脆性一直是制约无机半导体材料高效加工制造及其在复杂结构场景应用的关键瓶颈。突破无机半导体的本征脆性, 实现类金属的加工制造, 是材料领域长期面临的重要科学难题和技术挑战。近年来, 我国科研人员在国际上率先发现并报道了无机半导体中室温宏观超大塑性应变, 这一发现重塑了人们对半导体力学性能的传统认知。优异的塑性使得此类材料兼容多种类金属加工制造方法, 形成了片、箔、丝、棒等多种材料形态, 从而极大拓展了无机半导体材料的应用场景。经过数年发展, 塑性无机半导体已逐渐成为材料学科一个重要的新兴方向和研究热点。本文将简要回顾总结这一新方向的研究进展与发展脉络, 重点评述塑性无机半导体的发现、大应变机制与原理、冷加工和温加工, 以及功能性应用等方面的代表性工作, 并在此基础上对未来的研究方向与发展提出若干思考和建议。

发光材料是一类重要的战略性先进电子材料, 在新型显示、固态照明、生物医学和传感探测等领域展现出广阔的应用前景。然而, 实际应用对材料性能提出多维度严格要求, 依赖经验与试错的传统研发模式周期长、成本高, 严重制约高性能新材料的开发进程。近年来, 机器学习(Machine learning, ML)的快速发展为该领域瓶颈问题提供了新的解决途径。ML通过构建“组成-结构-性能”之间的复杂映射关系, 实现对候选材料的高通量虚拟筛选, 进而提升研发效率。此外, ML的特征重要性分析, 揭示了影响发光性能的关键物理化学因素, 为理解材料构效关系提供了新的理论支持。本文系统阐述了ML驱动发光材料研发的流程框架, 重点包括数据准备、特征工程、模型选择、模型评估与模型应用等关键环节, 并深入探讨了各阶段在发光材料研究中的特殊考量与应对策略。在此基础上, 本文还综述了ML在荧光粉关键性能预测方面的最新研究进展, 包括发射波长、半峰全宽(FWHM)、热稳定性、荧光寿命、质心位移及工艺优化等关键指标。最后, 对当前研究存在的挑战, 如可靠数据匮乏、材料性质复杂及参数难量化等问题进行了梳理, 并展望了未来人工智能(Artificial intelligence, AI)技术在发光材料研究中深度融合的发展趋势, 以期为推动荧光粉材料领域“AI for Science”新范式的建立提供有益参考。

传统发光材料(如镉系量子点、铅卤化物钙钛矿)因含Cd、Pb等重金属元素, 在其全生命周期存在显著的环境与健康风险。因此, 开发无镉量子点、无铅卤化物钙钛矿、稀土掺杂荧光粉等环保型发光材料成为核心科研方向。然而, 当前环保型发光材料的研发仍高度依赖“试错式”实验模式, 不仅效率低, 也难以突破发光效率、环境稳定性与界面相容性的核心瓶颈。本文系统梳理了环保型发光材料的研究现状与现存挑战, 并阐明了密度泛函理论等计算技术可精准预测量子点核壳结构光电特性、解析缺陷致非辐射复合机制等, 从而定向预测并优化材料的发光效率与稳定性。数据驱动技术可通过构建标准化材料数据库与机器学习模型, 进一步加速材料筛选与设计, 已成功指导开发出高稳定性荧光粉、高效率窄带发射材料等。展望未来, 计算与数据驱动技术协同可破解环保型发光材料的研发困境。通过进一步推动两类技术的协同和融合, 有望加速环保型发光材料在显示、照明等领域的实际应用, 助力光电产业绿色转型。

