俄羅斯

航空材料檢測修復取得進展

利用三維打印研究永磁性能

科技日報駐俄羅斯記者 董映璧

2024年，俄羅斯在材料缺陷檢測和修復領域取得多項成果，并探索使用3D打印永磁材料。

托木斯克理工大學開發(fā)出一種對航空航天工業(yè)中使用的復合材料進行熱無損檢測的新方法，使材料的控制更可靠，并能防止內部缺陷導致信號丟失。這種方法的本質是利用強制冷卻與主加熱脈沖相結合，來檢測用于航空航天工業(yè)領域的碳纖維和玻璃纖維塑料中的缺陷。

莫斯科國立鋼鐵合金學院研究人員基于激光熱機械修復納米孔和納米裂紋的物理機制，開發(fā)出一種新的激光加工方法，可使航空航天、核能和醫(yī)療行業(yè)的材料強度提高一倍以上。利用這種新方法可造出更堅固、更可靠的材料，能抵抗各種類型的外部影響，可用于航空航天工業(yè)、核工業(yè)和醫(yī)學物理等領域。

烏拉爾聯(lián)邦大學科研人員利用三維（3D）打印技術，將釹、鐵和硼的納米晶體合金粉末制成任意形狀的磁鐵，在室溫條件下比其他類型磁鐵能儲存更多“磁性”能量，具有高矯頑力，且不含鈷。這種技術能使高科技設備的永磁材料更小、更輕便，成本更低。

美國

開發(fā)高速芯片與納米晶體管

合成新型材料領域多點開花

科技日報記者 張佳欣

2024年，美國在芯片材料領域展開研究，助力信息與通信技術發(fā)展；在其他材料領域的基礎創(chuàng)新，也有望帶來應用層面的飛躍。

芯片初創(chuàng)企業(yè)Cerebras系統(tǒng)公司推出5納米“晶圓級引擎3”（WSE-3）芯片，將人工智能芯片的運行速度紀錄提高了1倍。麻省理工學院團隊利用超薄半導體材料，研制出一種全新的納米級3D晶體管，也是迄今最小的3D晶體管，其性能和功能可比肩甚至超越現(xiàn)有的硅基晶體管，有助于開發(fā)高性能節(jié)能電子產品。

超導材料方面，加州大學河濱分校領導的團隊研制出一種新型非常規(guī)界面超導材料，可用于量子計算，是“拓撲超導體”的候選材料。

哥倫比亞大學合成出第一個二維重費米子材料。這種新材料是由鈰、硅和碘組成的層狀金屬間化合物晶體（CeSiI）。它具有比普通電子更重的電子，是探索量子現(xiàn)象的新平臺。

斯坦福大學團隊開發(fā)出一種緊湊的單晶鈦藍寶石—絕緣體光學平臺，實現(xiàn)了鈦藍寶石技術顯著小型化、低成本且可擴展。這種鈦藍寶石激光器成本和占地面積比原來降低了3個數量級，功耗降低了兩個數量級，且能夠調整激光的波長。

北卡羅來納州立大學創(chuàng)造出一種名為“玻璃凝膠”的新材料，含有超過50%的液體，非常堅硬而且難以破碎。由于這種材料生產比較容易，有望應用于多個領域。

英國

超表面技術提升6G通信能力

特種光纖助力未來量子計算

科技日報記者 劉霞

2024年，英國在材料領域碩果連連，特別是在超表面技術方面的進步，為6G通信的發(fā)展賦予新動能。

6G技術一直備受科學家關注。格拉斯哥大學科學家研制出一款超薄二維表面，能對衛(wèi)星最常用的電磁波進行操縱和轉換，有望提升6G衛(wèi)星在通信、高速數據傳輸和遙感方面的能力。英國科學家還研制出一款創(chuàng)新性無線通信天線，這款數字編碼動態(tài)超表面陣列（DMA）是全球首個在60吉赫茲毫米波波段下設計和演示的DMA，有望助力未來6G通信網絡的實現(xiàn)。

巴斯大學科學家開發(fā)出新一代特種光纖，以應對未來量子計算時代出現(xiàn)的數據傳輸挑戰(zhàn)。該成果有望推動大規(guī)模量子網絡的擴展。曼徹斯特大學與澳大利亞墨爾本大學合作，研制出一種超純硅，可用于構建高性能量子比特設備，為可擴展量子計算機鋪平道路。

