材料科学的创新在使我们所依赖的产品变得更坚固、更安全、更可持续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、施工、能源等领域的改善。其中一些进步触及了近期还被认为是科幻小说的领域——然而，这些科学突破正在成为现实，改善着我们的生活和工作空间以及我们使用的产品。
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观看 我们 4 月 24 日的网络研讨会小组讨论 的录像， Dr. Harold Boone 来自陶氏公司，以及 Leighton Jones 和 Janet Sasso 来自 CAS，共同探讨了科学进步大背景下的这些趋势。
超材料助力无线通信及更多领域
计算设计与模拟、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——这些人工工程材料具有自然界中不存在的特性——并可应用于广泛的领域。其架构的有序排列产生了超材料的独特性能，而科学家在设计和操纵这些结构方面的改进，正在带来新的用途。
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、操控电磁辐射、定制电磁介电常数以及操控声波和地震波等特性的超材料。
随着变化通常发生在 纳米尺度上，这些特性推动了超材料的新用途，例如 改善 5G 网络。5G 中使用的毫米波覆盖范围有限，且容易被建筑物阻挡。嵌入天线中的超材料可以通过提高天线效率和带宽来改善接收效果。可重构智能表面 (RIS) 可以反射和折射 5G 信号，从而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。 超材料的其他重要新应用包括： 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 和双梯度超材料（如碳纤维增强聚合物）已有效地应用于此领域。在建筑中加入这些超材料，可以显著提升地震多发区的安全水平。 医学成像： 超材料
- 提高 了 MRI 设备的信噪比，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。 超构表面 由非磁性黄铜线制成的超构表面已被证明能够提高 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，从而营造出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高透明超构表面，可以将看似不可能的隐身斗篷变为现实。
- 能量收集： 超材料的独特性质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，一种基于聚偏二氟乙烯（PVDF）的超材料能够 将机械能转化为电能，同时还具有隔绝振动的额外优势。
多种材料助力建筑脱碳
随着全球变暖，人们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的使用增加，需要相应的储能技术，以便在非日照或非大风时段的用电高峰期最大化能源供应。
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。这些系统的关键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，所有这些材料都具有高热容，适合存储热量。这些系统还可以使用 相变材料 通过从固态转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用于热能储存的相变材料示例。最后，这些系统可以使用通过驱动可逆化学反应（例如失水）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、 金属氢化物以及 氢氧化物。
我们还看到热能储存系统使用 水基 热储存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，从而在降低能源成本的同时保持建筑内的舒适度。相变材料目前也正在为 热水器 甚至 工业流程 提供热能储存系统，这些流程需要高温。这有助于重工业实现脱碳，而这些行业此前在减排方面一直面临挑战。
不仅仅用于隔热：气凝胶正在寻找新的应用
气凝胶，有时被称为“冻结的烟雾气凝胶是 1931 年首次发现的具有高孔隙率的轻质材料。新的发现使这些材料更加耐用，从而适用于更多的应用场景。气凝胶由凝胶合成，其液态成分被气体取代，同时保持了凝胶的完整性。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用于隔热和隔音。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设计用于生物医学领域，如组织工程、再生医学和药物递送系统。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、机械稳固性和比电容，其性能优于传统的超级电容器。
气凝胶在隔热以外的新兴应用包括：
- 生物医学工程，气凝胶 正被用于 药物递送、伤口愈合剂、抗氧化剂、组织支架等领域。
- 能源存储， 其应用包括 一系列用途，例如可充电电池、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以下用途的理想选择： 溢油清理。
该 气凝胶的多种特性与应用 确实非常卓越。您甚至可能在防晒霜中发现气凝胶的身影，因为化妆品行业正越来越多地将这些材料用作紫外线防护剂。 二氧化钛2-二氧化硅 复合气凝胶具有光保护特性，将其添加到防晒配方中可提高防晒系数（SPF）， 超越 现有常规配方所能达到的水平。它们还具有防水性，能在皮肤上呈现哑光效果，并且 不会留下 涂抹后的泛白痕迹。
建筑应用中的智能材料可减少排放
建筑运营占全球能源使用量的 30%。其施工过程也会产生大量排放——混凝土排放量约占 全球排放量的 8% ，且是继水之后世界上使用量第二大的材料。通过使用寿命更长且生产过程耗能更少的创新材料，建筑行业可以提高其 脱碳率。此外，能够更有效地为现有建筑供暖或制冷的材料，对于 减少 整个建筑领域的排放至关重要。
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实例，正从理论走向实践，并已准备好助力控制建筑等难以减排行业的排放。混凝土天生容易产生裂缝，而 修复或更换 混凝土的过程会产生大量排放。愈合剂和封装技术的创新正在实现自修复混凝土。 Basilisk就是一个例子，它使用了三种不同的细菌（枯草芽孢杆菌、伪坚强芽孢杆菌以及 球形芽孢杆菌），这些细菌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出现裂缝时，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全生命周期的碳足迹。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，并应用于多个行业。随着对可持续材料需求的增长，竹制品的市场 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——它的生长速度比树木快，能够持续再生，且固碳能力优于大多数树木。为了改善其机械性能（尤其是强度），竹材常与不可生物降解的合成聚合物结合使用。竹纤维与热固性塑料和热塑性塑料的复合材料 显示 出与母体聚合物相似甚至更优的机械性能，如抗拉强度、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 展现出了最佳的机械性能。 塑化技术（涉及脱水以及注入硅胶和聚酯等聚合物）也使竹材更加耐用。
近期研究还 显示 ，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，所得复合材料与聚乳酸相比，在抗拉强度和杨氏模量等机械性能方面有所提升，并具有更好的水蒸气/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，近期的 进展 （如体外繁殖和组织培养等生物技术）正在使竹材生产变得更加高效和可靠，同时避免了对资源的过度开发。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的产品方面将变得愈发重要。
热适应性织物可提升性能、安全性和舒适度
无论是对于在高温下运动的运动员，还是面对危险环境的消防员，服装在保持舒适、安全和发挥最佳状态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为这些能力提供支持。
当今的自适应织物利用隔热、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。最新的进展包括：
- 光学调制： 新型织物可以根据温度波动改变其吸收的光量。 石墨烯、石墨烯-玻璃纤维织物和聚丙烯腈纳米纤维 已被证明是有效的。光学织物不仅美观，而且可以 用于 光疗和生命体征检测。
- 热响应材料： 形状记忆聚合物、 亲水性聚合物以及 微胶囊相变材料 会根据温度波动改变其形状和结构。它们通过控制织物孔隙中空气和水分的流通量，从而实现对穿着者的加热或冷却。
- 热致变色材料： 这些材料利用液晶、颜料和热致变色聚合物， 能够随温度变化而改变颜色，从而调节织物吸收的光量。这些织物可以变为较浅的颜色以反射来自穿着者的热量，或改变颜色以实现军事伪装。
- 导电聚合物： 诸如 聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩及其衍生物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)等聚合物， 具有导热和导电性能。它们通过有效散发人体热量来帮助调节温度。银纳米线和氮化硼等材料也能通过织物的高效散热来调节温度。
在 CAS，我们始终紧跟化学、物理和工程学交叉领域材料科学的最新创新。通过 CAS Content CollectionTM这一全球最大的人工收录科学信息库，我们持续分析来自世界各地的最新期刊和专利出版物。这使我们能够独到地洞察最新创新成果，并了解哪些突破性技术正在走向商业化。
