第一部分　新型功能材料

一、新型動力電池材料

2016年，美國能源部太平洋西北國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的Yuyan Shao 和Jun Liu等人，深入研究了可充電鋅錳電池循環穩定性差的原因，并提出了最終解決方案，即：通過提高初始電解質中的錳離子濃度來抑制正極中錳的溶出，控制好鋅錳儲能系統內部的化學平衡。他們在Nature Energy 上報道的新型鋅錳電池的充放電穩定性大幅提高，5000 個循環后電池容量僅損失8%。這種低成本、無毒、高性能電池的產業化將在大規模能量存儲中的廣泛運用。

二、核電關鍵材料

2016年7月，南京航空航天大學顧冬冬教授課題組利用數值模擬技術，開發介觀尺度模型，研究了鎳基高溫合金在3D 打印成形過程中的熱力學行為及孔隙運動規律，并揭示了鎳基高溫合金構建的致密機理。結果表明，熱力學行為對孔隙運動影響較大：當激光能量密度逐漸增加至221.5J/m，馬蘭戈尼對流逐漸增強，熔池中殘留的孔隙逐漸減小，構件致密度逐漸提高至98%以上，而激光能量密度進一步增加，熔池內部產生的渦流易于捕獲孔隙，造成熔池中殘留較多的孔隙，導致構件致密度大幅下降。此外，該介觀模型及孔隙運動特性研究方法可為提高3D 打印合金構件的致密化提供一種有效的解決途徑。該研究成果在Science Bulletin 2016 年第13 期發表封面文章。

三、鈣鈦礦光伏材料

2016年7月，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）的Aditya D.Mohite 課題組制備了一種接近單晶的二維鈣鈦礦薄膜。其無機鈣鈦礦成分的晶面相對于平面太陽能電池中的觸點進行面外取向排列，有利于電荷傳輸，避免了之前二維鈣鈦礦的缺陷。未包封的二維鈣鈦礦器件，其光電轉換效率能夠在持續光照2250 小時后仍保持在初始值的60% 以上，而且能耐受65% 的相對濕度，這些性能都大大超過了三維鈣鈦礦電池器件。當器件進行包封后，在連續光照或者潮濕環境中，效率沒有出現明顯降低。這項研究發表在Nature 學術期刊上。

2016年9月，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的Michael Gr?tzel 教授課題組獲得了高效穩定的鈣鈦礦太陽電池，他們將Rb 離子嵌入鈣鈦礦中形成多陽離子（RbCsMAFA，其中Rb 含量為5%）的鈣鈦礦材料，基于該材料的太陽電池其開路電壓可達1.24V，電池效率高達21.6%。平面結構鈣鈦礦電池具有制備工藝簡單、低溫制備且與柔性器件制備工藝兼容等優勢，是鈣鈦礦太陽電池未來的發展方向。相關結果發表在Science 期刊上。

2016年11月，中國科學院半導體研究所的科研人員在Nature Energy 期刊上報道了他們的最新成果。該團隊將SnO2作為電子傳輸材料，將SnO2納米顆粒溶液旋涂于ITO 玻璃基底上，ITO/SnO2/(FAPbI3)x(MAPbBr3)1-x/Spiro-OMeTAD/Au結構的鈣鈦礦太陽能電池，獲得的認證效率為19.9±0.6%，這也是目前平面結構鈣鈦礦電池的最高效率。

2016 年6 月， 洛桑聯邦理工學院（EPFL） 的Michael Gr?tzel 教授課題組發現一種簡單的真空閃蒸溶液處理法（vacuum-flash solution processing,VASP），成功制備了一塊采光面積（aperture area）超過1 平方厘米的鈣鈦礦太陽能電池，其最高能量轉換效率為20.5%，認證效率為19.6%。這一數值遠超之前同等大小的鈣鈦礦太陽能電池15.6% 的轉換率。

