《Materials 360》2011年世界材料新技術看點聚焦

《Materials 360》2011年世界材料新技術看點聚焦

躲避聲納的水下隱身斗篷

伊利諾斯大學的研究者研制出一種聲學隱形斗篷，可在一個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。研究小組設計的平面圓柱形斗篷是由16個同心環式結構的聲學線路組成，可以引導聲波的方向。每一個環路設計的折射率不同，即聲波從外環進入內環時可改變速度。這種專門設計的聲學線路可彎曲聲波并將他們環繞在斗篷的外層。斗篷可躲避40～80 KHz的超聲波，改進后在理論上可達到幾十兆赫。

為什么有些企鵝穿著藍色燕尾服?

“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)，由于披著一身藍色的羽毛，因而得名“小藍企鵝”。研究者發現這種不同尋常的藍色源于其自身羽翼中納米尺寸的細小纖維。和人體的毛發一樣，這種納米纖維由角蛋白組成，捆扎成束狀。企鵝的藍色羽毛是藍色光遭遇這種超細纖維后散射而成，而其它波長的光沒有這種現象發生。這是對“小藍企鵝”身著藍色燕尾服的新解釋。在其它鳥類身上也發現有類似的納米纖維，如澳大利亞鴯鹋，但和企鵝不同，它身上的纖維是由膠原質組成。目前對于這種現象給小藍企鵝帶來的益處還不得而知。

C60分子轉化石墨烯量子點

以富勒稀分子作為前驅體，研究者首次采用自底向上法生成石墨烯半導體量子點。與自頂向下分析技術生成的量子點不同，新方法產生的量子點尺寸均勻，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，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散至金屬表面以及如何聚合形成量子點。研究發現，通過控制金屬表面的碳簇密度可調整碳簇聚集。而且在825 K下不同形狀的碳簇(花形和六角形)合并結晶成六角形狀石墨烯量子點。研究人員還發現，量子點的能隙與尺寸成反比，即量子點越小，能隙越大。這一結果非常重要，因為石墨烯的金屬化和設計其能帶間隙使材料具有半導電性是石墨烯研究的主要目標之一。

硅在室溫下可形成導電與絕緣區

澳大利亞國立大學的研究者發現了在室溫下基于納米壓痕技術的硅的無掩模導電結構制作方法。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。當壓力快速除去時，得到的非晶硅相為絕緣體;而緩慢去除負荷則生成含大量Si-XII和一些Si-III混合相超細多晶區，而且具導電性能。為增強相的導電性，可在納米壓痕操作中摻雜硼。這樣，無需傳統的掩模光刻或熱處理就可讓研究者“能夠直接地將導電和絕緣區‘寫入’晶體和非晶硅基體”。研究者指出，其中省去高溫工藝對“構建新型電子器件構造有著潛在的應用價值。”

表征納米顆粒內部結構三維特征新方法

丹麥科技大學瑞索國家實驗室聯合清華大學、中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家(聯合)實驗室、美國約翰霍普金斯大學的科學家們，共同合作開發出了一種利用透射電子顯微鏡表征納米材料內部結構三維特征的新方法，分辨率達一個納米，較現在采用的無損3D技術清晰100倍。這種3D透射電鏡表征技術基于圓錐掃描暗場成像進行數據收集，通過記錄大量傾角的影像，可對組成納米材料的各個小晶體進行精確描述，包括其各個晶體的取向、大小、形狀和在三維樣品內的空間位置等。研究者通過該技術可重建樣品內部所有晶體完整的3D表征圖，這些微觀結構參數的精確定量測定為理解和優化納米材料的性能提供了堅實的基礎?！盁o損”分析是其重要優點之一，即在微觀表征過程中不破壞樣品內部結構，因此可用來研究納米材料微觀結構在外加條件下(如加熱或變形)的演變過程，從而為研究納米材料的動態行為開辟了新的途徑。

木質素的不規則表面結構

橡樹嶺國家實驗室和喬治亞理工學院的科學家采用小角度中子散射和分子動力學模擬的方法，首次得到了木質素的三維分子結構。木質素這種生物聚合物具有復雜的表面結構，阻礙著第二代生物乙醇燃料的生產。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酵，清潔、高效，而且不會使用糧食，如玉米生產燃料。然而，由30%的植物細胞壁物質構成的木質素阻礙了酶水解纖維素。直到發現木質素的三維結構其干擾水解過程機制才被理解。我們可以利用這些模型嘗試找出酶如何粘附在木質素表面，并找到生產纖維素生物燃料的方法。

柔性紙質太陽能電池制造技術

麻省理工學院(MIT)的科學家研發出一種利用氧化化學氣相沉積的新型印刷技術，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的玻璃或其他材料輕便，他們相信可以借此生產出發電效果更好的太陽能電池。除了折疊測試，科學家還對紙質印刷太陽能電池進行了其他測試，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化效率約為1%，但與傳統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，隨著持續對該材料進行改進，轉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

美國匹茲堡大學的一個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、高密度超大規模集成電路理想的基本器件，具有極為廣泛的應用價值。這種新型單電子晶體管的核心組件是一個直徑只有1.5 nm的庫倫島，并由一兩個電子負責對信號進行記錄。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材料。此外，這種晶體管對壓力變化也極為敏感，根據這一特性可用其來制成納米尺度的高靈敏度壓力傳感設備。

塑料電子皮膚為醫療發展帶來新動力

伊利諾伊大學香檳分校(UIUC)的研發團隊發明了一種稱為“智能皮膚”的以聚合物為基材制成的超薄電子裝置。該裝置主要由感應器、電子元件、電源及發光元件組成，被壓縮到厚度僅有一根頭發粗細的超薄層中。這樣可以將電子傳感器件與醫療診斷學、通訊和人機界面結合在一起，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性質匹配良好，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”中的各個元件集成化，并為“智能皮膚”增加更多新功能。

世界首個單分子電動馬達問世

塔夫茨大學文理學院化學家利用單個丁基甲基硫醚分子，制造出世界上第一個單分子電動馬達，其旋轉方向和速率都能實時監控，有望為醫療、工程等領域的微型器械提供動力。該單分子電動馬達僅1 nm寬，打破了現有最小電機200 nm的世界紀錄。該分子電動機僅由一個分子組成，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動分子運動，兩條碳鏈就能圍繞硫銅連接點自由旋轉。顯微鏡的金屬針作為一個電極，負責向分子輸送電流，引導分子旋轉方向。要想把分子作為分子機器的部件，需要把不同的分子和外部能源耦合在一起，并且需要引發同一個方向的運動。人們在光學電機和化學反應電機方面已經取得了進展，但是還沒有電子驅動的電機。目前他們正在為此申請吉尼斯世界紀錄。

(本刊通訊員摘編)