立足復合材料 協同創新發展
——材料復合新技術國家重點實驗室

材料復合新技術國家重點實驗室（以下簡稱“實驗室”）于1987年由國家計委批準，于1990年3月通過國家驗收對外開放，其主管部門為國家科技部。實驗室是依托于武漢理工大學建設的面向新材料研究的國家重點實驗室。武漢理工大學材料科學與工程學科是一級學科國家重點學科，被列入國家“985”工程建設世界一流學科計劃，在國家第四輪學科評估中排名A+。

武漢理工大學

強強合作結碩果

實驗室瞄準世界材料科學前沿和國家重大需求，構建國際一流水平的材料復合與制備技術平臺，研制國家重大工程和支柱產業發展需要的先進復合材料，為國家戰略提供支撐；在變革性技術和前沿新材料及其交叉領域，產生具有國際影響力的原創性和系統性研究成果，在若干戰略性前沿新材料研究方面引領國際發展；以卓越科學研究引領材料科學與工程世界一流學科的拔尖創新人才培養；營造國際協同創新文化，開展“強－強”國際合作研究，增強實驗室的國際影響力、吸引力和凝聚力，在2018年材料領域國家重點實驗室評估中獲得了優異的成績，實現了歷史性突破。

實驗室圍繞總體定位與目標，以創建和發展材料多組分、多尺度、多層次復合原理與材料設計理論為重要引領，以構建材料梯度復合技術、原位復合技術、納米復合技術及其集成創新平臺為核心支撐，以研究面向國家重大工程和支柱產業的先進復合材料、面向新能源技術的高效能源轉換和儲存材料、面向生命科學的納米復合生物材料、面向信息技術的信息功能材料和面向變革性技術的前沿新材料5類關鍵材料為重大任務，形成了如下特色鮮明的5個研究方向：梯度復合技術與新材料、原位復合技術與新材料、納米復合技術與新材料、變革性技術與前沿新材料、材料復合原理與材料設計。

實驗室具有一支朝氣蓬勃、勇于創新、以中青年為主體的學術隊伍，現有固定人員100名，其中包括中國科學院院士1人、中國工程院院士2人、比利時皇家科學院院士1人、歐洲科學院院士2人、澳大利亞工程院院士1人、世界陶瓷科學院院士1人，國家高層次人才12人，國家原“973”首席科學家1人，國家“杰出青年科學基金”獲得者5人，國家“萬人計劃”領軍人才4人，國家“新世紀百千萬人才工程”人選7人，教育部“跨世紀、新世紀優秀人才支持計劃”獲得者18人。實驗室積極支持優秀中青年學者到國外著名大學或研究機構進修提高、開展合作研究，近幾年，派出20余名優秀青年學者到國際著名高校從事1年以上的訪問和合作研究。

實驗室重視國內外的學術交流與合作。圍繞主要研究領域，實驗室近5年來，先后聘請了25位國際知名學者作為實驗室的名譽、客座教授，同時創造良好的研究工作條件，邀請國外知名的科學家到實驗室從事合作研究工作。

實驗室與美國密歇根大學、日本航空宇宙技術開發機構、日本東北大學金屬材料研究所、英國牛津大學材料研究中心、美國加州大學復合材料研究中心、加拿大燃料電池國家研究院等國際著名研究機構開展了實質性的“強-強”合作，科技部依托實驗室建立了“材料復合新技術國際聯合實驗室”，它是國家首批33個國際聯合實驗室之一。國家外專局和教育部依托實驗室建立了“材料復合新技術與先進功能材料”“功能薄膜新材料先進制備技術與應用工程”“生命復合材料”3個學科創新引智基地。依托這些重要的國際合作平臺，實驗室承擔了一批國家重點國際合作項目，國際合作與交流取得了豐碩的成果。

新型光伏技術研究

2021年6月，實驗室太陽能電池研究團隊在新型光伏技術研究上取得突破性進展，成果以“Lead halide-templated crystallization of methylamine-free perovskite for efficient photovoltaic modules（碘化鉛模板晶化誘導制備高效無甲胺鈣鈦礦光伏組件）”為題，發表在國際頂級期刊

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，實現了高效穩定太陽能電池組件的印刷制備。

鈣鈦礦光伏技術近年來發展迅速，其光電轉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單、成本低廉等優點，引起全球光伏行業的關注。由于鈣鈦礦成核結晶生長過程不可控，容易形成枝狀晶體，導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業化發展。

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晶動力學過程和調控機制，提供了一種大面積鈣鈦礦薄膜的可控制備方法，為鈣鈦礦產業化制備提供了新的策略。

趨化微米馬達研究

同樣是在2021年6月，實驗室另一支研究團隊在《國家科學評論》（

National Science Reviews，NSR

）發表文章，報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。

自然界中，有許多具有趨化運動能力的生物或細胞。例如，精子細胞可以追蹤卵細胞釋放的化學物質（如孕酮、心鈉素等）而找到卵細胞，完成受精過程。人類模仿自然，正在設計制造多種仿生微納米馬達，希望它們可以將環境中的化學能轉化為自身動能，并通過主動跟隨特定的化學線索，在復雜或動態的環境中實現趨化運動，進而實現自我導航和自我靶向，為靶向給藥、微手術、微型工廠等帶來革命性的變化。但是，目前人工合成的化學驅動微納米馬達常常采用與生物不相容的化學物質作為供能的“燃料”，對化學梯度的敏感性較低；加上它們的個體尺寸較小，易受布朗運動影響，自主運動方向表現出明顯的隨機性。因而，它們僅能顯示假趨化（或宏觀趨化）效果，不能實現自我靶向性能，這與生物趨化性的本質相去甚遠。

在這項研究中，實驗室研究團隊在ZnO微米粒子的一側濺射上一層惰性層（如SiO層），從而構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。由于水中溶解的CO可通過水化作用源源不斷地提供H+，馬達的ZnO一側持續發生化學腐蝕行為，并釋放Zn和HCO，從而驅動其產生基于電解質自擴散電泳的自主運動。這種微米馬達對水中溶解的CO濃度高度敏感，可在超低CO濃度情況下實現自驅動，甚至可以利用CO在空氣/水界面的擴散行為直接從空氣中獲取CO燃料。當水中存在局部CO化學源時，這種微米馬達可以通過接近和遠離化學源表面的反應速率差異感知CO濃度梯度，并向CO化學源趨化運動。當運動方向偏離CO濃度梯度方向時，微米馬達的表面會產生非平衡電滲流并形成電滲流扭矩，從而發生旋轉來調整取向及運動方向，最終快速聚集在CO化學源附近。

CO是細胞有氧呼吸的主要代謝產物，因此，在細胞或微生物周圍通常濃度較高。于是，這種仿生趨化ZnO基微米馬達有望作為仿生微型機器人，追蹤特定細胞或病原體產生的CO信號，并在“自主尋找”到特定細胞之后，利用ZnO的抗癌抗菌活性，執行靶向治療和環境治理等任務。該工作提供了一種以大氣或內源性氣體為燃料的微/納米馬達設計新思路，也將推動智能自尋靶生物醫用微納米機器人的研制與應用。