2016 年，美國斯坦福大學材料科學與工程學院教授邁克爾? 麥吉和英國牛津大學物理學亨利? 斯奈思教授利用錫混合鉛、銫、碘等其他幾種常用物質，制造出新型鈣鈦礦材料。鈣鈦礦材料與目前晶硅太陽能電池材料單相比，更薄、柔性更好，造價成本低。鈣鈦礦太陽能電池在可制造性和穩定性得到有效解決后，將為光伏產業帶來變革。這一研究成果發表在新一期Science 期刊上。

四、新型顯示材料

2016 年2 月，康納爾大學的Chen Peng 教授利用單分子熒光技術直接將熒光分子前軀體作為反應物，通過控制電極電勢，在納米尺度上將催化劑的氧化（空穴參與）與還原反應（電子參與）的位置成像出來。該研究將光電陽極表面光生電子—空穴對的空間分辨率推進到了～30nm 的層次，而且利用聚焦激光束以及熒光分子作為探針，獲得了表面不同位置處的光電效率，打開了理性設計光催化劑體系的大門。單分子熒光技術在多相催化中的另一個巨大威力：在納米尺度上，直接顯示光催化劑催化活性位。該研究成果發表在Nature 雜志上。

五、新型半導體材料

2016 年，先進半導體材料的應用研究繼續取得突破性進展，其潛力和價值不斷展現。11 月下旬，曼徹斯特大學和諾丁漢大學的研究人員已成功制成只有幾原子厚的硒化銦(InSe)材料。它擁有比石墨烯更好的半導體屬性，研究作者之一, 石墨烯研究諾貝爾物理學獎獲得者安德烈·海姆認為它將是未來制作電子芯片的理想材料。這項研究發表在學術期刊Nature Nanotechnology 上。

六、信息技術材料

2016年10月，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究員利用碳納米管和二硫化鉬兩種新材料開發出1nm、全球最小的晶體管，打破原有物理極限的桎梏。1nm 的晶體管大小可能只是幾個原子的大小，由中空結構、管壁厚度為一個碳原子的納米碳管構成負責控制邏輯門中電子流動方向的柵極。通過采用新型半導體材料和適當的器件結構，在一段時間內摩爾定律將繼續適用。相關研究發表在Science 期刊上。

2016年5月，瑞典查爾姆斯理工大學的研究人員開發出一種通過功能化石墨烯納米薄片高效冷卻電子器件的技術，對未來超高效電子系統開發過程中電子和光電子散熱的問題得到改善。這項技術將有助于開發出更小更節能的電子信息裝備。相關研究成果發表在Nature Communications 雜志上。

2016年7月，荷蘭代爾夫特理工大學的一個研究團隊使用掃描式隧道顯微鏡（STM）實現了“原子級”的存儲器，把存儲空間縮小到了極限，成果研制出單原子存儲芯片。新研究的存儲密度高達500Tbpsi（兆兆比特/ 平方英寸），是目前世界上最好硬盤技術的500 倍，該技術可能會極大地推動計算機尤其是數據存儲器的發展。相關工作發表在《自然? 納米技術》上。

2016 年10 月，愛爾蘭都柏林三一學院材料科學研究中心（AMBER）研究人員和曼徹斯特大學的Robert Young 教授合作將石墨烯和聚硅氧烷（俗稱橡皮泥）混合，得到了一種導電性非常好的高靈敏傳感器。研究員們發現注入石墨烯的橡皮泥（G-putty）的電阻對極其輕微的變形或沖擊非常敏感。該研究未來可能為醫學和其他領域提供新型、廉價的診斷設備，相關實驗成果已經發表在Science 期刊上。

2016年3月， 英國倫敦大學學院(University College London) 研究人員攜手來自英國謝菲爾德大學(The University of Sheffield) 及英國卡迪夫大學(Cardiff University) 的科研團隊在硅光電子領域取得突破性進展：該研究團隊在國際上首次直接在硅襯底上利用分子束外延技術生長III-V 族量子點激光器的方法，將高性能III-V 族通信波段激光器集成到硅襯底上，實現了可實用高性能硅激光器，打破了硅基光電子領域30 多年來沒有可實用硅基光源的瓶頸。該硅激光器工作于1310納米通信波段，其預計使用壽命超過10 萬個小時。這一突破性進展為未來大規模硅基光電子集成找到了新的方向。

