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【精华推荐】材料最前沿:战机隐形超材料、3D打印二维最强材料、最紧聚合物分子结、首个二维电子化合物

莫斯科国立科技大学研制新型超材料

可使战斗机隐形

据权威的科学杂志Physical Review报道,莫斯科国立科技大学(NUST MISIS)的一组研究人员发表了一种独特可使战斗机隐形的超材料。

这个超材料是一种让物体在自然界中不被发现的工程化材料,透过阻挡、吸收、增强或弯曲等方式操纵电磁波使物体隐形。超材料的常规电信号将使光子信号成为可能,并可广泛用于新型武器的开发和超级计算机的设计。

NUST MISIS团队与希腊克里特岛大学密切合作。2016年,俄罗斯和希腊签署了一项关于量子技术研究和联合融资的合作,其中包括超材料的研究。

“我们研究的实验部分是创建一个独一无二的超材料,所谓的元分子是从普通固体钢切割出来的一个小平面网格。” NUST MISIS项目主任Alexei Basharin表示。

Basharin说,由于这些细胞的特殊形状和构造,让科学家得以设法取得具有绝对独特性质的超材料。这种超材料可用于制造超灵敏传感器以检测爆炸物和化学武器。

NUST MISIS在一份声明中表示:添加非线性半导体将使超材料成为隐身技术中的可调屏蔽,使战斗机在无线电、红外线和其他频段中不那么明显。

新获得的超材料也可以成为最新型激光器的重要元素,并作为量子计算机的基础材料。

“俄罗斯卫星通信公司(RSCC)和其他航太相关组织已经对新材料表示出兴趣。”NUST MISIS声明说。

麻省理工研究人员使用3D打印技术

开发比钢密度低20倍、强度高10倍的材料


【据3Ders网站2017年1月9日报道】麻省理工学院的一个研究小组使用多材料3D打印机研究出了最强轻质材料中的一种。通过压缩和熔化石墨烯片,研究人员能够创造一种具有钢5%的密度和10倍强度的材料。

当尝试使用现代制造技术创建超强3D结构时,科学家越来越多地发现,结构的形状和形式对于实现材料本身的强度同样重要。使用3D打印技术,让最聪明的材料工程师尝试全新的形状和形式,结构只会变得越来越强。一组麻省理工学院的研究人员最近对石墨烯进行了一些激动人心的实验,被广泛认为是2维形式最强的材料。

麻省理工学院研究人员的工作上周发表在《科学进展》上,他们能够使用热和压力的组合压缩小片石墨烯,最终产生一个坚固、稳定的结构,有点类似于珊瑚。但是在创建了这种强大、压缩的石墨烯形式之后,科学家们发现了一些非常重要的东西:这种压缩的石墨烯是不寻常的,类似珊瑚的形状使得它的强度变得如此高,而不是材料本身的性质。因此,通过用其他更便宜的材料(例如塑料)来复制这种3维形式,科学家可以在节省预算的基础上实现类似石墨烯的强度。

研究人员发现,当将石墨烯片压缩成超强的形状时,材料表现得像折叠的纸张:当展开时,纸张可以容易地弄皱,但是当它卷成管或折叠成更小的尺寸时,其强度大量增加。同样,石墨烯片的新压缩排列比未压缩排列产生更强的形式。一旦他们意识到这种模式,研究人员便希望看到他们能做出多么强大的材料:“我们想看看有什么限制—我们可以生产的最强的材料是什么,”麻省理工学院土木与环境工程系研究科学家赵钦说。

当他们将其压缩的石墨烯结构推向极限时,研究人员发现他们可以制造一种令人难以置信的坚固材料—密度只有钢的5%,但是强度却高出10倍。然后,通过分析压缩的石墨烯薄片的几何排列,研究人员使用3D打印机能够部分重建强力材料。首先,他们希望能够创建一个比空气更轻的3D打印石墨烯结构,并且可以用作气球中氦气更强的替代品。然而,测试显示这种结构将从周围空气压力中坍塌。

研究人员所做的最重要的发现之一是认识到石墨烯的超强几何结构可以用其他材料再现,以便节省成本或利用在其他材料中发现的性能。麻省理工学院土木与环境工程系(MEE)和迈克菲工程教授Markus Buehler说:“你可以使用真正的石墨烯材料,也可以使用我们在其他材料(如聚合物或金属)发现的几何结构,可以用任何东西替换材料本身。”

当经受热和压力时,石墨烯形成圆形但具有孔的几何形状。这些形状称为陀螺,是令人难以置信地重新合成,但团队出于测试目的,使用3D打印模型的结构,扩大到其自然大小的数千倍。虽然这些3D打印模型不像实际压缩石墨烯一样强,研究人员说,聚合物或金属颗粒可以用作模板,在热处理和压力处理之前通过化学气相沉积涂覆石墨烯,然后化学或物理去除聚合物或金属相以陀螺形式离开3D石墨烯。

最终,麻省理工学院研究人员的发现可能涉及许多领域。例如,诸如桥梁的混凝土结构可以潜在地被在石墨烯中发现的相似的多孔几何形状制成,而几何形状的微小孔隙也可以证明在用于水或化学处理的过滤系统中是有用的。

