立足復(fù)合材料 協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展
——材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱“實(shí)驗(yàn)室”）于1987年由國家計(jì)委批準(zhǔn)，于1990年3月通過國家驗(yàn)收對(duì)外開放，其主管部門為國家科技部。實(shí)驗(yàn)室是依托于武漢理工大學(xué)建設(shè)的面向新材料研究的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)科是一級(jí)學(xué)科國家重點(diǎn)學(xué)科，被列入國家“985”工程建設(shè)世界一流學(xué)科計(jì)劃，在國家第四輪學(xué)科評(píng)估中排名A+。

武漢理工大學(xué)

強(qiáng)強(qiáng)合作結(jié)碩果

實(shí)驗(yàn)室瞄準(zhǔn)世界材料科學(xué)前沿和國家重大需求，構(gòu)建國際一流水平的材料復(fù)合與制備技術(shù)平臺(tái)，研制國家重大工程和支柱產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的先進(jìn)復(fù)合材料，為國家戰(zhàn)略提供支撐；在變革性技術(shù)和前沿新材料及其交叉領(lǐng)域，產(chǎn)生具有國際影響力的原創(chuàng)性和系統(tǒng)性研究成果，在若干戰(zhàn)略性前沿新材料研究方面引領(lǐng)國際發(fā)展；以卓越科學(xué)研究引領(lǐng)材料科學(xué)與工程世界一流學(xué)科的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)；營造國際協(xié)同創(chuàng)新文化，開展“強(qiáng)－強(qiáng)”國際合作研究，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的國際影響力、吸引力和凝聚力，在2018年材料領(lǐng)域國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室評(píng)估中獲得了優(yōu)異的成績(jī)，實(shí)現(xiàn)了歷史性突破。

實(shí)驗(yàn)室圍繞總體定位與目標(biāo)，以創(chuàng)建和發(fā)展材料多組分、多尺度、多層次復(fù)合原理與材料設(shè)計(jì)理論為重要引領(lǐng)，以構(gòu)建材料梯度復(fù)合技術(shù)、原位復(fù)合技術(shù)、納米復(fù)合技術(shù)及其集成創(chuàng)新平臺(tái)為核心支撐，以研究面向國家重大工程和支柱產(chǎn)業(yè)的先進(jìn)復(fù)合材料、面向新能源技術(shù)的高效能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存材料、面向生命科學(xué)的納米復(fù)合生物材料、面向信息技術(shù)的信息功能材料和面向變革性技術(shù)的前沿新材料5類關(guān)鍵材料為重大任務(wù)，形成了如下特色鮮明的5個(gè)研究方向：梯度復(fù)合技術(shù)與新材料、原位復(fù)合技術(shù)與新材料、納米復(fù)合技術(shù)與新材料、變革性技術(shù)與前沿新材料、材料復(fù)合原理與材料設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)室具有一支朝氣蓬勃、勇于創(chuàng)新、以中青年為主體的學(xué)術(shù)隊(duì)伍，現(xiàn)有固定人員100名，其中包括中國科學(xué)院院士1人、中國工程院院士2人、比利時(shí)皇家科學(xué)院院士1人、歐洲科學(xué)院院士2人、澳大利亞工程院院士1人、世界陶瓷科學(xué)院院士1人，國家高層次人才12人，國家原“973”首席科學(xué)家1人，國家“杰出青年科學(xué)基金”獲得者5人，國家“萬人計(jì)劃”領(lǐng)軍人才4人，國家“新世紀(jì)百千萬人才工程”人選7人，教育部“跨世紀(jì)、新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”獲得者18人。實(shí)驗(yàn)室積極支持優(yōu)秀中青年學(xué)者到國外著名大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)進(jìn)修提高、開展合作研究，近幾年，派出20余名優(yōu)秀青年學(xué)者到國際著名高校從事1年以上的訪問和合作研究。

實(shí)驗(yàn)室重視國內(nèi)外的學(xué)術(shù)交流與合作。圍繞主要研究領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)室近5年來，先后聘請(qǐng)了25位國際知名學(xué)者作為實(shí)驗(yàn)室的名譽(yù)、客座教授，同時(shí)創(chuàng)造良好的研究工作條件，邀請(qǐng)國外知名的科學(xué)家到實(shí)驗(yàn)室從事合作研究工作。

實(shí)驗(yàn)室與美國密歇根大學(xué)、日本航空宇宙技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)、日本東北大學(xué)金屬材料研究所、英國牛津大學(xué)材料研究中心、美國加州大學(xué)復(fù)合材料研究中心、加拿大燃料電池國家研究院等國際著名研究機(jī)構(gòu)開展了實(shí)質(zhì)性的“強(qiáng)-強(qiáng)”合作，科技部依托實(shí)驗(yàn)室建立了“材料復(fù)合新技術(shù)國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，它是國家首批33個(gè)國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室之一。國家外專局和教育部依托實(shí)驗(yàn)室建立了“材料復(fù)合新技術(shù)與先進(jìn)功能材料”“功能薄膜新材料先進(jìn)制備技術(shù)與應(yīng)用工程”“生命復(fù)合材料”3個(gè)學(xué)科創(chuàng)新引智基地。依托這些重要的國際合作平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了一批國家重點(diǎn)國際合作項(xiàng)目，國際合作與交流取得了豐碩的成果。