2016年4月，美國勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校的科學家利用光學晶格中的超冷原子與超材料成功構建出具有新奇屬性的一維“量子超材料”，將提高探針原子釋放光子的速度，相關研究成果發表在Physical Review Letters 期刊上。這種新型的量子超材料，不僅可以快速釋放光子，而且保證了光子在原子間以低損耗形式傳輸，實現量子計算和信息處理的新突破和新發展。

2016年5月，美國能源部阿貢國家實驗室、北伊利諾伊大學、伊利諾大學芝加哥分校和諾特丹大學的研究人員們首次成功制造出一種被稱之為“可擦寫磁荷冰（rewritable magnetic charge ice）”的新材料，研究人員利用一種雙軸矢量磁鐵，精準而輕松地將磁荷冰調成8種可能組合中的任一種。磁力顯微鏡證明，這種磁荷冰材料在室溫下具有書寫、讀取和擦除多種功能。另外，還利用專門發開的圖形技術，把單詞“ICE”寫在了這種材料上，所占空間比頭發直徑還小10 倍。

七、生物醫用材料

2016年11月，加州理工學院（Caltech）研究者首次證實了生物體也能夠合成硅—碳鍵（silicon-carbon）。研究者利用定向進化（directed evolution）的方法對細菌蛋白質進行基因突變“培育”，挑選出最優蛋白作為酶催化合成硅—碳鍵，該重大發現將主要應用于半導體、計算機和制造業等多個行業。該研究成果發表于頂級期刊Science，該項研究首席研究員弗朗西斯? 阿諾德（Frances Arnold）表示，目前自然界也能適應并將硅元素吸收納入作為生命基石的碳基分子，并且大大提高了效率。

2016年2月，美國科學家在生物醫學領域又有了新的突破。美國維克森林大學（Wake Forest University）再生醫學研究所的科學家開發了一款“集成型組織—器官打印機”。這項技術突破了傳統生物3D打印機打印尺寸和強度的局限，可以打印大尺寸且結構穩定的“活”組織。科學家目前已成功打印出耳朵、下頜骨、顱骨和肌肉組織，距離打印出真正的人體組織乃至器官又邁進了一大步。相關工作發表在第34 期Nature Biotechnology 期刊上。

2016 年11 月，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）神經科學家Grégoire Courtine 開發了一款名為“腦脊柱接口”的神經假體界面，幫助脊髓損傷的猴子重建大腦和脊髓之間的連接，重新獲得了對腿部肌肉的神經控制，讓腿部癱瘓的猴子能夠重新站立行走。這是人類首次通過神經科技恢復脊髓損傷的靈長類動物的運動功能。科研人員在猴子控制腿部運動的大腦皮層區域植入微電極陣列檢測大腦皮質神經元脈沖活動，并將相關神經信號解碼并無線傳輸到一個植入式脈沖生成器。相關研究發表在第539 期Nature 期刊上。

2016 年8 月，中國科學技術大學俞書宏教授課題組首次通過模擬軟體動物體內珍珠層的生長方式和控制過程，提出一種新的介觀尺度的“組裝與礦化”（assembly-and-mineralization）方法，成功制備出毫米級厚度的仿生珍珠層結構塊狀材料。研究員們為了模擬貝殼珍珠層的多層“磚泥”結構，首次通過冷凍誘導的組裝過程構建了多層狀結構的殼聚糖框架，再通過乙酰化將殼聚糖轉化為穩定的β- 幾丁質，作為生物礦化有機模板。隨后，通過蠕動泵向該有機模板內不斷泵入碳酸氫鈣溶液進行礦化。礦化后的材料經過絲素蛋白溶液浸潤和熱壓處理后即得到仿生珍珠層。該研究成果發表在Science 期刊上。