英國和加拿大科學家組成的團隊開發(fā)出一種新型單分子晶體管，利用量子干涉來控制電子流，有望催生比現(xiàn)有設備更小、更快、更節(jié)能的新型晶體管，以制造新一代電子設備。

曼徹斯特大學研究人員創(chuàng)造出新型一維超導體，為在量子霍爾體系中實現(xiàn)超導提供了新路徑，有望解決凝聚態(tài)物理學中長期存在的難題。此外，英國和日本科學家成功制造出世界上已知最強的鐵基超導磁體，有望促進新一代磁共振成像技術和未來電氣化運輸技術的發(fā)展。

在電池制造方面，利物浦大學科學家發(fā)現(xiàn)了一種能快速傳導鋰離子的固體材料，有望用于研制可持續(xù)電池。劍橋大學領導的國際科研團隊，利用鈣鈦礦創(chuàng)造了下一代卷對卷印制太陽能電池能效新紀錄。

此外，在新型催化劑研究方面，諾丁漢大學研究人員發(fā)現(xiàn)，金屬屑的表面具有納米級的微小臺階和凹槽紋理，這些結構可錨定鉑或鈷的原子，從而形成一種新型水電解制氫催化劑。

法國

非銥催化劑產氫創(chuàng)紀錄

發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬熱電效應

科技日報駐法國記者 李宏策

2024年，法國在材料科學領域深入研究，非銥產氫催化劑創(chuàng)造紀錄，并且首次在液體材料間發(fā)現(xiàn)熱電效應。

法國國家科學研究中心團隊利用鈷鎢氧化物，研制出一種新型非銥催化劑，能夠在與工業(yè)應用相關的高電流密度下穩(wěn)定運行，實現(xiàn)使用非銥催化劑在水解制氫中迄今最高的電流密度和最高穩(wěn)定性。這項研究首次在不使用銥的工業(yè)條件下，實現(xiàn)了穩(wěn)定的質子交換膜（PEM）水電解制造綠氫，是該領域的一個新里程碑。這種鈷基催化劑是銥基催化劑的可行替代品。

法國索邦大學物理學家在室溫下將兩種類型的液態(tài)金屬放在一起，并對其進行熱梯度處理，首次觀測到兩種液體材料之間的熱電效應。研究人員發(fā)現(xiàn)，是溫度梯度導致兩種液態(tài)金屬在交界處產生了熱電效應，電流可以從圓柱體的熱部分循環(huán)到冷部分，并且這種效應在多處出現(xiàn)。此外，在兩種液體的交界處，有些地方并未產生電流，這與固體之間的熱電效應不同。這一發(fā)現(xiàn)有望對新型電池的開發(fā)產生影響。

波爾多大學和法國國家科學研究中心研究人員開發(fā)出一種螺旋屈光鏡片，可在不同光線條件下、不同距離處保持清晰的焦點。該鏡片的工作原理與視力矯正漸進鏡片非常相似，但沒有這些鏡片通常出現(xiàn)的扭曲現(xiàn)象。這一成果有助于開發(fā)隱形眼鏡技術、白內障眼內植入物和微型成像系統(tǒng)。這種鏡片可在不斷變化的照明條件下顯著改善人們的視野深度，經過進一步研發(fā)，未來有望用于帶來可穿戴設備、無人機和自動駕駛汽車遙感系統(tǒng)，使這些設備更加可靠和高效。

德國

致力提高太陽能電池效率

研發(fā)高強輕質和生物材料

科技日報駐德國記者 李山

2024年，德國在新材料領域取得諸多進展，這些材料在能源、汽車、航空航天和醫(yī)療保健等各個領域具有廣泛應用前景。

在能源材料領域，德國成功研發(fā)出效率達31.6%的鈣鈦礦硅基疊層太陽能電池，并不斷改進鈣鈦礦材料的制造工藝和穩(wěn)定性，希望早日實現(xiàn)商業(yè)化。對下一代電池，特別是鋰硫電池和固態(tài)電池，德國科學家努力探索新的電解質材料和納米結構，以提高電池的效率、安全性和使用壽命。于利希研究中心成功研發(fā)出一種概念固態(tài)電池，可在一小時內完成充電。

