《Materials 360》2011年世界材料新技術(shù)看點(diǎn)聚焦

躲避聲納的水下隱身斗篷

伊利諾斯大學(xué)的研究者研制出一種聲學(xué)隱形斗篷，可在一個(gè)特定空間中控制聲波并將其彎曲或扭曲，使水下物體在這種聲學(xué)隱形外罩的遮擋下，甚至連聲吶和其他各種超聲波都探測不到。用于水下物體躲避聲吶和超聲波。研究小組設(shè)計(jì)的平面圓柱形斗篷是由16個(gè)同心環(huán)式結(jié)構(gòu)的聲學(xué)線路組成，可以引導(dǎo)聲波的方向。每一個(gè)環(huán)路設(shè)計(jì)的折射率不同，即聲波從外環(huán)進(jìn)入內(nèi)環(huán)時(shí)可改變速度。這種專門設(shè)計(jì)的聲學(xué)線路可彎曲聲波并將他們環(huán)繞在斗篷的外層。斗篷可躲避40～80 KHz的超聲波，改進(jìn)后在理論上可達(dá)到幾十兆赫。

為什么有些企鵝穿著藍(lán)色燕尾服?

“神仙企鵝”，一種生活在澳大利亞的世界上最小的企鵝(身高僅僅30 cm左右)，由于披著一身藍(lán)色的羽毛，因而得名“小藍(lán)企鵝”。研究者發(fā)現(xiàn)這種不同尋常的藍(lán)色源于其自身羽翼中納米尺寸的細(xì)小纖維。和人體的毛發(fā)一樣，這種納米纖維由角蛋白組成，捆扎成束狀。企鵝的藍(lán)色羽毛是藍(lán)色光遭遇這種超細(xì)纖維后散射而成，而其它波長的光沒有這種現(xiàn)象發(fā)生。這是對“小藍(lán)企鵝”身著藍(lán)色燕尾服的新解釋。在其它鳥類身上也發(fā)現(xiàn)有類似的納米纖維，如澳大利亞鴯鹋，但和企鵝不同，它身上的纖維是由膠原質(zhì)組成。目前對于這種現(xiàn)象給小藍(lán)企鵝帶來的益處還不得而知。

C60分子轉(zhuǎn)化石墨烯量子點(diǎn)

以富勒稀分子作為前驅(qū)體，研究者首次采用自底向上法生成石墨烯半導(dǎo)體量子點(diǎn)。與自頂向下分析技術(shù)生成的量子點(diǎn)不同，新方法產(chǎn)生的量子點(diǎn)尺寸均勻，形狀相同。通過高溫下在金屬釕表面將C60分子分解生成了量子點(diǎn)，其中金屬釕作為催化劑促使C60分解為碳簇。研究者使用掃描隧道顯微鏡觀察了碳簇如何擴(kuò)散至金屬表面以及如何聚合形成量子點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，通過控制金屬表面的碳簇密度可調(diào)整碳簇聚集。而且在825 K下不同形狀的碳簇(花形和六角形)合并結(jié)晶成六角形狀石墨烯量子點(diǎn)。研究人員還發(fā)現(xiàn)，量子點(diǎn)的能隙與尺寸成反比，即量子點(diǎn)越小，能隙越大。這一結(jié)果非常重要，因?yàn)槭┑慕饘倩驮O(shè)計(jì)其能帶間隙使材料具有半導(dǎo)電性是石墨烯研究的主要目標(biāo)之一。

硅在室溫下可形成導(dǎo)電與絕緣區(qū)

澳大利亞國立大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)了在室溫下基于納米壓痕技術(shù)的硅的無掩模導(dǎo)電結(jié)構(gòu)制作方法。該方法從金剛石－立方相硅，即Si-I入手，通過對壓痕壓力可控去壓確定微量硅。當(dāng)壓力快速除去時(shí)，得到的非晶硅相為絕緣體;而緩慢去除負(fù)荷則生成含大量Si-XII和一些Si-III混合相超細(xì)多晶區(qū)，而且具導(dǎo)電性能。為增強(qiáng)相的導(dǎo)電性，可在納米壓痕操作中摻雜硼。這樣，無需傳統(tǒng)的掩模光刻或熱處理就可讓研究者“能夠直接地將導(dǎo)電和絕緣區(qū)‘寫入’晶體和非晶硅基體”。研究者指出，其中省去高溫工藝對“構(gòu)建新型電子器件構(gòu)造有著潛在的應(yīng)用價(jià)值?！?/p>

表征納米顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維特征新方法

丹麥科技大學(xué)瑞索國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合清華大學(xué)、中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室、美國約翰霍普金斯大學(xué)的科學(xué)家們，共同合作開發(fā)出了一種利用透射電子顯微鏡表征納米材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維特征的新方法，分辨率達(dá)一個(gè)納米，較現(xiàn)在采用的無損3D技術(shù)清晰100倍。這種3D透射電鏡表征技術(shù)基于圓錐掃描暗場成像進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，通過記錄大量傾角的影像，可對組成納米材料的各個(gè)小晶體進(jìn)行精確描述，包括其各個(gè)晶體的取向、大小、形狀和在三維樣品內(nèi)的空間位置等。研究者通過該技術(shù)可重建樣品內(nèi)部所有晶體完整的3D表征圖，這些微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確定量測定為理解和優(yōu)化納米材料的性能提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。“無損”分析是其重要優(yōu)點(diǎn)之一，即在微觀表征過程中不破壞樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此可用來研究納米材料微觀結(jié)構(gòu)在外加條件下(如加熱或變形)的演變過程，從而為研究納米材料的動態(tài)行為開辟了新的途徑。

