立足复合材料 协同创新发展——材料复合新技术国家重点实验室

材料复合新技术国家重点实验室（以下简称“实验室”）于1987年由国家计委批准，于1990年3月通过国家验收对外开放，其主管部门为国家科技部。实验室是依托于武汉理工大学建设的面向新材料研究的国家重点实验室。武汉理工大学材料科学与工程学科是一级学科国家重点学科，被列入国家“985”工程建设世界一流学科计划，在国家第四轮学科评估中排名A+。

武汉理工大学

强强合作结硕果

实验室瞄准世界材料科学前沿和国家重大需求，构建国际一流水平的材料复合与制备技术平台，研制国家重大工程和支柱产业发展需要的先进复合材料，为国家战略提供支撑；在变革性技术和前沿新材料及其交叉领域，产生具有国际影响力的原创性和系统性研究成果，在若干战略性前沿新材料研究方面引领国际发展；以卓越科学研究引领材料科学与工程世界一流学科的拔尖创新人才培养；营造国际协同创新文化，开展“强－强”国际合作研究，增强实验室的国际影响力、吸引力和凝聚力，在2018年材料领域国家重点实验室评估中获得了优异的成绩，实现了历史性突破。

实验室围绕总体定位与目标，以创建和发展材料多组分、多尺度、多层次复合原理与材料设计理论为重要引领，以构建材料梯度复合技术、原位复合技术、纳米复合技术及其集成创新平台为核心支撑，以研究面向国家重大工程和支柱产业的先进复合材料、面向新能源技术的高效能源转换和储存材料、面向生命科学的纳米复合生物材料、面向信息技术的信息功能材料和面向变革性技术的前沿新材料5类关键材料为重大任务，形成了如下特色鲜明的5个研究方向：梯度复合技术与新材料、原位复合技术与新材料、纳米复合技术与新材料、变革性技术与前沿新材料、材料复合原理与材料设计。

实验室具有一支朝气蓬勃、勇于创新、以中青年为主体的学术队伍，现有固定人员100名，其中包括中国科学院院士1人、中国工程院院士2人、比利时皇家科学院院士1人、欧洲科学院院士2人、澳大利亚工程院院士1人、世界陶瓷科学院院士1人，国家高层次人才12人，国家原“973”首席科学家1人，国家“杰出青年科学基金”获得者5人，国家“万人计划”领军人才4人，国家“新世纪百千万人才工程”人选7人，教育部“跨世纪、新世纪优秀人才支持计划”获得者18人。实验室积极支持优秀中青年学者到国外著名大学或研究机构进修提高、开展合作研究，近几年，派出20余名优秀青年学者到国际著名高校从事1年以上的访问和合作研究。

实验室重视国内外的学术交流与合作。围绕主要研究领域，实验室近5年来，先后聘请了25位国际知名学者作为实验室的名誉、客座教授，同时创造良好的研究工作条件，邀请国外知名的科学家到实验室从事合作研究工作。

实验室与美国密歇根大学、日本航空宇宙技术开发机构、日本东北大学金属材料研究所、英国牛津大学材料研究中心、美国加州大学复合材料研究中心、加拿大燃料电池国家研究院等国际著名研究机构开展了实质性的“强-强”合作，科技部依托实验室建立了“材料复合新技术国际联合实验室”，它是国家首批33个国际联合实验室之一。国家外专局和教育部依托实验室建立了“材料复合新技术与先进功能材料”“功能薄膜新材料先进制备技术与应用工程”“生命复合材料”3个学科创新引智基地。依托这些重要的国际合作平台，实验室承担了一批国家重点国际合作项目，国际合作与交流取得了丰硕的成果。

新型光伏技术研究

2021年6月，实验室太阳能电池研究团队在新型光伏技术研究上取得突破性进展，成果以“Lead halide-templated crystallization of methylamine-free perovskite for efficient photovoltaic modules（碘化铅模板晶化诱导制备高效无甲胺钙钛矿光伏组件）”为题，发表在国际顶级期刊

