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陈斌:纳米材料颗粒越细微,转动越活跃
陈斌:纳米材料颗粒越细微,转动越活跃
作者:王娜 鲁萌 | 2014/2/21 12:35:21 | 浏览:1078 | 评论:0
  摘要:纳米材料有什么样的形变机制?高压先进科研中心(上海)陈斌研究员及其合作团队研究发现,材料颗粒越细微,转动越活跃。《美国科学院院报》近日刊发了这一最新研究成果。

  陈斌及其团队引入地球物理领域的实验方法,成功探测到了超细纳米晶体的塑性形变,进而发现材料颗粒越细微,转动越活跃。这一发现对于研究结构材料的强度和寿命以及探索矿物在地球内部的形成机制具有重要意义。

  近年来,常规体材料(颗粒直径大于1微米)的塑性形变机制已被充分了解,但由于缺乏有效的实验探测手段,纳米材料的形变机制还是一个未知数。陈斌长期致力于纳米科学研究,他和团队最先在微小如3纳米的镍粉中探测到了被认为不存在的位错形变机制,相关成果发表在2012年12月14日的《科学》杂志上。此次最新科研成果发现,相同粒径铂粉的组织结构强度随混合镍颗粒尺寸(从500纳米小至3纳米)的减小而迅速且有规律地下降。

  “这个惊奇的发现表明,超细纳米晶体转动更为活跃。这为探索仅有几纳米微尺度上的材料变形机理提供了一种新的手段。”陈斌说。

  纳米材料具有诸多卓越性质,适合作为涡轮发动机部件涂层材料、电子元器件或太空装置光学观察窗口材料等。纳米材料的塑性形变对力学、热学、光学研究具有重要影响,对其机理的深入探索,可望进一步促进相关科研和工业应用开发。


美国麻省理工发现“纳米电子有限态”

陈斌:纳米材料颗粒越细微,转动越活跃

  最近,由麻省理工大学研究会公司和哈佛大学科学家与工程师组成的一个跨学科研究小组合作,用“自下而上”的方法将极微细的纳米线晶体管进行复杂的组装,制造出一种超小、超低能耗的控制处理器,在制造超小电子计算机系统上迈出了关键一步,同时也将逼近的“摩尔法则”的大限远远推开。相关论文发表在本周的美国《国家科学院院刊》上。

  研究人员将他们的处理器称为“纳米电子有限状态机”(nanoFSM),也是迄今为止最密集的纳米电子系统。它比人的一个神经细胞还要小,由几百根纳米线晶体管组成,每根晶体管都是一个开关,比人的头发要细1万倍。纳米线晶体管用电极少,因为它们是“非耗散性的”,也就是说,这种开关“记得”它们自己是“开”还是“关”,即使在断电的情况下。

  在nanoFSM中,这些纳米开关组成电路排在一些“基片”上,再将基片整合在一起,这些基片线路传输微小电子信号给周围计算机,让它进行计算、处理信号,以此控制某些微系统,比如微型医疗设备、微型传感器、促动器,甚至像昆虫大小的机器人等。

  该研究小组曾在2011年演示过单个微基片的功能,可以执行简单的逻辑操作。在新成果中,他们把多个基片整合在一个芯片上,成为复杂的可编程纳米计算机。

  “怎样开发一种系统结构,怎样设计电路才能把我们想要的控制功能挤压在这么小的系统中,这是一项挑战。”该纳米计算机首席设计师、MITRE纳米系统小组负责人夏米克-戴斯说,“当我们做好了设计之后,哈佛大学的搭档们出色地实现了这些设计。”

  根据摩尔法则,集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍。由于传统的印刷电路方法和传统晶体管的限制,许多行业专家认为,延续了数十年的计算机电路微型化趋势将很快迎来它的大限,最快可能5年内就会发生,除非在设备或制造技术上有所创新。