木質(zhì)素的不規(guī)則表面結(jié)構(gòu)

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和喬治亞理工學(xué)院的科學(xué)家采用小角度中子散射和分子動力學(xué)模擬的方法，首次得到了木質(zhì)素的三維分子結(jié)構(gòu)。木質(zhì)素這種生物聚合物具有復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)，阻礙著第二代生物乙醇燃料的生產(chǎn)。而相比于第一代生物燃料，第二代生物乙醇燃料利用草和植物發(fā)酵，清潔、高效，而且不會使用糧食，如玉米生產(chǎn)燃料。然而，由30%的植物細(xì)胞壁物質(zhì)構(gòu)成的木質(zhì)素阻礙了酶水解纖維素。直到發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素的三維結(jié)構(gòu)其干擾水解過程機(jī)制才被理解。我們可以利用這些模型嘗試找出酶如何粘附在木質(zhì)素表面，并找到生產(chǎn)纖維素生物燃料的方法。

柔性紙質(zhì)太陽能電池制造技術(shù)

麻省理工學(xué)院(MIT)的科學(xué)家研發(fā)出一種利用氧化化學(xué)氣相沉積的新型印刷技術(shù)，可將太陽能電池印制到紙或其他柔軟織物表面，打印出光伏電池。新的印刷工藝使用的是蒸汽而非液體，溫度也不超過120攝氏度，因此普通紙張、布料和塑料均可成為印刷太陽能電池的材料。由于作為印刷底物的紙張和塑料比傳統(tǒng)的玻璃或其他材料輕便，他們相信可以借此生產(chǎn)出發(fā)電效果更好的太陽能電池。除了折疊測試，科學(xué)家還對紙質(zhì)印刷太陽能電池進(jìn)行了其他測試，例如接受激光打印、置于高溫之中等，其性能皆被證明沒有受到損耗。雖然這種紙上太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率約為1%，但與傳統(tǒng)由玻璃或其他材料制成的襯底相比，紙或塑料襯底要輕薄很多，研究者們相信，隨著持續(xù)對該材料進(jìn)行改進(jìn)，轉(zhuǎn)化效率將被大大提高。

完全由氧化物制成的超小型單電子晶體管

美國匹茲堡大學(xué)的一個(gè)研究小組制造出了一種超小型單電子晶體管。該裝置是制造下一代低功耗、高密度超大規(guī)模集成電路理想的基本器件，具有極為廣泛的應(yīng)用價(jià)值。這種新型單電子晶體管的核心組件是一個(gè)直徑只有1.5 nm的庫倫島，并由一兩個(gè)電子負(fù)責(zé)對信號進(jìn)行記錄。該晶體管未來可用于研制具有超密存儲功能的量子處理器。因其中央的庫倫島可以被當(dāng)作人工原子，該晶體管還可用來制造自然界原本并不存在的新型超導(dǎo)材料。此外，這種晶體管對壓力變化也極為敏感，根據(jù)這一特性可用其來制成納米尺度的高靈敏度壓力傳感設(shè)備。

塑料電子皮膚為醫(yī)療發(fā)展帶來新動力

伊利諾伊大學(xué)香檳分校(UIUC)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種稱為“智能皮膚”的以聚合物為基材制成的超薄電子裝置。該裝置主要由感應(yīng)器、電子元件、電源及發(fā)光元件組成，被壓縮到厚度僅有一根頭發(fā)粗細(xì)的超薄層中。這樣可以將電子傳感器件與醫(yī)療診斷學(xué)、通訊和人機(jī)界面結(jié)合在一起，測量心率和其他生命體征，還可用做電子繃帶加速傷口愈合、甚至還可為假肢裝置帶來觸覺。由于智能皮膚與自然皮膚的力學(xué)性質(zhì)匹配良好，可像紋身一樣附著于皮膚表面。研究人員表示下一步將使“智能皮膚”中的各個(gè)元件集成化，并為“智能皮膚”增加更多新功能。

世界首個(gè)單分子電動馬達(dá)問世

塔夫茨大學(xué)文理學(xué)院化學(xué)家利用單個(gè)丁基甲基硫醚分子，制造出世界上第一個(gè)單分子電動馬達(dá)，其旋轉(zhuǎn)方向和速率都能實(shí)時(shí)監(jiān)控，有望為醫(yī)療、工程等領(lǐng)域的微型器械提供動力。該單分子電動馬達(dá)僅1 nm寬，打破了現(xiàn)有最小電機(jī)200 nm的世界紀(jì)錄。該分子電動機(jī)僅由一個(gè)分子組成，其主要部件為丁基甲基硫醚分子，是通過把丁基甲基硫醚分子吸附到一個(gè)銅基板上制作而成，其中硫原子(下圖中的黃球)朝下，起到樞軸作用，碳原子則向外延伸。用掃描隧道顯微鏡的電子驅(qū)動分子運(yùn)動，兩條碳鏈就能圍繞硫銅連接點(diǎn)自由旋轉(zhuǎn)。顯微鏡的金屬針作為一個(gè)電極，負(fù)責(zé)向分子輸送電流，引導(dǎo)分子旋轉(zhuǎn)方向。要想把分子作為分子機(jī)器的部件，需要把不同的分子和外部能源耦合在一起，并且需要引發(fā)同一個(gè)方向的運(yùn)動。人們在光學(xué)電機(jī)和化學(xué)反應(yīng)電機(jī)方面已經(jīng)取得了進(jìn)展，但是還沒有電子驅(qū)動的電機(jī)。目前他們正在為此申請吉尼斯世界紀(jì)錄。

(本刊通訊員摘編)