俄羅斯國立研究型技術(shù)大學(xué)與俄科學(xué)院微電子技術(shù)問題研究所通過沉積石墨烯涂層技術(shù)開發(fā)出一種獨(dú)特的硅納米復(fù)合材料。這一研發(fā)成果將加速直接放置在電子產(chǎn)品印刷電路板上的“微電廠”技術(shù)的發(fā)展。
多孔硅結(jié)構(gòu)被越來越多地應(yīng)用于微電子技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)。它的一個重要特性是大小不同的孔在整個材料中均勻分布。在醫(yī)學(xué)上，多孔硅膜起到過濾器的作用，例如用于血液透析。在便攜式電子產(chǎn)品中，它們被用作微型燃料電池的電極，微型燃料電池是一種有前途的氫能源，可以集成到印刷電路板中。但當(dāng)與工作液體(水或弱堿性溶液)接觸時，納米多孔硅會逐漸被破壞。由于采用新方法處理硅結(jié)構(gòu)，其表面電阻降低了數(shù)百倍，并且對弱堿性溶液的穩(wěn)定性顯著提高。此外，由于在孔道內(nèi)表面形成了額外的凸起，材料表面有效面積增加了兩倍以上。所有這些都極大地改善了微燃料電池的特性，并提高了其中所使用的昂貴催化劑的耐久性。
另外，俄遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)和俄科學(xué)院遠(yuǎn)東分院自動化過程控制研究所開發(fā)出一種激光打印硅納米顆粒的技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)勢在于速度快、制造成本低，能夠用顆粒覆蓋大面積的區(qū)域。這將使VR眼鏡和其他電子產(chǎn)品變得更小，制造成本更低。硅納米顆粒是生產(chǎn)微型光電開關(guān)、超薄計算機(jī)芯片、微生物傳感器和遮蔽涂層的構(gòu)建基元。借助激光印刷的硅納米塊可以控制入射到其上的光波的振幅、光譜和傳播方向等主要特性。
英 國 The UK
仿生技術(shù)可驅(qū)動 充氣設(shè)備能止痛
◎?qū)嵙?xí)記者 張佳欣
英國劍橋大學(xué)的研究人員模仿自然界中最堅固的材料之一——蜘蛛絲的特性，創(chuàng)造了一種基于植物的、可持續(xù)的、可伸縮的聚合物薄膜。這種新材料與當(dāng)今使用的許多普通塑料一樣堅固，可以取代許多普通家用產(chǎn)品中的一次性塑料。同時，該材料無須工業(yè)堆肥設(shè)備就可在大多數(shù)自然環(huán)境中安全降解，也可實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
劍橋大學(xué)研究人員結(jié)合軟機(jī)器人制造技術(shù)、超薄電子學(xué)和微流體技術(shù)，開發(fā)出一種超薄充氣設(shè)備，可以治療最劇烈的肢體疼痛，如無法通過止痛藥治愈的腿部和背部疼痛，而無需進(jìn)行侵入性手術(shù)。該設(shè)備或可成為治療全球數(shù)百萬人頑固性疼痛的長期有效解決方案。
利物浦大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個合作研究小組發(fā)現(xiàn)了一種有史以來導(dǎo)熱率(又稱導(dǎo)熱系數(shù))最低的新無機(jī)材料。這一發(fā)現(xiàn)代表了材料設(shè)計在原子尺度上控制熱流的新突破，這將促進(jìn)廢熱轉(zhuǎn)化為電能和有效利用燃料的新型熱電材料的加速開發(fā)，為構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展社會找到新路。