新型光伏技術(shù)研究

2021年6月，實(shí)驗(yàn)室太陽能電池研究團(tuán)隊(duì)在新型光伏技術(shù)研究上取得突破性進(jìn)展，成果以“Lead halide-templated crystallization of methylamine-free perovskite for efficient photovoltaic modules（碘化鉛模板晶化誘導(dǎo)制備高效無甲胺鈣鈦礦光伏組件）”為題，發(fā)表在國際頂級(jí)期刊

Science

上。該研究首次提出鈣鈦礦原位兩步法制備策略，解決了鈣鈦礦太陽能電池大面積制備難題，實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定太陽能電池組件的印刷制備。

鈣鈦礦光伏技術(shù)近年來發(fā)展迅速，其光電轉(zhuǎn)換效率可與晶硅太陽能電池相媲美，由于其溶液法制備方法過程簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，引起全球光伏行業(yè)的關(guān)注。由于鈣鈦礦成核結(jié)晶生長(zhǎng)過程不可控，容易形成枝狀晶體，導(dǎo)致電池組件性能偏低，顯著制約鈣鈦礦太陽能電池的大面積制備和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

該研究在無甲胺鈣鈦礦體系中，通過形成碘化鉛/N-甲基吡咯烷酮溶劑絡(luò)合相，有效抑制鈣鈦礦中間相及其枝狀晶的生成，解決了大面積鈣鈦礦薄膜的致密化和穩(wěn)定性難題，最終通過狹縫涂布印刷制備出效率接近20%的10cm×10cm大面積鈣鈦礦電池組件。此外，該研究揭示了溶液法鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過程和調(diào)控機(jī)制，提供了一種大面積鈣鈦礦薄膜的可控制備方法，為鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化制備提供了新的策略。

趨化微米馬達(dá)研究

同樣是在2021年6月，實(shí)驗(yàn)室另一支研究團(tuán)隊(duì)在《國家科學(xué)評(píng)論》（

National Science Reviews，NSR

）發(fā)表文章，報(bào)道了一種可以從空氣中攝取CO作為燃料，并自取向靠近CO源的ZnO基雙面神微米馬達(dá)。

自然界中，有許多具有趨化運(yùn)動(dòng)能力的生物或細(xì)胞。例如，精子細(xì)胞可以追蹤卵細(xì)胞釋放的化學(xué)物質(zhì)（如孕酮、心鈉素等）而找到卵細(xì)胞，完成受精過程。人類模仿自然，正在設(shè)計(jì)制造多種仿生微納米馬達(dá)，希望它們可以將環(huán)境中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為自身動(dòng)能，并通過主動(dòng)跟隨特定的化學(xué)線索，在復(fù)雜或動(dòng)態(tài)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)趨化運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自我導(dǎo)航和自我靶向，為靶向給藥、微手術(shù)、微型工廠等帶來革命性的變化。但是，目前人工合成的化學(xué)驅(qū)動(dòng)微納米馬達(dá)常常采用與生物不相容的化學(xué)物質(zhì)作為供能的“燃料”，對(duì)化學(xué)梯度的敏感性較低；加上它們的個(gè)體尺寸較小，易受布朗運(yùn)動(dòng)影響，自主運(yùn)動(dòng)方向表現(xiàn)出明顯的隨機(jī)性。因而，它們僅能顯示假趨化（或宏觀趨化）效果，不能實(shí)現(xiàn)自我靶向性能，這與生物趨化性的本質(zhì)相去甚遠(yuǎn)。

在這項(xiàng)研究中，實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)在ZnO微米粒子的一側(cè)濺射上一層惰性層（如SiO層），從而構(gòu)筑了一種可以從空氣中攝取生物相容性CO燃料的自取向仿生趨化ZnO基雙面神微米馬達(dá)。由于水中溶解的CO可通過水化作用源源不斷地提供H+，馬達(dá)的ZnO一側(cè)持續(xù)發(fā)生化學(xué)腐蝕行為，并釋放Zn和HCO，從而驅(qū)動(dòng)其產(chǎn)生基于電解質(zhì)自擴(kuò)散電泳的自主運(yùn)動(dòng)。這種微米馬達(dá)對(duì)水中溶解的CO濃度高度敏感，可在超低CO濃度情況下實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)，甚至可以利用CO在空氣/水界面的擴(kuò)散行為直接從空氣中獲取CO燃料。當(dāng)水中存在局部CO化學(xué)源時(shí)，這種微米馬達(dá)可以通過接近和遠(yuǎn)離化學(xué)源表面的反應(yīng)速率差異感知CO濃度梯度，并向CO化學(xué)源趨化運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)方向偏離CO濃度梯度方向時(shí)，微米馬達(dá)的表面會(huì)產(chǎn)生非平衡電滲流并形成電滲流扭矩，從而發(fā)生旋轉(zhuǎn)來調(diào)整取向及運(yùn)動(dòng)方向，最終快速聚集在CO化學(xué)源附近。

CO是細(xì)胞有氧呼吸的主要代謝產(chǎn)物，因此，在細(xì)胞或微生物周圍通常濃度較高。于是，這種仿生趨化ZnO基微米馬達(dá)有望作為仿生微型機(jī)器人，追蹤特定細(xì)胞或病原體產(chǎn)生的CO信號(hào)，并在“自主尋找”到特定細(xì)胞之后，利用ZnO的抗癌抗菌活性，執(zhí)行靶向治療和環(huán)境治理等任務(wù)。該工作提供了一種以大氣或內(nèi)源性氣體為燃料的微/納米馬達(dá)設(shè)計(jì)新思路，也將推動(dòng)智能自尋靶生物醫(yī)用微納米機(jī)器人的研制與應(yīng)用。