Science

上。该研究首次提出钙钛矿原位两步法制备策略，解决了钙钛矿太阳能电池大面积制备难题，实现了高效稳定太阳能电池组件的印刷制备。

钙钛矿光伏技术近年来发展迅速，其光电转换效率可与晶硅太阳能电池相媲美，由于其溶液法制备方法过程简单、成本低廉等优点，引起全球光伏行业的关注。由于钙钛矿成核结晶生长过程不可控，容易形成枝状晶体，导致电池组件性能偏低，显著制约钙钛矿太阳能电池的大面积制备和产业化发展。

该研究在无甲胺钙钛矿体系中，通过形成碘化铅/N-甲基吡咯烷酮溶剂络合相，有效抑制钙钛矿中间相及其枝状晶的生成，解决了大面积钙钛矿薄膜的致密化和稳定性难题，最终通过狭缝涂布印刷制备出效率接近20%的10cm×10cm大面积钙钛矿电池组件。此外，该研究揭示了溶液法钙钛矿薄膜的结晶动力学过程和调控机制，提供了一种大面积钙钛矿薄膜的可控制备方法，为钙钛矿产业化制备提供了新的策略。

趋化微米马达研究

同样是在2021年6月，实验室另一支研究团队在《国家科学评论》（

National Science Reviews，NSR

）发表文章，报道了一种可以从空气中摄取CO作为燃料，并自取向靠近CO源的ZnO基双面神微米马达。

自然界中，有许多具有趋化运动能力的生物或细胞。例如，精子细胞可以追踪卵细胞释放的化学物质（如孕酮、心钠素等）而找到卵细胞，完成受精过程。人类模仿自然，正在设计制造多种仿生微纳米马达，希望它们可以将环境中的化学能转化为自身动能，并通过主动跟随特定的化学线索，在复杂或动态的环境中实现趋化运动，进而实现自我导航和自我靶向，为靶向给药、微手术、微型工厂等带来革命性的变化。但是，目前人工合成的化学驱动微纳米马达常常采用与生物不相容的化学物质作为供能的“燃料”，对化学梯度的敏感性较低；加上它们的个体尺寸较小，易受布朗运动影响，自主运动方向表现出明显的随机性。因而，它们仅能显示假趋化（或宏观趋化）效果，不能实现自我靶向性能，这与生物趋化性的本质相去甚远。

在这项研究中，实验室研究团队在ZnO微米粒子的一侧溅射上一层惰性层（如SiO层），从而构筑了一种可以从空气中摄取生物相容性CO燃料的自取向仿生趋化ZnO基双面神微米马达。由于水中溶解的CO可通过水化作用源源不断地提供H+，马达的ZnO一侧持续发生化学腐蚀行为，并释放Zn和HCO，从而驱动其产生基于电解质自扩散电泳的自主运动。这种微米马达对水中溶解的CO浓度高度敏感，可在超低CO浓度情况下实现自驱动，甚至可以利用CO在空气/水界面的扩散行为直接从空气中获取CO燃料。当水中存在局部CO化学源时，这种微米马达可以通过接近和远离化学源表面的反应速率差异感知CO浓度梯度，并向CO化学源趋化运动。当运动方向偏离CO浓度梯度方向时，微米马达的表面会产生非平衡电渗流并形成电渗流扭矩，从而发生旋转来调整取向及运动方向，最终快速聚集在CO化学源附近。

CO是细胞有氧呼吸的主要代谢产物，因此，在细胞或微生物周围通常浓度较高。于是，这种仿生趋化ZnO基微米马达有望作为仿生微型机器人，追踪特定细胞或病原体产生的CO信号，并在“自主寻找”到特定细胞之后，利用ZnO的抗癌抗菌活性，执行靶向治疗和环境治理等任务。该工作提供了一种以大气或内源性气体为燃料的微/纳米马达设计新思路，也将推动智能自寻靶生物医用微纳米机器人的研制与应用。