劍橋大學(xué)找到了一種方法，可以從纖維素(植物、水果和蔬菜的細(xì)胞壁的主要組成部分)中制造出可持續(xù)、無毒、且可生物降解的閃光劑，利用自組裝技術(shù)可以產(chǎn)生色彩鮮艷的薄膜。
劍橋大學(xué)研究人員開發(fā)出一種柔軟而堅固的新材料，外觀和感覺就像軟軟的果凍，但其可承受相當(dāng)于大象站在上面的重量，在壓縮時就像一塊超硬、防碎的玻璃。其還可完全恢復(fù)到原來的形狀，即使其80%的成分是水。
美 國 The US
氫化硼烯顯身手 量子研究新出口
◎本報記者 劉 霞
在新材料領(lǐng)域，美國科學(xué)家發(fā)揮自己的奇思妙想，獲得了多項突破。2004年“新材料之王”石墨烯問世，人們自此開始不斷地去嘗試設(shè)計新型二維材料，硼烯被認(rèn)為比石墨烯更強(qiáng)、更輕、更柔韌，或?qū)⒊蔀槔^石墨烯之后又一種“神奇納米材料”。
阿貢國家實驗室等機(jī)構(gòu)研制出了由硼和氫原子構(gòu)成的氫化硼烯，這種二維材料僅兩個原子厚，且比鋼更堅固，有望在納電子學(xué)和量子信息技術(shù)領(lǐng)域大顯身手。西北大學(xué)的工程師首次創(chuàng)造出一種雙層原子厚度的硼烯，有望給太陽能電池和量子計算等帶來革命性變化。
加州大學(xué)伯克利分?？茖W(xué)家首次研制出一種單原子厚且能在室溫下工作的超薄磁體，有望應(yīng)用于下一代存儲器、計算機(jī)、自旋電子學(xué)以及量子物理等領(lǐng)域。
此外，卡內(nèi)基大學(xué)科學(xué)家開發(fā)了一種新方法，合成出了一種擁有六邊形結(jié)構(gòu)的新型晶型硅，有可能被用于制造新一代電子和能源器件，新設(shè)備的性能將超過現(xiàn)有普通立方形結(jié)構(gòu)硅制成設(shè)備的性能。普林斯頓大學(xué)研究人員研制出了世界上迄今最純凈的砷化鎵，每100億個原子僅含有一個雜質(zhì)，為進(jìn)一步探索量子現(xiàn)象鋪平了道路。
日 本 Japan
電池變得更長壽 儲氫合金顯威力
◎本報駐日本記者 陳 超
日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)試制“金剛石電池”，也稱“貝塔伏特電池”，是利用放射性物質(zhì)制成的“核電池”的一種。放射性物質(zhì)的原子核不穩(wěn)定，會釋放各種放射線并衰變，其中碳14和鎳的放射性同位素鎳63等會釋放β射線。碳14的半衰期約為5700年，鎳63約為100年，所以可實現(xiàn)長壽命電池。“金剛石電池”即利用此類放射性物質(zhì)釋放β射線來實現(xiàn)發(fā)電。日本目前試制的“金剛石電池”壽命可達(dá)100年，可用作太空和地下設(shè)備的電源。
日本高知工科大學(xué)的研究團(tuán)隊開發(fā)出均勻含有14種元素，并且具有納米級微孔隨機(jī)連接的海綿結(jié)構(gòu)“納米多孔超多元催化劑”。這種催化劑是通過制備含14種元素的鋁合金，并在堿性溶液中優(yōu)先溶解鋁脫合金化，然后聚集鋁以外的元素實現(xiàn)的。由于該合金只需溶解即可，因此可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
日本量子科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)機(jī)構(gòu)、東北大學(xué)和高能加速器研究機(jī)構(gòu)改良了合金的成分，發(fā)現(xiàn)無需使用稀有金屬，使用鋁和鐵也可以儲存氫。研究發(fā)現(xiàn)，雖然鋁和鐵都是不容易與氫發(fā)生反應(yīng)的金屬，但使其在7萬個大氣壓以上的環(huán)境下與650℃以上的高溫氫發(fā)生反應(yīng)，則可以儲存氫，變成新的金屬氫化物。日本開發(fā)出這類不使用稀有金屬的儲氫合金，可以實現(xiàn)儲氫材料的低成本運(yùn)輸。