第二部分 先進結構材料

八、仿生結構復合材料

2016年11月，麻省理工學院機械工程系教授伊恩? 亨特（Ian Hunter）、博士生賽義德（Seyed Mirvakili）等，研發出一種迄今為止最簡單、成本最低的“人工肌肉”復合材料系統，這種材料模擬了天然肌肉組織表現出的一些彎曲運動特性，其關鍵成分不僅便宜并且十分常見—即普通的尼龍纖維，采用特殊的成形和加熱工藝進行制備和處理，使其具備模擬天然肌肉組織彎曲運動特性的功能。人工肌肉（artificial muscles）是一種收縮和伸展特性類似于人體肌肉纖維的材料，在機器人、汽車和航空制造等領域有廣闊應用前景。該研究結果發表于國際期刊《先進材料》（Advanced Materials ）。

九、高端裝備用特種合金

2016 年6 月，澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）在鎂蒸氣冷凝實驗研究方面取得了重大突破。在碳熱還原鎂冶煉過程中，氧化鎂與碳反應生成鎂蒸汽與二氧化碳、一氧化碳等。通常的分離措施將導致鎂蒸汽與二氧化碳或一氧化碳的再次氧化反應，無法獲得純凈的初生原鎂。澳大利亞CSIRO 的研究人員使鎂蒸氣在拉法爾噴嘴噴射的超音速氣體的作用下迅速冷卻，使鎂蒸汽有效分離，且冷凝所得的鎂粉不發生爆炸。這項新的冶煉技術被稱作“鎂音速”MagSonic。“超音速噴嘴”是一個類似火箭發動機噴嘴的裝置，可使熱還原產物鎂蒸汽和一氧化碳以4倍于音速的毫秒級速度通過其中，令鎂蒸汽瞬間凝結、固化成為鎂金屬。

2016年7月， 日本東北大學的Daisuke Ando 和Yuji Sutou 等人發現Mg-Sc 原子比在4:1 左右時能夠形成形狀記憶合金，而該合金的密度僅為2g/cm3左右，遠遠小于已有材料。這種輕質鎂鈧形狀記憶合金在對重量控制嚴苛的領域存在著巨大的應用潛力。X射線衍射（X-Ray Diffraction，XRD）發現，Mg-20.5at%Sc 這種合金在熱處理并降溫后有著與普通鎂基金屬的六方密堆積不同的體心立方結構（bcc），同時伴隨少量的六方密堆積相（hcp）。研究員在不同溫度下對樣品進行應力應變測試，發現在-150℃時，樣品可以在卸力后恢復原始的形狀，且最大超彈性應變達到了4.4%，可與β 相Ti- 基形狀記憶合金媲美。這種合金的質量比以往的形狀記憶合金輕70％左右，有望應用于航空航天等要求輕量化的工業產品領域以及擴張支架等醫療器具。該項研究發表在Science 期刊上。

十、高溫合金材料

2016 年11 月17 日，美國代頓空軍研究實驗室與凱斯西儲大學聯合開發出一種受壁虎腳啟發的新型干性仿生粘結材料，可在極端溫度下保持超強粘結特性，甚至在溫度越高時粘結越牢固。研究人員將這種由碳納米管組成的粘結材料制成雙面膠帶，無論在液氮低溫環境還是在熔融的金屬銀中，膠帶粘結性能都不會下降。這種碳納米管新型粘結材料在-196℃下保持粘附力，在418℃時粘附力是常溫的2 倍，而在1033℃下達到6 倍。這種新型粘結材料在溫度變化達數百攝氏度的太空環境中具有巨大的應用前景。該研究成果發表于《自然通訊》期刊。

十一、先進復合材料

2016年11月，美國麻省理工學院和美國國家航空與航天局強強聯合，研究員們開發出一種新型可變形的超輕復合材料機翼—利用小型、輕量的模塊化結構組裝而成，可實現機翼整體平滑變形，不但能提升機翼空氣動力學性能，還大大降低了燃料的消耗成本，同時提升了整機飛行的敏捷性，其重量是傳統機翼的十分之一。該研究成果發表于國際雜志Soft Robotics 上。

