材料科学创新在提升我们所依赖产品的强度、安全性和可持续性方面发挥着至关重要的作用。正如我们在《2025年值得关注的新兴趋势》一文中所述，材料科学的进步推动了消费品、建筑、工程、能源等领域的全面改善。其中一些进展已触及近期被视为科幻小说的领域——然而，这些科学突破正逐渐成为现实，改善着我们的生活和工作空间，并优化了我们使用的产品。
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观看我们4月24日网络研讨会小组讨论的录像，会上来自陶氏公司的Harold Boone博士与CAS的Leighton Jones和Janet Sasso共同探讨了这些趋势在更广泛科学进步背景下的意义。
超材料助力无线通信及更多领域
计算设计与仿真、3D打印、光刻和蚀刻技术的进步，使得制造各种超材料成为可能。超材料是经过人工设计、具有自然界中不存在的特性的材料，可应用于多种场景。其独特的结构排列赋予了超材料独特的性能，而科学家在设计和操纵这些结构方面的改进，正不断催生出新的应用。
金属、电介质、半导体、聚合物、陶瓷、纳米材料、生物材料和复合材料是构建超材料的基础材料。通过精确调节其结构，科学家能够制造出具有负折射率、操纵电磁辐射、定制电磁导率以及操纵声波和地震波等特性的超材料。
这些特性往往源于纳米尺度的变化，从而推动了超材料的新用途，例如改善5G网络。5G使用的毫米波覆盖范围有限，且容易被建筑物阻挡。将超材料嵌入天线中，可以提高天线效率和带宽，从而改善接收效果。可重构智能表面（RIS）能够反射和折射5G信号，以改善建筑物内的信号接收。利用超材料改善5G接收效果，不仅降低了建设更多基站的成本，还让每个人都能更便捷地获得高速信号。
超材料的其他显著新应用包括：
- 地震防护：超材料可以衰减地震波的强度并阻碍其在结构中的传播，从而保护建筑物免受损坏。钢材和双级配超材料（如碳纤维增强聚合物）已有效地应用于此领域。在建筑中引入这些超材料，有望在地震多发区实现重要的安全提升。
- 医学成像：超材料能够提高核磁共振（MRI）机器的信噪比，从而获得更高分辨率的图像。它们还有助于屏蔽其他器官，防止其吸收不必要的电磁辐射。由非磁性黄铜线制成的超表面已被证明可以提高MRI成像中的扫描仪灵敏度、信噪比和图像分辨率。
- 隐身斗篷：通过精确控制各种超材料的电磁特性，可以引导光波绕过物体，从而产生物体不存在的视觉效果。例如，使用具有狄拉克锥色散的介电光子晶体的超透明超表面，可以将看似不可能的隐身斗篷变为现实。
- 能量收集：超材料的独特性能可以将各种形式的环境能量（如电磁波、声波甚至机械振动）转化为电能。研究发现，一种基于聚偏氟乙烯（PVDF）的超材料能够将机械能转化为电能，同时还具有隔离振动的额外益处。
多种材料助力建筑脱碳
随着全球气候变暖，需要更多的空调来保持室内环境舒适。与此同时，太阳能和风能等可再生能源使用量的增加，要求储能技术能够在非日照或无风的用电高峰期最大限度地提供能源供应。
热能系统（也称为热电池）正日益商业化，旨在提高建筑供暖和制冷的效率及导热性，并充分利用可再生能源发电。这些系统的核心组件包括热能存储介质、绝缘材料和热交换器。
热存储介质的例子包括水、砖块或混凝土、陶瓷、石墨、金属氧化物或熔盐，它们都具有较高的储热容量。这些系统还可以使用相变材料，通过从固态变为液态来储存热量。石蜡、水合盐、脂肪酸、聚乙二醇和芒硝都是热能存储中使用的相变材料示例。最后，这些系统还可以利用通过驱动可逆化学反应（如脱水反应）来储存热量的材料。用于这些过程的创新热化学材料包括沸石、金属氢化物和氢氧化物。
我们还看到热能存储系统使用水基热存储材料来提供空调解决方案。这些系统在电价高峰时段仅消耗极少的电力即可为建筑物降温，在保持室内舒适的同时降低了能源成本。相变材料现在也正为热水器甚至需要高温的工业过程提供热能存储系统。这些技术有助于重工业实现脱碳，解决其长期以来难以减排的难题。
不仅用于隔热：气凝胶正在发掘新应用
气凝胶有时被称为“冻结的烟雾”，是一种发现于1931年的高孔隙率轻质材料。随着新发现的不断涌现，这些材料的耐用性得到提升，从而适用于更多应用场景。气凝胶由凝胶合成，通过用气体取代其中的液态成分，同时保持凝胶的完整性。这一过程通过新型干燥方法实现，目前已能形成坚固、超轻的树枝状微观结构，其孔径小于100纳米，空隙率高达99.8%。
二氧化硅气凝胶已广泛应用于隔热和隔音领域。然而，合成聚合物气凝胶比二氧化硅基气凝胶具有更高的机械强度，更适合能源存储和转换应用。生物基聚合物气凝胶也可针对生物医学应用进行设计，例如组织工程、再生医学和药物输送系统。此外，由MXenes和金属有机框架（MOFs）制成的气凝胶复合材料表现出卓越的导电性、机械强度和比电容，性能优于传统超级电容器。
气凝胶在隔热之外的新兴应用包括：
- 生物医学工程，气凝胶正被用于药物输送、伤口愈合剂、抗氧化剂、组织支架等领域。
- 能源存储，应用范围包括多种用途，如充电电池、超级电容器和燃料电池。
- 环境修复，气凝胶的高孔隙率、轻质和环保特性使其成为石油泄漏清理等用途的理想选择。
The number of aerogel characteristics and applications is truly remarkable. You might even see aerogels in your sunscreen, as the cosmetics industry increasingly utilizes these materials as UV protection agents. Composite aerogels of TiO2-silica have photoprotective properties, and adding them to sunscreen formulations increases the SPF factor beyond what conventional formulations can reach today. They are also water-resistant, have a matte effect on the skin, and do not leave a white cast after application.
