前瞻技術脈動：先進材料與技術（202511）

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科技產業資訊室(iKnow) - 技術發展藍圖研析團隊發表於 2025年6月4日

圖、前瞻技術脈動：先進材料與技術（202511）

從貝殼到水泥，自然啟發了更堅固的建築材料
提高混凝土等脆性材料(brittle material)的斷裂韌性(fracture toughness)和延展性(ductility)仍是一項挑戰。由Princeton University研究團隊發表於《Advanced Functional Materials》期刊的研究成果指出，該團隊受到牡蠣和鮑魚殼結構的啟發，開發了一種新的水泥複合材料，其抗裂性(crack-resistant)比普通水泥高出17倍，柔韌性(flexible)高出19倍。這種創新材料模仿了貝殼內的珍珠母(nacre或稱mother of pearl)，結合硬質礦物層和軟性生物聚合物(biopolymer)以增強強度和柔韌性。研究團隊透過將水泥漿(cement paste)與可拉伸的聚合物分層排列，製造了這種複合材料，大大提高了其耐用性。研究成果顯示，這種生物啟發方法可提高混凝土和瓷器等各種脆性陶瓷材料(brittle ceramic material)的韌性，但在實際應用方面仍需進一步研究。
參考資料：From seashells to cement, nature inspires tougher building material. Science Daily. 2024/06/11.

研究人員表示，熱電器件可解決微縮電晶體的過熱問題
匹茲堡大學和卡內基美隆大學的研究人員共同開發了一種微型熱電冷卻器 (TED)，可以嵌入晶片內部，針對性地解決因電晶體微縮化導致的局部過熱問題。傳統散熱系統設計複雜，針對晶片整體降溫。而微型熱電冷卻器則可直接作用於發熱區，透過材料的熱電效應將熱量轉移到散熱區，有效降低局部溫度。研究團隊透過實際測試證明了該方法的可行性，相信該技術可用於優化晶片散熱系統的設計，改善晶片性能，研究成果發表在《Nature Communications》期刊。
參考資料：Thermoelectric devices may solve overheating issues in shrinking transistors, researchers say. TechXplore. 2024/06/12.

奈米級方塊在水中自發性組裝，形成微小的浮動棋盤
透過自組裝(self-assembly)創建具有開放、多孔和高度對稱結構的棋盤晶格具有挑戰性，通常需要形狀互補性和特定的化學交互作用，這些特性僅存在於蛋白質和DNA等生物分子系統中。由University of California, San Diego研究團隊發表於《Nature Communications》期刊的研究成果指出，該團隊開發出奈米級立方體，當這些立方體被置於水面時，會自主排列成二維棋盤形式。研究團隊展示了一種簡單的方法，透過自組裝(self-assembly)創造出複雜的奈米結構。每個立方體由銀晶體構成，表面塗有親水(hydrophilic)和疏水(hydrophobic)分子的混合物，驅使立方體邊對邊排列，形成交替的固態和空洞區域。這種自組裝過程受到奈米立方體表面化學性質的引導，能操控光線，在光學感測(optical sensing)方面具有應用潛力。該研究是由National Science Foundation和UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center資助。
參考資料：Nanosized blocks spontaneously assemble in water to create tiny floating checkerboards. Science Daily. 2024/06/13.

研究人員創造了一類名為「玻璃凝膠」的新型材料
凝膠(gel)和玻璃聚合物（glassy polymer）在歷史上被視為不同類別的材料。由North Carolina State University研究團隊發表於《Nature》期刊的研究成果指出，該團隊開發了一種突破性材料類型，名為「玻璃凝膠」(glassy gel)，將玻璃聚合物(glassy polymer)和傳統凝膠(gel)的特性融合在一起。這些材料儘管含有超過50%的液體成分，但表現出卓越的硬度和彈性。與典型的硬性聚合物不同，玻璃凝膠可在拉伸至原長度的五倍時不斷裂，並可透過加熱來恢復為初始形狀。此外，它們還具有非常黏的表面，這在硬性材料中是不常見的特性。製造過程為將玻璃聚合物的液態前體(liquid precursor)與離子液體(ionic liquid)混合，離子液體作為溶劑在聚合物鏈之間創造空間，從而實現可拉伸性(stretchability)。然而，離子液體與聚合物間的強吸引力阻礙了聚合物鏈的運動，從而使材料保持玻璃狀硬度。該創新材料的機械強度(mechanical robustness)、彈性(flexibility)和可透過成型(molding)或3D列印等方法輕易製造的特性將使其可應用於各種領域。該研究是由Coastal Studies Institute資助。(1253字；圖1)
參考資料：Researchers create new class of materials called 'glassy gels'. Science Daily. 2024/06/19.

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