東京工業(yè)大學(xué)、熊本大學(xué)等組成的研究團(tuán)隊開發(fā)出有助于燃料電池實現(xiàn)脫鉑的新物質(zhì)“十四元環(huán)鐵絡(luò)合物”。該研究團(tuán)隊制作由14個原子固定鐵原子、結(jié)構(gòu)比十六元環(huán)絡(luò)合物小一圈的芳香族十四元環(huán)鐵絡(luò)合物。利用電位掃描試驗評估新制備的催化劑的氧還原催化活性發(fā)現(xiàn)，與鐵酞菁相比具有更優(yōu)異的催化活性和耐久性。團(tuán)隊之后的目標(biāo)是，通過優(yōu)化十四元環(huán)的周邊結(jié)構(gòu)，將催化活性提高至目前的30倍左右，以使鉑替代催化劑實現(xiàn)實用化。
法 國 France
國際合作顯其能 創(chuàng)新成果各不同
◎本報駐法國記者 李宏策
納米技術(shù)方面，法國南巴黎大學(xué)固體物理實驗室聯(lián)合奧地利格拉茨技術(shù)大學(xué)物理研究所，首次對納米表面聲子進(jìn)行了三維成像，有望促進(jìn)新的更有效的納米技術(shù)的發(fā)展。為了開發(fā)新的納米技術(shù)，必須首先使表面聲子在納米尺度上實現(xiàn)可視化。在新研究中，科學(xué)家用電子束激發(fā)了晶格振動，用特殊的光譜方法對其進(jìn)行測量，然后進(jìn)行了層析成像重建。
氫能源方面，法國國家科學(xué)研究中心和德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新的氫催化劑。氫化酶是一種既可以催化電解水制氫,又能實現(xiàn)將氫轉(zhuǎn)化為電的逆反應(yīng)的酶,研究人員將氫化酶納入“氧化還原聚合物”,從而使氫化酶能夠被嫁接到電極上。研究人員以此制造了一種系統(tǒng),可以催化兩個方向的反應(yīng),即系統(tǒng)既可以作為燃料電池使用,也可以進(jìn)行相反的化學(xué)反應(yīng),通過電解水產(chǎn)生氫氣。
納米材料方面，法國國家科學(xué)研究中心聯(lián)合麻省理工學(xué)院混凝土可持續(xù)性中心成功利用納米炭黑讓水泥具備導(dǎo)電性。研究人員通過將便宜且易于大規(guī)模生產(chǎn)的納米碳材料引入到混合物中并驗證其導(dǎo)電性。通過在水泥混合物中加入體積為4%的納米炭黑顆粒，得到的樣品具有導(dǎo)電性。當(dāng)施加低至5伏的電壓時可以將該水泥樣品的溫度提高到41攝氏度。由于它能提供均勻的熱量分布，這為室內(nèi)地板采暖提供了可能，可以替代傳統(tǒng)的輻射采暖系統(tǒng)。此外其還可用于道路路面除冰。
韓 國 South Korea
納米研究投入大 經(jīng)費(fèi)保障靠計劃
◎本報駐韓國記者 邰 舉
根據(jù)《2021年度納米技術(shù)發(fā)展實施計劃》和《第七次產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新計劃(2019—2023)2021年度實施計劃》，韓國政府提供的納米研究經(jīng)費(fèi)連續(xù)三年高速增長。
韓國成均館大學(xué)研究展示了在富鎳氧化物上涂布石墨烯涂層，從而在不使用傳統(tǒng)導(dǎo)電劑的情況下制備包含高導(dǎo)電活性陰極的新方向，進(jìn)一步揭示了Gr納米技術(shù)的應(yīng)用可行性。