随着全球人口增长与工业化进程加速, 建筑能耗持续攀升, 节能降耗成为建筑领域实现“双碳”目标的关键任务。窗户作为建筑光热交换的核心构件, 其隔热与采光性能直接影响室内热环境调控能耗, 决定了建筑整体节能效率。传统节能窗因其静态结构而难以适应变化的环境, 单一刺激响应智能窗也因调控形式单一而无法满足多元化节能需求。光-热双响应智能窗可同步响应光照与温度变化, 实现动态协同调控, 成为建筑节能的创新解决方案。本文系统综述了光-热双响应材料及其智能窗的最新研究进展, 聚焦三类核心设计策略: 一是具备功能协同效应的单组分光-热双响应材料; 二是融合光致变色与热致变色特性的光-热双响应多组分复合物; 三是光热材料与热致变色耦合体系。针对每类策略, 详细阐述其设计思路、微观结构特征及光-热双响应变色机制。同时, 深入探讨光-热双响应智能窗在实际建筑场景中的应用潜力, 系统分析当前面临的技术挑战, 并对未来发展前景进行展望。本文旨在为光-热双响应智能窗的结构设计优化、性能提升及工程化开发提供全面的理论参考与实践指引, 助力建筑节能技术的革新与产业升级。

甲烷是天然气、页岩气、沼气及天然气水合物等资源中的主要组分, 因其含氢量高、资源丰富而成为生产高附加值化学品的重要原料。然而, 甲烷具有较高的化学稳定性, 其催化转化面临高活化能和复杂的积碳问题, 常导致催化剂失活、寿命缩短和选择性下降, 成为制约其高效利用的关键瓶颈。在全球能源结构转型与化工产业升级的背景下, 开发高性能甲烷催化体系具有重要意义。近年来, 热催化、光热催化和光电催化等外场驱动技术为甲烷在温和条件下的转化提供了新的可能, 但不同反应路径均涉及复杂的积碳形成机制。本文在总结氧化性与非氧化性气氛中甲烷催化转化过程的积碳形成机制基础上, 系统阐述了催化剂在热催化材料体系、光热/光电催化材料体系及熔融催化材料体系中的作用, 重点探讨了活性位点设计、金属-载体界面调控等策略对积碳生成、催化寿命和选择性的影响。最后, 本文归纳了催化剂抗积碳及再生策略, 并展望了未来甲烷催化转化技术的发展方向。

随着医工交叉领域和生物医学新兴研究方向的迅速发展, 可注射医用材料因其在微创手术等领域的应用优势, 在组织修复与再生、医学影像、疾病精准诊疗及微创化治疗等前沿领域得到广泛关注, 并形成了一系列创新性医疗器械产品。在各类可注射医用材料中, 无机材料因其独特的材料生物学特性、流变学性能以及自固化等特点, 在微创骨科、肿瘤诊疗、组织替代与修复等领域展现出巨大的应用潜力和前景。本文综述了可注射无机材料的相关概念、原理及其在生物医学领域的最新进展。首先, 介绍了无机材料可注射性的基本概念、原理及其调控因素(包括无机材料颗粒的几何特征、体系的液固比、液相黏度及材料体系的物理化学反应等); 然后, 从临床应用角度阐述了可注射无机材料在硬组织修复、医学影像诊断、肿瘤治疗、皮肤和整形等领域的应用现状和研究进展, 并分析了其优势和不足; 最后, 探讨了当前面临的挑战及未来发展趋势。本文有望为推动医用无机材料的应用研究和临床转化提供有益参考, 进而促进相关医疗器械产品的技术创新和研发。

钽酸锂(LiTaO₃, LT)作为一种重要的多功能铁电材料, 以其优异的热释电系数、稳定的物理化学特性及宽波段光谱响应, 在红外探测器、热成像传感器等领域发挥着关键作用。近年来, 随着微电子机械系统(MEMS)与集成光子学技术的迅速发展, 传感器与探测系统正朝着小型化、集成化与高性能化的方向不断演进。在此背景下, 作为热释电器件核心敏感单元材料, 传统块体晶体逐步转向高质量LT单晶薄膜, 以实现更优的热学管理与电学性能。本文系统综述了LT单晶的关键减薄技术发展脉络, 涵盖从传统的机械研磨减薄、化学机械抛光(CMP), 到新兴的离子切片与智能剥离(Smart-Cut)等先进工艺, 重点分析了各技术路径的原理、可实现的薄膜厚度、晶体质量及其优缺点。在此基础上, 本文进一步探讨了减薄后的LT薄膜在热释电探测器中的应用优势与性能表现。最后, 梳理了当前LT单晶薄膜制备与集成所面临的技术挑战, 并展望了未来技术的发展方向, 旨在为新一代高性能、微型化热释电器件的研发提供参考。

