綜合報(bào)道
2012-01-16 09:58:52
中國(guó)材料進(jìn)展 2012年7期
綜合報(bào)道
石墨烯可作為人工光合作用高效催化劑
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)2012年7月18日?qǐng)?bào)道，韓國(guó)化學(xué)技術(shù)研究所和首爾梨花女子大學(xué)的新研究，證明石墨烯作為一種高效的光催化劑可使人工光合作用系統(tǒng)的效率提升，其同時(shí)展示了一個(gè)能直接將二氧化碳轉(zhuǎn)換成太陽(yáng)能化學(xué)物質(zhì)或太陽(yáng)能燃料的基準(zhǔn)實(shí)例。該研究刊登在最新一期的《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上。
人工光合作用系統(tǒng)可使太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，產(chǎn)生可再生、無(wú)污染的燃料及多種用途的化學(xué)品。開(kāi)發(fā)出一個(gè)高效的太陽(yáng)能燃料轉(zhuǎn)換過(guò)程非常具有挑戰(zhàn)性，盡管研究人員已經(jīng)演示了人工光合作用的可行性，但實(shí)現(xiàn)其高效率卻比較困難。此前曾嘗試用石墨烯半導(dǎo)體復(fù)合材料作為催化劑，但效率也較低。
新研究中，科學(xué)家使用石墨烯作為光觸媒，然后再加以卟啉酶，該物質(zhì)可以把陽(yáng)光和二氧化碳轉(zhuǎn)換成甲酸，用于塑料行業(yè)的化學(xué)品和燃料電池的燃料。測(cè)試結(jié)果表明，基于石墨烯的光催化劑在可見(jiàn)光范疇下功能強(qiáng)大，其整體效益顯著高于其他催化劑。
研究還發(fā)現(xiàn)，該材料具有良好的電子傳輸能力，并且石墨烯較大的表面積有助于加快化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。這種可從二氧化碳中直接生產(chǎn)出太陽(yáng)能燃料的能力，可應(yīng)用于燃料電池、塑料制業(yè)以及制藥行業(yè)。
研究人員稱:“作為一個(gè)實(shí)用性強(qiáng)大的系統(tǒng)，此次成果也可用于生產(chǎn)特制的精細(xì)化學(xué)品，例如，手性2-氨基-1-方基乙醇衍生物。這是多種極其昂貴的手性藥物的重要中間體，現(xiàn)在通過(guò)我們的催化劑——酶耦合人工光合作用系統(tǒng)，可以利用太陽(yáng)光能簡(jiǎn)單地合成出來(lái)?！?/p>
研究者發(fā)現(xiàn)性能奇異的材料
在正常情況下，材料可以磁極化，也可電極化，但二者不能同時(shí)出現(xiàn)。然而，丹麥哥本哈根大學(xué)尼爾斯·波爾研究所研究者目前研究一種同時(shí)可磁極化又可電極化的材料。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《Nature Materials》雜志上。
能夠磁極化又能電極化、并且還有附加屬性的材料，叫做多鐵性材料。這種材料先前由俄羅斯研究者于20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的，那時(shí)還沒(méi)有檢驗(yàn)這種材料的技術(shù)。現(xiàn)在已有這種檢驗(yàn)設(shè)備，，可把這種材料分析到原子級(jí)。
“我們?cè)谝粋€(gè)外加磁場(chǎng)下利用強(qiáng)大的中子輻照研究了稀有天然的鐵化合物TbFeO3。溫度冷卻到接近絕對(duì)零度，－271℃。我們能夠鑒別出來(lái)的是材料原子排列成均勻一致晶體結(jié)構(gòu)，由成行的并被鐵、氧原子隔離的重金屬鋱(Tb)組成。這樣的結(jié)構(gòu)是眾所周知的，但磁疇是新的。正常情況下，磁疇有點(diǎn)雜亂，但在這里我們觀察到磁疇排列筆直，間距相同?？吹竭@種情況后我們被完全驚呆了?！备绫竟髮W(xué)納米科學(xué)中心副教授Kim Lefman解釋說(shuō)。
他們很奇怪會(huì)有這么漂亮的試驗(yàn)結(jié)果，正是這樣的一個(gè)發(fā)現(xiàn)引起研究者強(qiáng)烈的興趣。為什么會(huì)是這樣呢?