2016年5月，全球碳纖維壟斷企業—日本東麗推出新的超高強碳纖維品種T2000，抗拉強度達到60GPa，是T1000 級碳纖維強度的10 倍。有研究表明碳纖維理論強度為180GPa，目前工業化的T1000 碳纖維的強度有6.37GPa。也僅僅不到理論強度的4%。而T2000 碳纖維達到理論值的33%。這種新型超高強碳纖維將大幅提升碳纖維復合材料的性能，或引發航空航天技術顛覆性的跨越。

第三部分　前沿新材料

十二、石墨烯材料技術

2016 年2 月，石墨烯的應用研究繼續取得突破性進展，其潛力和價值不斷展現。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）和加州大學Santa Cruz 分校研究人員合作，通過在氣凝膠電極石墨層間加入鋰離子和高氯酸根離子，發明了一種使3D 打印石墨烯超級電容器性能提高1 倍的方法。其3D 打印過程也稱為直接打印和石墨烯氧化物復合打印。該研究結果發表在《納米快報》雜志上。

2016 年1 月，英國曼徹斯特大學的科學家使用石墨烯等離子體的獨特性能，開發了一款可調諧太赫茲激光器，改變了現有太赫茲激光器只能固定一個波長的限制。為了構建該激光器，該團隊使用了石墨烯來取代原先使用的金屬，他們將一系列不同厚度的量子鋁砷化鎵和砷化鎵放置在基板上，然后將由黃金制成的波導覆蓋在這些砷化鎵上，在鍍金層上放置一層石墨烯；而研究人員事先已經在鍍金層上形成了一些狹縫以便于讓電子通過，最后將高分子聚合物電解質覆蓋該三明治結構，并通過懸臂對激光器進行調諧。該成果發表在Science 期刊。

2016 年， 美國賓夕法尼亞大學的Joan Redwing 教授和Joshua Robinson 科學家采用石墨烯封裝方法，首次成功合成了氮化鎵（GaN）二維材料，其具備的優異電子性能和強度將產生顛覆性應用效果；該大學科學家還基于雙層石墨烯開發出電子流態控制設備，可能開辟電子學新的發展方向。該研究成果發表在Nature Materials 上。

十三、材料3D打印技術

3D 打印技術前沿又有新突破。2016 年2 月，美國堪薩斯州立大學(K-State) 的林棟博士等研究人員研發出一種新技術，可以制造出具有復雜微觀結構的超輕石墨烯氣凝膠。他們將石墨烯氧化物與水混合，并在- 25℃的低溫環境下進行3D 打印。這樣每打印出來的一層都會被冰凍住，然后在冰的支持下再打印下一層。在此基礎上，研究者們能夠創建出密度范圍在0.5～10 毫克每立方厘米的氣凝膠，而且具有良好的導電性和高壓縮性。

十四、智能材料

2016年12月，加州大學河濱分校科學家汪超與同行聯合開發的一種擁有智能化的自愈能力的透明、高延展性導離子材料。這種材料可賦予機器人發生機械故障后的自愈能力、延長電動汽車及鋰離子電池使用壽命，以及改善醫學和環境監控領域中生物傳感器性能等，應用潛力廣泛。新研究首次將自愈性材料與離子導體“合二為一”。自愈材料能自動修復使用造成的損耗、延長使用壽命并降低成本；而能讓離子在其內流動的離子導體，在能源儲存、太陽能轉換、傳感器和電子設備中扮演著重要角色。該研究成果發表在《先進材料》雜志上。