铅铋共晶(LBE)凭借其高沸点、高导热性及优良安全性能, 已成为加速器驱动先进核能系统(ADANES)和铅冷快堆(LFR)的核心冷却剂, 但其在高温环境下引发的氧化腐蚀、溶解腐蚀及冲刷腐蚀耦合问题, 严重威胁结构材料的服役寿命, 制约了先进核能技术的工程化应用。表面涂层技术可在保留基体固有性能的基础上提升耐蚀性, 是缓解LBE腐蚀的关键技术途径之一。本文系统综述了核用耐LBE腐蚀涂层的研究进展, 首先从腐蚀机理入手, 阐明了溶解氧、温度、流速与辐照等多因素协同作用对材料腐蚀的影响规律; 进而按金属、陶瓷及复合三大体系, 分析了FeCrAl(Y)、高熵合金、Al₂O₃、MAX相及梯度复合涂层的耐蚀机制、性能优势与失效行为。研究表明: FeCrAl(Y)涂层通过“基体-氧化膜”协同作用形成连续Al₂O₃隔离层, 其耐蚀性和力学性能与Cr、Al含量相关; 高熵合金涂层利用晶格畸变与多组元协同氧化抑制腐蚀介质的内扩散, 但面临高温相分解与辐照脆化等问题; Al₂O₃等陶瓷涂层热力学稳定, 可为基底提供有效防护, 但在高温环境中容易因非晶化、界面匹配及自修复缺失等失效。复合结构涂层通过“金属过渡层+陶瓷功能层”梯度设计, 有望实现高结合、高韧性、高阻隔等功能一体化。未来研究需聚焦环境-成分-工艺的耦合调控、多因素服役评价与寿命预测模型, 为先进核能系统提供长时可靠防护解决方案。

Ruddlesden-Popper(RP)型二维层状钙钛矿因其本征量子阱结构、可调谐物理化学性质和良好光电性能, 在光电子领域展现出突出的应用潜力。然而, 如何快速且高质量地制备二维钙钛矿单晶薄片仍面临挑战。本工作开发了一种快速简便的液-气界面漂浮生长方法, 成功制备了一系列不同组分的高质量二维RP型钙钛矿单晶纳米片。该方法基于表面张力驱动晶体在液-气界面进行各向异性二维生长, 实现了对单晶纳米片的可控合成。通过调节前驱体溶液中长链铵盐、有机阳离子和卤素的种类与比例, 成功合成出12种组分不同、形状各异(条状、片状、板状等)的RP型钙钛矿单晶纳米片, 并验证了该策略的普适性。不同手段表征结果显示, 所制备的纳米片具有优异的结晶质量、原子级平整的表面和均匀的元素分布。这些结构和成分特性是获得稳定、一致光电性能的重要基础。进一步地, 基于(BA)₂PbBr₄单晶纳米片构筑的光电探测器展现出良好的紫外光探测性能, 其在370 nm紫外光照和3 V偏压下响应度达到19.7 mA/W, 探测率达到1.14×10¹¹ Jones, 充分显示出其成为紫外光电探测器有力候选材料的潜力。本研究为构建微型化钙钛矿光电子器件提供了良好的材料基础。

