DARPA启动形态演化电化界面材料项目

为了解决复杂作战应用环境中电池/防腐涂层等器件的耐用性问题，美国国防高级研究计划局（DARPA）启动了形态演化电化界面材料（MINT）项目，旨在通过先进数据建模等手段，开发自我调节界面材料，以增强高性能电化系统的耐用性。该界面材料利用局部梯度演化效应，使器件在整个运行周期内保持最佳性能。MINT项目引入的新颖、自适应的电化界面材料的灵感来自生物学/形态演化概念，与细胞/组织形成过程相类似。

持久的电池驱动力和防腐涂层是军事行动/装备应用的关键。电池组件为战术无线电、手持设备、无人系统提供了动力。防腐涂层能够保护飞行器表面、旋翼叶片、船体等免受湿度、砂砾、海水等介质侵蚀。然而，目前在持久电池组件和涂层制造过程中，无法解决电化材料界面上形成的微观不规则等问题。

DARPA MINT项目负责人表示，电池和防腐蚀涂层的耐用性都与发生在界面材料上的电化学反应现象密切相关。正是由于上述微观界面材料上的变化，高密度固态电池和新型耐腐蚀涂层/合金才会发生使用性能变化等相关问题。

在固态电池应用案例中，由于正电荷离子（如锂离子）在充电过程中沉积在负极上，放电过程中沉积在正极上，界面形态的改变导致固体离子转移至界面上的纳米空隙中。随着充放电周期的持续进行，界面空隙的数量和大小迅速增长，电池容量逐渐减少，直到电池不能再进行充电。解决上述界面空隙问题是提升固态电池耐用性的关键。同时，由于固态电池不使用目前广泛应用的锂离子电池中常见的有机液体电解质材料，因此，在150摄氏度的高温下，固态电池本质上是安全的。

在防腐涂层应用案例中，随着周期性循环应用的不断推进，船体、飞行器表面、旋翼等材料组件上的耐蚀涂层/合金在界面上也会发生类似电化学反应现象，且材料组件的周期性循环应用可达数十亿到数万亿次。在腐蚀性较强的环境中，由于腐蚀在材料表面形成的纳米级凹坑渗透到底层材料介质中，并迅速扩展成更大的裂缝，最终会导致船体、装备控制表面和发动机部件等暴露部件的使用寿命大大缩短。

MINT项目专注于开发新型界面材料。这种材料可以利用局部梯度演化（性能下降）效应，在界面上实施持续改造。DARPA在界面/界面材料领域的创新，来自于对材料3D形态和局部梯度演化的不断探索和理解。这些演化在五种不同尺寸内演变/发生，从纳米尺寸的化学作用，直至微米尺寸的空洞/凹坑等。目前，DARPA构建的界面模型是一维的，对界面三维形态演变的探索和理解有限。后续研究空间仍然很大。

DARPA应用的形态演化理论是苏格兰博物学家达西·汤普森在20世纪初提出的。形态演化数学模型由艾伦·图灵首先提出。如今，形态演化概念可普遍应用在任何系统的图案形成/应用领域。

DARPA研究团队将形态演化技术扩展到电化系统中。通过MINT项目，DARPA团队拟利用形态演化模型提供的数学框架，来理解固体/固体、固体/液体和固体/蒸汽界面的形态演变，并扩展应用理论的探索成果，构建更佳的固态电池、耐腐蚀涂层和合金等材料。

MINT项目的研发重点主要有两项：第一是固体/固体电荷转移界面，使固态电池具有前所未有的能量密度和循环寿命；第二是高性能耐腐蚀涂层和合金的固体/液体和固体/蒸汽界面。

DARPA将于2021年7月9日上午11点至下午3点举行MINT项目申请人日网络研讨会。