  而nanoFSM中的纳米装置精密而密集,使其处理能力大大提高。这种突破性的方法可以按照事先的设计,经济地、自下而上地组装出复杂的纳米系统。MITRE首席纳米技术科学家詹姆斯-艾伦伯根说:“虽然nanoFSM和这种新的制造方法并非提供给该行业的全部答案,但我认为,它结合了电子行业两个关键领域的重要进步,聚集在一起以共同拓展摩尔法则。”

  本项研究不光为突破摩尔定律寻找到一项创新性的方法,更重要的是制造出了能够实用的处理器,而不仅是停留在原理或验证阶段。如能实现产业化,必将带来计算机设备的微型化或超微型化,这对正如火如荼的物联网产业意义重大,当传感器和处理器能够成为一根头发或一粒微尘,除了感知,还具有一定的自我信息处理功能,我们的生活将变成怎样呢?


美国休斯顿大学研发黄金纳米材料 可用于柔性屏幕

  智能手机可以拉伸成为平板电脑,而大屏幕电视可以折叠起来夹在腋下……这些听起来有趣的命题如今由于一种黄金纳米网材料的研发而即将成为现实。

  美国休斯顿大学的研究人员称,他们已经开发出一种技术,使数码电子产品能够真正意义上地任意变形和折叠。研究人员表示,这种可拉伸材料还可以用于医疗移植器材中。

  虽然之前多家智能手机生产商已经开发出不同款式的可弯曲屏幕,但是这些产品还不能真正算是可以任意地变形和折叠。

  而休斯顿大学的研究人员如今通过特殊的方法用黄金材质的纳米网材料为电子产品创建出一种完美的表面,兼具完全意义上的可拉伸性、导电性及透明性。由于这种技术的开发,未来任意拉伸的智能手机以及可以折叠夹在腋下的大屏幕电视机将成为现实。

  休斯顿大学研究人员在《自然通讯》期刊中发表文章称,他们研发出的这种黄金纳米网电极具有良好的导电性、透明度以及柔韧性。这种材料还可以用于生物医学设备。

  “这对于可拉伸电子产品领域意义重大,”研究人员表示,“它具有更强的便携性。”

  研究人员发现,黄金纳米网电极即使在张力达到160%的状态下,其导电性能仅仅变弱一点点,但是当它恢复到原来的形状时,它的导电性也恢复至未拉伸之前一样。而且,不同于银和铜,黄金纳米网不会轻易氧化,因此能够保持更长久的导电性。

  研究人员称,尽管之前三星、LG等公司已经研发出可弯曲手机屏幕,但是这些产品并非真正意义上的可拉伸和折叠,而只是稍微弯曲一定角度更适合用户观看。

  “因此,我们要开发出更具柔软性和透明度的产品,”研究人员表示,“我们通过进一步研发,开发出这项技术。这让智能手机和平板电脑未来变得更加受欢迎,并且非常容易携带。”


纳米材料电子胡须灵敏度与真胡须相似

陈斌:纳米材料颗粒越细微,转动越活跃

  许多哺乳动物都利用脸上特殊的毛发感受无法看到的物体。研究人员早就意识到,人工胡须可以帮助机器人感知周围的世界,但是直到今天,在胡须感应器方面的尝试都显得笨拙和效率低下。

  近日,一个科学家团队利用尖端材料,开发出与真正胡须的敏感度和大小相似的电子胡须。该团队在灵活的硅橡胶线表面覆盖了一层碳纳米管(碳原子长链)和银纳米粒子(小束银分子)的混合物。碳纳米管可以提供灵活性和耐久性,而银纳米粒子则使其可以测量胡须的微小变化。每根胡须发生弯曲时,其内部电阻就会发生变化。研究人员使电流在胡须中经过,从而测量电阻的变化以及弯曲的程度。该设计比之前的尝试要灵敏10多倍,每根胡须能探测到的压力类似于一张美元放置在桌面上所产生的压力变化。

  研究人员日前将该研究成果在线发表于美国《国家科学院院刊》上。该团队称,其技术将来会帮助工程师制造更易于穿戴在身上的电子产品,比如灵活的心脏检测仪以及为机器人设计的更灵敏的传感器。

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