骨架便会起到保护作用。为了合成这种梦寐以求的金属，Hu和他的团队不得不寻找新的工艺流程。他们让金属钠与一氧化碳反应，这种反应需要控制温度，从而生成黑色的碳粉捕获钠原子。
此外，密西根理工大学和得克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texasat Austin）合作的研究结果证明，金属钠确实已被埋入碳中而不是简单的吸附在碳表面。接下来，研究团队在几种能源器件中测试了材料的性能。
在染料敏化太阳能电池领域，转换效率每提升0.1%，就意味着向商业化迈进一步。研究结果表明，基于铂的太阳能电池转换效率为7.89%，而这已经达到行业标准。相比之下，以包埋有金属钠的碳为材料的太阳能电池，转换效率可达11.03%。
比起可充电电池，超级电容器可以更快地接受和释放电荷，这又使它成为汽车，火车，电梯和其他重型机械设备的理想电源。材料储存电荷的能力，即容量，用法拉（farads，F）表示，材料的质量也很重要，用克（grams，g）表示。
在超级电容器中，活性炭是一种常见材料，它的比电容为71F/g。三维石墨烯的比电容稍大，为112F/g。相比之下，包埋有金属钠的碳纳米片的比电容高达145 F/g，远大于前两者。此外，经过5000次充/放电循环，这种新材料的性能还保持在96.4%，这表明电极具有很高的稳定性。
Hu还说，“能源器件领域急需创新。”同时，他认为包埋有金属钠的碳纳米片的应用前景很光明，这种材料促进了太阳能技术，电池，燃料电池和超级电容器等领域的发展。
原文链接：
（来源：环球科学、 Sciencedaily，翻译：杨镐羽）
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