建筑应用中的智能材料助力减排
建筑运营占全球能源消耗的30%。建筑施工也会产生大量排放——混凝土排放量约占全球排放量的8%，且是仅次于水的全球第二大常用材料。通过使用寿命更长、生产过程能耗更低的新型创新材料，建筑行业可以提高脱碳速度。此外，能够更高效地为现有建筑供暖或制冷的材料，对于减少建筑领域的整体排放至关重要。
自修复混凝土和电致变色窗作为智能建筑材料的两个重要范例，正从理论走向实践，助力控制建筑等难以减排行业的排放。混凝土天生易产生裂缝，而修复或更换混凝土的过程本身就是高排放的。愈合剂和封装技术的创新正在推动自修复混凝土的发展。例如，Basilisk公司使用三种不同的细菌（枯草芽孢杆菌、假坚强芽孢杆菌和球形芽孢杆菌），它们在接触氧气和水时会产生石灰石。当含有这种混合物的混凝土开裂时，环境中的氧气和水分会触发细菌产生石灰石，从而修复裂缝。硅基技术的突破也在推动疏水混凝土创新。
除了施工过程，新的材料科学应用也有助于改善建筑的全生命周期碳足迹。使用电致变色窗膜的智能窗技术可以通过阻挡光线来降低建筑能耗。三氧化钨和氧化镍是电致变色窗中使用的部分电致变色材料。对聚合物分散液晶（PDLC）薄膜施加电场，可使其分子排列变得有序从而产生透明度，进而阻挡或透射光线，使窗户呈现不透明或透明状态。
竹材助力打造更优质、更可持续的消费品
竹材的使用已有数百年历史，但近期的加工和工程技术进步证明，这些材料可以作为纯聚合物的可持续替代品，应用于多个行业。随着对更可持续材料需求的增长，竹制品市场预计将从2025年的约730亿美元增长到2034年的超过1110亿美元。
竹子是一种可持续资源——它比树木生长更快，可不断再生，且比大多数树木能固碳更多。它常与不可生物降解的合成聚合物结合，以改善其机械性能，特别是强度。竹纤维与热固性和热塑性塑料的复合材料显示出与母体聚合物相当或更优的机械性能，如拉伸强度、模量和伸长率。具体而言，由竹纤维与酚醛树脂和环氧树脂等热固性聚合物制成的新型复合材料表现出最佳的机械性能。此外，涉及脱水及注入硅胶和聚酯等聚合物的塑化技术也使竹材更加耐用。
近期研究还表明，当生物聚合物聚乳酸与竹纤维粉和二氧化硅气凝胶结合时，所得复合材料的拉伸强度和杨氏模量等机械性能得到改善，且相比聚乳酸具有更好的水蒸气/氧气阻隔效果。这些改进的机械性能在可持续包装领域具有潜在应用价值。
供需缺口是竹材广泛应用中面临的持续挑战。然而，近期生物技术方面的进展，如体外繁殖和组织培养，正在使竹材生产更高效、更可靠，同时避免了资源过度开发。随着竹制品市场扩展到家具、包装、个人护理产品和服装领域，这种材料在为消费者提供更可持续产品方面将变得愈发重要。
热适应性织物提升性能、安全性和舒适度
无论是运动员在高温下锻炼，还是消防员面对危险环境，服装在保持舒适、安全和发挥最佳性能方面都起着至关重要的作用。得益于聚合物、气凝胶和智能复合材料，热适应性纺织品的创新正在支持这些功能的实现。
如今的适应性织物利用隔热、湿度管理、动态孔径、热致变色和辐射热收集等技术，使服装能够更好地响应不同的环境条件。最新进展包括：
- Optical modulation: New fabrics can change the amount of light they absorb in response to temperature fluctuations. Graphene, graphene-glass fiber fabric, and polyacrylonitrile nanofibers have proven effective. Optical fabrics are aesthetically pleasing, and they can be used for light therapy and vital sign detection.
- Thermoresponsive materials: Shape memory polymers, hydrophilic polymers, and microencapsulated phase-change materials change their shape and structure in response to temperature fluctuations. They control the amount of air and moisture passing through the pores of the fabric, resulting in the heating or cooling of the wearer.
- Thermochromic materials: Using liquid crystals, pigments, and thermochromic polymers, these materials change color in response to temperature, regulating the amount of light absorbed by the fabric. These fabrics can turn a lighter color to reflect heat from the wearer or change color for military camouflage.
- Conductive polymers: Polymers such as polypyrrole, polyaniline, polythiophene, and its derivative, poly(3,4-ethylene dioxythiophene), can conduct heat and electricity. They help regulate temperature by effectively dissipating body heat. Materials such as silver nanowires and boron nitride can also regulate temperature through effective heat dissipation from the fabric.
在CAS，我们始终紧跟化学、物理和工程交叉领域材料科学的最新创新。通过全球最大的经人工标引的科学信息库——CAS Content CollectionTM，我们持续分析全球最新的期刊和专利出版物。这使我们能够独到地洞察最新创新，并了解哪些突破正在走向商业化。