實(shí)驗(yàn)工作是與荷蘭研究者合作在德國(guó)柏林中子輻照裝置上完成的。他們想借助于計(jì)算對(duì)材料有一整體了解，目前他們對(duì)材料結(jié)構(gòu)及其物理性能的關(guān)系已有更清楚的圖像。
尼爾斯·波爾研究所副教授Heloisa Bordallo解釋說(shuō)，“模型描述的是鋱交換(鐵磁性)自旋波激發(fā)的疇壁相互作用，這種相互作用通過(guò)磁性鐵晶格轉(zhuǎn)移，這是一種類似于Yukawa的核力。這種材料某種意義上說(shuō)具有相同的能把原子核中粒子聚集在一起的相互作用力?！?/p>
正是過(guò)渡金屬鐵與稀有金屬鋱的這種相互作用才使這種材料成為磁－電材料。鋱的自旋波使電極化增強(qiáng)，元素離子之間的相互作用產(chǎn)生強(qiáng)大的磁－電效應(yīng)。
左圖示出大多數(shù)傳統(tǒng)材料出現(xiàn)的疇壁，右圖示出TbFeO3在磁場(chǎng)下不尋常的自旋有序，自旋方向沿著一行原子突然出現(xiàn)變向，磁疇大約20 nm，疇壁為十分之幾納米
研究者強(qiáng)調(diào)，“通過(guò)這些結(jié)果，我們找到了一條發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)新的多鐵性材料的新途徑”。目前，研究者正在做進(jìn)一步研究，確定這種新效應(yīng)能否使這些具有奇異物理性能的材料找到新應(yīng)用。
新型電子材料可如橡皮筋般延展拉伸
由美國(guó)西北大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際聯(lián)合研究小組宣稱，他們開(kāi)發(fā)出一種能夠像橡皮筋一樣延展拉伸的電子材料。這種材料就算被彎曲或拉伸到原始尺寸的200%也能夠正常工作，在醫(yī)療器械和消費(fèi)電子設(shè)備制造等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
對(duì)心臟病、高血壓、糖尿病等患者而言，定期去醫(yī)院查體幾乎已成為生活的一部分，這不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力也占用了大量醫(yī)療資源。早有科學(xué)家提出，可以設(shè)計(jì)一種可植入人體的微型醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備，這樣既方便患者也方便醫(yī)生，若有狀況還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。但材料的問(wèn)題成了阻礙該技術(shù)發(fā)展的一大障礙——目前的電子元件大都以硅為基礎(chǔ)，太過(guò)僵硬根本無(wú)法擔(dān)此重任。
該項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者為美國(guó)西北大學(xué)環(huán)境工程與機(jī)械工程學(xué)教授黃永剛。為攻克這一難關(guān)，在過(guò)去的5年中，他和團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出延展率能夠達(dá)到50%的電子元件，但在許多極具價(jià)值的應(yīng)用需求前仍然捉襟見(jiàn)肘。其中一大挑戰(zhàn)便是由延伸所導(dǎo)致的電導(dǎo)率的嚴(yán)重?fù)p失。目前市場(chǎng)上由固體金屬制成的電路在進(jìn)行延展時(shí)，不無(wú)例外地會(huì)遭遇這一難關(guān)。
新研究中，黃永剛團(tuán)隊(duì)想出一種新方法解決這一難題。首先，他們用一種名為聚二甲基硅氧烷(PDMS)的聚合物造出一種多孔三維高分子材料，它能延展到自身原始尺寸的3倍。而后再將液態(tài)金屬(EGaIn)灌入高分子材料的孔中，這樣即便是進(jìn)行高強(qiáng)度拉伸時(shí)，電流也不會(huì)發(fā)生中斷。借助這一方法，他們制造出這種同時(shí)具備高度可延展性與極佳導(dǎo)電性能的材料。
黃永剛說(shuō):“該技術(shù)的關(guān)鍵是多孔聚合物和液態(tài)金屬的結(jié)合，通過(guò)這一方法我們成功地讓這種材料實(shí)現(xiàn)了200%延展。有了這種材料，制造出像橡皮筋一樣延展的電子設(shè)備將成為可能?！?/p>
參與這項(xiàng)研究的還有來(lái)自韓國(guó)高等科學(xué)技術(shù)研究院、中國(guó)大連理工大學(xué)以及美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校的科學(xué)家。相關(guān)論文發(fā)表在6月26日出版的《自然·通訊》上。
日本開(kāi)發(fā)出能在室溫下發(fā)白光的材料
日本物質(zhì)和材料研究機(jī)構(gòu)于2012年7月14日稱，該機(jī)構(gòu)研究人員開(kāi)發(fā)出一種能在室溫下發(fā)白光的材料，這種材料生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，能涂在各種形狀的底材表面，新材料有望作為下一代發(fā)光材料大幅簡(jiǎn)化照明裝置等的制造流程。