十五、納米材料與器件

2016 年5 月13 日，廈門大學鄭南峰教授團隊利用光化學法在室溫條件下制備出Pd 原子的穩定分散，該Pd 原子負載量高達1.5% 的穩定的原子級分散Pd1/TiO2催化劑。該催化劑催化氫化苯乙烯的TOF 是商業Pd/C 催化劑的9 倍。另外，研究人員還發現，由于這種獨的活化氫氣的路徑，使得該單原子Pd1/TiO2催化劑催化氫化苯甲醛具有超高活性，其TOF 是商業Pd/C 催化劑的55 倍。研究員試圖將C、N 和儲量豐富的單原子Fe、Co 等相結合。該成果發表在Science 期刊上。

2016 年12 月16 日，美國加州大學伯克利分校以及加州理工學院的國際研究小組段鑲鋒教授、黃昱教授和William A.Goddard 教授課題組合作在此領域的突破。研究者發現帶有鋸齒結構的Pt 納米線，在ORR 反應中實現了超高質量活性。高應力的、富菱形結構的表面是這種鋸齒結構Pt 納米線ORR 質量活性提高的重要原因。Pt 納米顆粒為代表的電催化劑在燃料電池和水裂解等能源領域的重要性不言而喻。系統提升電催化劑催化活性的主要策略之一是調控金屬納米顆粒的電子結構。該成果發表在Science 期刊上。

2016 年6 月，德國基爾大學一研究團隊成功試驗發現了在不影響金屬的機械穩定性以及改變金屬特性的情況下，改善金屬表面性能的方法。這種新方法從根本上來說，是通過電化學腐蝕的過程將金屬最外層表面變得粗糙化，并將蝕刻深度嚴格控制在微米級別。通過這個“納米雕刻”的過程，如鋁、鈦、鋅等金屬能夠永久的與其他一些材料相粘結，從而使材料變得防水，或提高其生物相容性。這些性能卓越的“超級連接”結合物從工業金屬加工到醫藥科技領域中都有應用前景。目前，該研究團隊研究結果發表在皇家化學學會的權威雜志Nanoscale Horizon 上。

2016年6月，哈佛大學的研究團隊利用高度約600納米的二氧化鈦“納米磚”制造出超薄膜聚光鏡片。此鏡片放大倍數高達170倍，放大后的圖像其分辨率能完全媲美常規的玻璃透鏡。科學家們還通過這塊納米磚的不同排列，成功將通過的光“聚焦”。該研究成果發表在Science 期刊上。

2016年6月，中佛羅里達大學Ayman F.Abouraddy 教授課題組發現不同材質的脆芯會拉斷形成長徑比固定的均勻短棒。研究員們把脆性材料的細芯放進聚合物的包層中，制備成復合材料纖維，然后通過可控拉伸，聚合物纖維中的脆芯斷裂成了尺寸一致的短棒。他們在多種材料中都重現了這一奇妙的現象。通過拉伸造成芯材的可控斷裂，再將聚合物溶解，即可大規模的制備均勻的納米棒，該法具有較強的工業化應用的前景。聚合物包括聚醚砜、聚碳酸酯、聚醚酰亞胺、聚砜等等熱塑性聚合物，而脆芯包括硒化砷玻璃、硅、鍺、金、聚苯乙烯等。該研究成果發表在Nature 雜志上。

2016年3月，基于TREASORES（有機光電設備的透電極的批量生產）項目，瑞士聯邦材料科學與技術實驗室（Empa）專家Nüesch 結合來自9家企業、6個研究機構的技術開發出了可以像報紙一樣卷對卷式生產的柔性照明箔片。這種柔性電極的三種基質—碳納米管、金屬纖維或銀薄片或于今年商業化生產，將大幅度降低OLED生產和使用成本。在Fraunhofer FEP研究所，帶有該項目標志的OLED 光源卷已經在銀薄片上采用卷對卷技術制成。項目進一步的研究成果將著眼于探索新的方法來發展、檢測、擴大生產透明屏蔽箔（防止氧氣和水蒸氣接觸到有機電子設備的塑料薄層），這種屏蔽層能夠有效延長電子設備的壽命。該研究發表在Science Daily 上。