随着电子器件朝着微型化、集成化与多功能智能化方向发展, 二维材料凭借其丰富的结构及独特的物理化学性质为该领域开辟了全新的发展路径。其中, Bi₂O₂Se因其适宜的带隙、高载流子迁移率及良好的环境稳定性而受到广泛关注。然而, 目前Bi₂O₂Se基器件仍存在暗电流大、响应度低等问题, 制约了其在高性能光电器件领域的进一步发展。本研究采用化学气相沉积工艺在云母衬底上可控生长了高质量二维Bi₂O₂Se纳米片, 并首次采用对称石墨烯(Gr)作为接触电极构建了Gr/Bi₂O₂Se/Gr对称双异质结器件。该结构利用Gr与Bi₂O₂Se之间形成的双界面内建电场, 优化了载流子的注入与分离过程。系统表征了该器件在黑暗及不同波长光照下的电流-电压特性、时间响应特性及光谱响应范围, 并深入探究了器件在脉冲光刺激下的动态电学行为, 模拟了生物突触的短期与长期可塑性功能。研究表明, 在532 nm光照下, 器件展现出良好的响应度(2.52 A/W)和探测率(3.39×10⁹ Jones), 且在宽波长范围(365~1050 nm)内具有稳定的光响应, 证明了其作为宽带光探测器的潜力。在365 nm脉冲刺激下, 该器件展现出从短时程可塑性到长时程可塑性的转变, 通过调节光脉冲的强度、频率和数量, 精确模拟了包括兴奋性突触后电流、尖峰时序依赖可塑性在内的核心生物突触行为。此外, 该器件还成功复现了“经验学习”这一特征, 充分证明了其在神经形态计算领域的潜力。

随着同步辐射、X射线自由电子激光等先进光源技术的快速发展, 高能、高亮度X射线装置面临的挑战日益突出。高能光束照射到反射镜表面时, 高能量吸收会导致反射镜出现辐射损伤和热变形等现象, 这已成为限制光束线性能提升的关键因素之一。本研究从反射镜的结构设计、材料优选、性能模拟、样件制备、光学加工及性能检测等方面进行了深入探讨, 采用固相烧结结合精密光学加工技术, 研制了具备优异光学性能的碳化硅平面反射镜, 分析了不同材料对反射镜面热变形的影响, 以及反射镜面形精度和光洁度控制对光学表面质量的影响。研究表明: 在吸收功率为200 W工况下, 改性碳化硅反射镜与通用单晶硅反射镜相比, 镜面子午方向上的法向变形降低约25%; 经光学加工后, 其镜面峰谷值(PV)为24.294 nm、均方根值(RMS)为1.680 nm, 表面粗糙度RMS为0.168 nm, 释气率为2.40×10⁻⁷ Pa∙L/(s∙cm²)。这些性能满足先进光源装置对超光滑反射镜的使用要求, 有望推动高性能碳化硅陶瓷成为继单晶硅之后新一代先进光源装置反射镜的理想材料。

随着对高效环保储能系统需求的日益增长, 锌空电池因其高能量密度、低成本及环境友好等特性, 成为极具前景的能源存储装置。然而, 空气阴极上缓慢的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)动力学制约了电池性能的进一步提升, 故开发高性能、低成本的双功能氧电催化剂具有重要意义。本研究通过球磨辅助热解法, 制备了Fe单原子/团簇锚定石墨烯杂化催化剂(Fe-N/Gra)。通过调控前驱体金属酞菁与石墨烯的比例, 获得了系列Fe-N/Gra材料, 并考察了其双功能氧电催化性能。研究结果表明, 不同金属酞菁前驱体负载量对催化剂性能具有较大的影响。当酞菁铁负载量为0.02 g时, 所得催化剂Fe-N/Gra-0.02展现出最佳的ORR和OER催化活性: 其ORR半波电位高达0.911 V, OER在10 mA·cm^-2电流密度下的过电位为610 mV。以该催化剂作为空气电极组装的可充式锌空电池, 最大功率密度达315 mW·cm^-2, 在10 mA·cm^-2电流密度下可稳定放电210 h。Fe-N/Gra-0.02良好的双功能氧电催化活性主要归因于原子级分散Fe-N_x活性位点和载体石墨烯的高导电性, 另外高负载量催化剂中活性位点的团聚不利于展现其高效催化活性。本研究为高性能非贵金属双功能催化剂的可控制备及锌空电池的应用提供了实验依据。