韓國研究團(tuán)隊開發(fā)了一種使用二硫化鈦?zhàn)鳛榛钚圆牧锨也皇褂霉腆w電解質(zhì)的目前性能最好的納米薄膜正極。
韓國科學(xué)技術(shù)研究院利用半導(dǎo)體制造工程中使用的金屬薄膜沉積工藝，完成了氫燃料電池催化劑金屬納米粒子量產(chǎn)技術(shù)。制造過程中使用特殊基板以避免金屬沉積為薄膜。
韓國一項共同研究打造線寬4.3埃的導(dǎo)電通道獲得成功。該研究使用了透明的單原子厚度的二維黑磷作為導(dǎo)電材料。該材料有望成為代替石墨烯的新一代半導(dǎo)體器件。研究成果通過原子分辨率的透射電子顯微鏡進(jìn)行了驗證。
韓國科學(xué)技術(shù)研究院研發(fā)的超快脈沖激光器，將包含石墨烯的附加諧振器插入到工作在飛秒范圍內(nèi)的光纖脈沖激光振蕩器，將現(xiàn)有激光器的脈沖頻率提升了1萬倍。
以色列 Israel
根據(jù)環(huán)境去偽裝 隱身材料上戰(zhàn)場
◎本報駐以色列記者 胡定坤
以色列企業(yè)Polaris Solutions稱其與以國防部合作研制出一種名為“Kit 300”的熱視覺隱身材料。該材料由金屬、聚合物和超細(xì)纖維組成，其主要用于在夜間幫助士兵避免被熱成像設(shè)備發(fā)現(xiàn)，但其也可根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境(如戈壁、叢林等)需求定制顏色和圖案，在可見光條件下幫助士兵偽裝。此外，該材料具有防水功能，具有較高的強(qiáng)度和柔韌性，可彎曲成U形作為臨時擔(dān)架。
以色列理工大學(xué)電氣和計算機(jī)工程學(xué)院的研究人員在《科學(xué)》雜志發(fā)文稱，其研制了一種超薄的“二維材料(僅由一層原子組成)”，這種材料可以“捕獲”光，且科學(xué)家可使用特殊的“量子顯微鏡”觀察光在其中的傳播。這種材料有望為新一代微型光學(xué)技術(shù)鋪平道路，以色列理工大學(xué)卡米納教授稱，該發(fā)現(xiàn)或可將光纖直徑由1微米減小到1納米。
以色列理工學(xué)院研究團(tuán)隊發(fā)文稱，在原始結(jié)構(gòu)中去除一個氧原子，能夠顯著提升鐵電材料的導(dǎo)電性能。研究人員發(fā)現(xiàn)，鐵電材料——鈦酸鋇的原子形成類似立方體的晶格結(jié)構(gòu)，通過在晶格結(jié)構(gòu)中去除一個氧原子，可以形成一個名為“四極子”的獨(dú)特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，材料的導(dǎo)電率將得到顯著提升，該研究有助于未來降低電子設(shè)備的能耗。
德 國 Germany
電池效率創(chuàng)紀(jì)錄 人工合成鈇元素
◎本報駐德國記者 李 山
德國亥姆霍茲柏林能源與材料研究中心用X射線顯微技術(shù)在1秒鐘內(nèi)拍攝了1000張斷層圖像，刷新了材料研究領(lǐng)域的世界紀(jì)錄。該中心發(fā)明一種放置在硅和鈣鈦礦中間的自組裝甲基單層膜材料，提高了填充性能以及太陽能電池的穩(wěn)定性，并創(chuàng)造了鈣鈦-硅串聯(lián)太陽能電池效率的世界紀(jì)錄。于利希研究中心等合成和表征了所謂的二維材料，并證明該材料是磁振子的拓?fù)浣^緣體。奧格斯堡大學(xué)根據(jù)量子效應(yīng)阻礙磁序原理研發(fā)一種穩(wěn)定化合物，可以替代順磁鹽實現(xiàn)超低溫。