物質(zhì)和材料研究機(jī)構(gòu)2012年7月14日發(fā)布的新聞公報(bào)稱，照明裝置的耗電量占到我們電力消耗總量的20%，為削減溫室氣體排放量，人們迫切需要照明領(lǐng)域材料和技術(shù)的革新，其中能發(fā)出白光的有機(jī)材料因?yàn)槟艽姘谉霟艉蜔晒鉄糇鳛橄乱淮彰鞯墓庠床牧隙鴤涫荜P(guān)注。但現(xiàn)有的一些有機(jī)材料一旦涂到底材上并將溶媒蒸發(fā)后，發(fā)光材料中的分子就會(huì)相互凝集，導(dǎo)致發(fā)光性能不能充分發(fā)揮。
物質(zhì)和材料研究機(jī)構(gòu)高級(jí)研究員中西尚志等人首先開(kāi)發(fā)出一種分子不會(huì)凝集、不揮發(fā)的熒光液體，這種液體不需要揮發(fā)性的有機(jī)溶媒就能發(fā)出藍(lán)色熒光，再向這種液體中添加少量粉末狀熒光材料，從而制成一種能發(fā)出高輝度白光的膏狀材料。
公報(bào)稱，新發(fā)光材料生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，適用于各種形狀的底材。而且這種材料經(jīng)調(diào)整甚至能發(fā)出全彩色光，有望成為下一代可印刷電子領(lǐng)域的新材料。
相關(guān)論文預(yù)定刊登于德國(guó)《應(yīng)用化學(xué)國(guó)際版》和英國(guó)《自然》雜志。
科學(xué)家首次用光改變?nèi)嗽斐肿邮中?/h2>
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)2012年7月11日?qǐng)?bào)道，美國(guó)科學(xué)家首次研制出一種人造分子，可用一束光改變其手性，這種分子可應(yīng)用于包括生物醫(yī)學(xué)研究、國(guó)土安全和超高速通訊在內(nèi)的太赫茲技術(shù)領(lǐng)域，相關(guān)研究發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。
手性分子是化學(xué)中結(jié)構(gòu)上鏡像對(duì)稱而又不能完全重合的分子。該類分子具有迥然不同的左手或右手傾向，能用太赫茲電磁射線觀察、甚至改變分子的手性是科學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo)。
該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)分部的張翔(音譯)表示:“我們能改變天然材料的手性，但改變過(guò)程緩慢同時(shí)也會(huì)改變材料的結(jié)構(gòu)，而我們新制造出的人造分子的手性卻能以光速進(jìn)行切換。”
張翔團(tuán)隊(duì)用由納米大小的金條經(jīng)過(guò)加工制成的太赫茲“超材料”，制造出了一種精巧的人造手性分子，接著將其同具有光活性的硅媒介結(jié)合，再使用一束外部光對(duì)該“超分子”進(jìn)行光致激發(fā)，結(jié)果觀察到了以圓偏振發(fā)射太赫茲光的形式表現(xiàn)出來(lái)的手性變化。而且，這種光致激發(fā)也使科學(xué)家們能對(duì)這種手性切換和太赫茲光的圓偏振進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。張翔表示:“以前使用光電刺激只能打開(kāi)或關(guān)閉‘超材料’的手性，但現(xiàn)在，我們能用光開(kāi)關(guān)改變這種太赫茲‘超分子’的手性。”
張翔解釋道，新的“超分子”包含有一對(duì)手性相反的三維超原子。他們?cè)诿總€(gè)超原子內(nèi)的不同地方放置了一塊硅板。最終，硅板破壞了鏡像對(duì)稱并讓超分子具有了手性。硅板也承擔(dān)了能在光致激發(fā)下改變超分子手性的光電開(kāi)關(guān)的功能。他表示:“我們的系統(tǒng)依賴于兩個(gè)手性不同的超原子的‘聯(lián)姻’，在特定頻率范圍內(nèi)，其中一個(gè)超原子起作用，而另外一個(gè)不具有活性。如果設(shè)計(jì)合理，這兩個(gè)超原子會(huì)對(duì)同樣的外部刺激做出相反的反應(yīng)，不活躍的超原子會(huì)開(kāi)始起作用，而起作用的超原子則會(huì)失去活性，這就使超分子的手性發(fā)生了變化?！?/p>
太赫茲電磁射線也稱為T射線，位于分子振動(dòng)的頻率范圍內(nèi)，這使其成為理想的非侵入式工具，可用來(lái)分析有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的化學(xué)組成，改變超分子的手性并控制太赫茲光的圓偏振可被用于探測(cè)有毒易爆的化學(xué)品，或用于無(wú)線通訊以及高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。因?yàn)榘―NA、RNA和蛋白質(zhì)在內(nèi)的大多數(shù)生物分子都具有手性，新研究也能讓醫(yī)學(xué)研究者和制藥人士受益。
另一名研究人員安托瓦妮特·泰勒表示，他們的光切換手性太赫茲超分子的設(shè)計(jì)原理并不局限于改變手性，也可用來(lái)動(dòng)態(tài)地改變其他電磁屬性。
(來(lái)源:中國(guó)科技網(wǎng))
(摘譯自The R＆D Daily)
(來(lái)源:科技網(wǎng))
(來(lái)源:新華社)
(來(lái)源:中國(guó)科技網(wǎng))
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