在輕質材料方面，科學家專注于開發(fā)碳纖維增強聚合物和其他具有高強度重量比的復合材料，積極推進高性能金屬合金領域的研究，特別是用于航空航天的鋁合金和鈦合金。例如研究人員利用一種新的金屬材料制備方法，開發(fā)出具有超高強度的輕質新材料，其中80%以上是空隙，但強度極高，未來有望應用于汽車、飛機等領域。此外，研究人員以最佳方式將銅、銀和氧化釔組合在一起，開發(fā)出用于3D打印的新型復合粉末。

在生物材料方面，研究人員繼續(xù)探索能夠封裝藥物并以受控方式釋放藥物的納米材料，以及用于組織工程的可生物降解聚合物和水凝膠等。德累斯頓工業(yè)大學利用葉片的準分形木質纖維素結構，制造出可生物降解的聚合物薄膜，這一成果有助于研發(fā)可生物降解的電路板。

其他方面，德國科學家還研發(fā)出基于石墨烯的生物傳感器，未來可用于醫(yī)學診斷；開發(fā)出具有新穎拉伸特性的材料，可以在測量力或監(jiān)測靜力學方面得到應用；研發(fā)出用于智能皮膚的扁平超表面天線，使機器人能夠更準確地掃描近場環(huán)境；開發(fā)出一種前所未有的二維材料鈹氮烯，有望在量子技術領域得到應用；研發(fā)出控制稀土材料磁性的新方法；制造出基于可再生原材料和生物殘留物的生物基黏合劑，以及利用農業(yè)廢料生產的塑料替代材料。

韓國

合成高效析氧催化劑

研發(fā)新型太陽能電池

科技日報駐韓國記者 薛嚴

2024年，電池催化劑成為韓國材料領域的研究重點，相關成果顯示出提升電池性能的較大潛力，部分甚至打破了國際紀錄。

通過水裂解反應將水還原成氫分子，是應對全球能源挑戰(zhàn)、解決化學儲能難題的關鍵方法之一。然而，低催化性能、緩慢的反應速度以及催化劑解聚等問題，是目前所面臨的主要挑戰(zhàn)。東國大學研究團隊將釕氧化物植入二維碳化鉬，合成了一種高效析氧反應催化劑，可用于水裂解反應，生產燃料電池所需氫。這種催化劑顯示出較高的活性、反應速度和耐久性，為大規(guī)模低成本生產下一代催化劑提供了可能。

韓國能源技術研究院團隊研發(fā)出具有高效率水平的半透明鈣鈦礦太陽能電池。科研團隊通過向太陽能電池中添加鋰離子來提高電池中空穴傳輸層的電導率，并通過優(yōu)化空穴傳輸層的鋰離子氧化時間，使其轉化為穩(wěn)定的氧化鋰，從而阻止鋰離子擴散，提高器件穩(wěn)定性。該電池效率達到21.68%，創(chuàng)造了半透明太陽能電池領域的最高紀錄，且在運行超過240小時后，與初始效率相比仍保持超99%的效率，表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。

韓國能源研究院氫氣聚合材料實驗室與韓國科學技術院、釜山大學共同開發(fā)出一種催化劑涂層技術。該技術可以快速大幅提高固體氧化物燃料電池的性能。研究團隊闡明了涂層納米催化劑促進表面氧交換和離子傳導的機理，為催化劑包覆法解決復合電極反應速率低的問題提供了基礎證據。

南非

推動納米復合材料研究應用

開發(fā)可持續(xù)能源和儲能技術

科技日報駐南非記者 馮志文

2024年，南非在新材料研究方面取得顯著進步，尤其是在納米復合材料和能源應用領域。

在新型納米材料方面，南非科學與工業(yè)研究委員會（CSIR）所屬的國家納米結構材料中心推動了聚合物納米復合材料的研發(fā)和使用。這些復合材料具有阻燃性、耐溫性和拉伸強度大等性能，適用于汽車、化妝品和制藥等多個行業(yè)。

南非先進材料化學研究所專注于研究改進聚合物電解質膜水電解氧化銥（IrO2）催化劑，進一步提高了析氧反應的效率和穩(wěn)定性，這對于清潔能源系統(tǒng)制氫至關重要。優(yōu)化方法合成的高性能催化劑顯示出對擴大生產的巨大潛力。

CSIR在電池材料開發(fā)方面也取得了長足進步。他們的研究重點是優(yōu)化儲能系統(tǒng)的陰極和負極材料。利用南非豐富的礦產資源錳，CSIR正在開發(fā)為移動和固定應用量身定制的先進材料，為推動全球可持續(xù)能源解決方案作出貢獻。