馬克斯普朗克膠體和界面研究所研發(fā)一種氮化碳納米管膜，能以高轉(zhuǎn)化率催化各種光化學(xué)反應(yīng)。這些碳納米管充當(dāng)空間隔離的納米反應(yīng)器可將污水轉(zhuǎn)化為清水。德國電子同步輻射加速器使用高強(qiáng)度的X射線來觀察單個催化劑納米粒子的工作情況，向更好地理解真正的工業(yè)催化材料邁出了重要一步。利用位于德國達(dá)姆施塔特的粒子加速器設(shè)施，德國科學(xué)家成功對114號元素鈇進(jìn)行了人工合成和研究，結(jié)果表明鈇核并不是所謂的“穩(wěn)定島”。
弗里茨·哈伯研究所發(fā)現(xiàn)，通過用激光照射半導(dǎo)體氧化鋅，半導(dǎo)體表面可以變成金屬，然后又變回來。慕尼黑工業(yè)大學(xué)等發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電池界面涂覆納米涂層可讓電池穩(wěn)定?？査刽敹蚶砉W(xué)院發(fā)現(xiàn)，同時涂覆和干燥兩層電極，可以將干燥時間縮短至不到20秒，可使鋰離子電池的生產(chǎn)速度提高至少三分之一。
德國聯(lián)邦材料測試研究所于世界上首次認(rèn)證測定熒光量子效率的標(biāo)準(zhǔn)物，可對新型熒光物質(zhì)及其測量技術(shù)進(jìn)行可靠和可比較的表征。弗萊堡大學(xué)開發(fā)注塑成型玻璃工藝，可用于大批量生產(chǎn)復(fù)雜的玻璃結(jié)構(gòu)、玻璃器件代替之前的塑料產(chǎn)品。弗勞恩霍夫建筑物理研究所開發(fā)了一種脫礦工藝，可將工業(yè)炭黑從車輛輪胎的礦物灰中完全分離出來。
烏克蘭 Ukraine
納米晶體有特性 科學(xué)巧用來治病
◎本報駐烏克蘭記者 張 浩
近幾十年來，科學(xué)界對納米技術(shù)的使用及其在科學(xué)、工程和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供的機(jī)會越來越感興趣。與大塊對應(yīng)物相比，納米晶體具有獨(dú)特的物理特性，并且由于它們的尺寸小，可以很容易地進(jìn)入活細(xì)胞甚至單個細(xì)胞器。這使得納米晶體能夠成功用作藥物的載體，這極大地促進(jìn)了它們對單個細(xì)胞的靶向遞送，并且具有巨大的潛力，特別是在癌癥的化學(xué)療法中。
更有趣的是納米晶體，它不僅可以作為靶向藥物遞送的被動劑，還可以積極參與活細(xì)胞內(nèi)的生物過程。2021年10月，烏克蘭國家科學(xué)院閃爍材料研究所發(fā)布消息稱，該研究所的納米結(jié)構(gòu)材料室在納米生物材料領(lǐng)域?qū)σ环N新型的具有生物活性的納米晶體(納米酶)進(jìn)行了研究，這些納米晶體具有類似于酶的特性，具有控制細(xì)胞中生化過程速率的功能。他們發(fā)現(xiàn)這些納米晶體的特性主要取決于它們極強(qiáng)的抗氧化活性。
眾所周知，活細(xì)胞中不斷形成所謂的活性氧，由于其極高的氧化能力，可以破壞活細(xì)胞的各種成分，從而對身體產(chǎn)生負(fù)面影響。隨著年齡的增長，這些病變會不斷積累，許多科學(xué)家認(rèn)為這種人體結(jié)構(gòu)變化的積累是導(dǎo)致衰老的關(guān)鍵原因之一。也就是說，有效調(diào)節(jié)活細(xì)胞中活性氧的水平可以成為預(yù)防多種疾病甚至延緩衰老的因素之一。酶分子可以控制活細(xì)胞中活性氧的水平，研究最多的具有酶樣抗氧化活性的納米晶體類型之一的氧化鈰納米晶體。該研究所的科學(xué)家研究證實了納米晶體能夠減緩小鼠的衰老過程，科學(xué)家們在研究過程中還建立了納米晶體在不同酸度環(huán)境中促進(jìn)氧化活性的具體機(jī)制。