水系锌离子电池因其本征安全和成本低廉等优势, 在大规模储能领域展现出广阔的应用前景。然而, 锌负极在沉积/剥离过程中易引发枝晶生长, 这严重限制了其循环寿命与商业化应用。作为锌沉积的基底, 集流体的界面特性对锌的沉积行为具有决定性影响。本工作采用高温退火还原法对商用铜集流体进行改性, 系统探究了微观结构重构对锌沉积机理及电化学性能的调控作用。研究表明, 退火处理诱导铜集流体发生晶体学重构, 形成了以Cu(111)晶面为主的择优取向, 同时有效降低了位错密度与表面缺陷。锌在Cu(111)晶面上的扩散能垒较低, 而Zn(002)与Cu(111)晶面之间的界面能最低, 这种热力学与动力学的协同作用促进了锌的均匀外延沉积, 有效抑制了枝晶生长, 并引导锌沉积层产生(002)晶面择优取向。基于此, 改性集流体表现出优异的沉积/剥离可逆性, 循环寿命超过4000圈, 平均库仑效率高达99.9%。将该集流体应用于无锌负极水系锌碘全电池, 在3 A·g⁻¹电流密度下循环700圈后, 容量保持率超过82%。本研究从晶体学与界面工程角度为高性能锌离子电池集流体设计提供了新的机理见解与可行的改性策略。

兼具轻质、优异力学性能和高电磁屏蔽效能的材料对下一代电子与通信系统的开发至关重要。本研究报道了一种通过3D打印设计和制备组分可控且具有多级结构的碳纳米管/聚二甲硅氧烷(CNT/PDMS)复合材料。该材料表现出卓越的机械性能, 可承受高达自身质量250倍的载荷, 并在40%应变后完全恢复至原状。在惰性气氛下的热解过程中, PDMS基体分解并转化为SiC-SiO₂陶瓷相, 包裹CNT网络, 形成具有多级多孔和多相结构的复合材料。CNT/SiC-SiO₂复合材料在X波段(8~12 GHz)展现出高达62 dB的优异电磁屏蔽效能, 其中电磁吸收占主导(SE_A=59.91 dB)。这种高吸收能力源于多种协同效应, 包括优化阻抗匹配、导电损耗、界面/偶极极化以及在多级多孔、多界面结构内的多次反射。“吸收-反射-再吸收”机制实现了对入射电磁波近乎完全的衰减。本工作提出了一种基于3D打印的可扩展策略, 用于制备卓越电磁屏蔽性能的碳-陶瓷复合材料, 可满足航空航天、可穿戴电子器件和军事领域的应用需求。

活性氧(ROS)的过量积累会导致细胞发生氧化应激而死亡。纳米酶是一类具有类似天然酶催化活性的纳米材料, 可清除ROS保护细胞免受氧化损伤。多金属氧酸盐(POMs)具有良好的氧化还原性和生物相容性, 是一种潜在的纳米酶材料, 但POMs较低的催化活性限制了其应用。本研究通过锰(Mn)掺杂策略有效增强了Keggin型POMs ([PMo₁₂O₄₀]^3-)的类酶活性, 发现适量Mn掺杂可增强该POMs的类过氧化氢酶和类超氧化物歧化酶活性, 进而清除过量ROS保护细胞免受氧化应激损伤。本研究探讨了Mn掺杂水平、POMs结构与催化活性之间的关系, 发现Mn与Mo-O框架之间的协同电子作用是增强其类过氧化氢酶活性的关键因素。本研究初步探索了POMs基纳米酶的优化设计策略, 研究结果可为抗氧化纳米酶的开发提供一定的科学参考。

超导是凝聚态物理和材料科学领域极具研究价值且至关重要的方向。目前, 已有多种材料在常压下展现出超导特性, 其超导临界温度(T_C)分布范围极广。传统的BCS理论(Bardeen-Cooper-Schrieffer theory)成功解释了低临界温度金属的超导特性, 但目前尚缺乏针对高温超导体的有效理论模型。本工作以钇(Y)掺杂的Bi₂Sr₂CaCu₂O₈为例, 研究发现T_C与空穴浓度之间存在显著的幂律关系, 较高的空穴浓度有利于实现高T_C。本研究为未来新型高温超导体的研究提供了有益的理论指导。