英国科学家打出迄今为止

最紧聚合物分子结

【据R&D网站2017年1月13日报道】近日,曼彻斯特大学的科学家制备出迄今为止最紧密的结状物理结构。利用该成果有望创造出全新一代的先进材料。

在曼彻斯特大学化学学院教授David Leigh的带领下,研究团队的研究人员开发出一种让多条分子链交织在一起的新方法。利用该方法制备出的分子结状结构达到了前所未有的紧密度和复杂程度。这个分子结由含有192个原子的长约20纳米的分子链经8次交叉所形成的闭合分子环构成。

Leigh教授对研究中所采用的工艺做了如下解释:“我们是利用一种被称之为自组装的技术来对分子进行打结的。利用该技术可使聚合物分子链在金属离子周围穿插交织在一起,并如针织一般在合适的位置形成交联,最后再利用化学催化剂使分子链的末端融合在一起形成一个闭合分子环,从而得到紧密的分子结。有8个交叉的分子结是目前为止科学家们能够编织出来的最为复杂的结状分子结构。”

如果能够制备出各种不同类型的分子结意味着科学家可以知道结状结构是如何影响材料的强度和弹性的,进而他们可以用聚合物分子编织出新型的材料。

David Leigh说:“打结的过程与编织非常相似,因此分子打结技术也可以应用于分子链的编织。有些聚合物,比如蜘蛛丝,具有两倍于钢铁的强度,将类似蜘蛛丝这样的聚合物分子链编织在一起可以制造出新一代的轻质量、超高强度的柔性材料。例如,现在的防弹背心和防弹衣大多是用凯芙拉制成的,这种材料是由对齐的具有平行结构的刚性分子构成的,因此穿着舒适度有限。相比之下,采用聚合物分子链编织技术,有望制造出像我们日常穿着的用线编织的衣物一样的既结实耐用又轻柔舒适的防弹材料。”

Leigh教授和他的团队很高兴他们能够获得如此具有里程碑意义的科学成就。

该研究成果已于2017年1月13日以“编织一个有8个交叉的分子结”为题在《科学》杂志上发表。

世界首个二维电子化合物诞生!

【据物理学组织网站2017年1月11日报道】近日,由北卡罗来纳大学教堂山分校应用物理科学与化学助理教授Scott C. Warren带领的研究团队成功合成出世界首个二维电子化合物,将电子化合物研究正式带入了纳米时代。他们的研究成果发表在最新一期的美国化学会志上。

    电子化合物是一种由阴阳离子组成的离子化合物。但在电子化合物中作为阴离子的仅仅是没有原子核的电子。在电子化合物中,电子之间相距很近且以极松弛的状态聚集在一起,形成类似气态的电子气。正是这种电子气的存在,使得电子化合物具有高电子迁移率和快速电子输运等独特的电学性能,在电子应用方面具有很大的潜力。

    Warren 在接受物理学组织网站的采访时说:“层状电子化合物具有非凡的电子学特性—例如,比石墨烯大得多的导电性。在层状电子化合物的晶体结构中,大量电子在上下极板原子之间分散成厚度仅有2埃的平面。由于电子在扁平云状电子气中传导时与相邻原子的相互作用很小,因此它们的移动速度将会非常的快。”

    研究人员通过研究发现,电子化合物的典型特性,也就是电子气的特性,可以在一种被称作氮化二钙(Ca2N)的层状电子化合物被合成为二维单层结构时得以保持。这是世界首个被成功合成的二维电子化合物。

    Warren 说:“在研究中,厚度仅为一到几纳米的氮化二钙晶体层被分离出来。正是由于其厚度很薄,才会像石墨烯一样被称作二维材料。虽然理论计算已经验证,这种二维电子化合物材料能够在真空中稳定存在并显现出优良的电子学特性,但这种材料非常的活泼,是否能在实验室条件下合成二维氮化二钙一直以来都是个悬而未决的问题。我们的研究显示,只要在合适的化学环境之中,这种材料可以长期稳定存在,且不会对其优良电子特性产生任何影响。”

    研究人员指出,由于层状电子化合物的各层之间存在很强的静电相互作用,将多层电子化合物分离为单层十分困难。另外,电子化合物很高的化学活性会使问题变得更为复杂。由于电子化合物一旦接触粘合剂便会发生分解,因此用透明胶带剥离的方法无法采用。为此,研究人员采取了液体剥离的方式,他们通过化学反应生成大量的纳米薄片悬浮在溶液中。在对30种溶剂进行测试之后,研究人员最终找到了一种溶剂,氮化二钙纳米片可在其中稳定悬浮至少一个月的时间。

    实验测试显示,二维电子化合物纳米片具有比金属铝更好的导电性、相当高的透明度(厚度为10nm时的光透过率达97%)以及由其二维结构所决定的当前报道过的所有电子化合物中最大的比表面积。将二维材料的大比表面特性与电子化合物的独特电学性能相结合,研究人员预测二维电子化合物将会在未来收获更多新的发现。其潜在的应用领域包括:透光导体、电池电极、电子发射体及化学合成催化剂等。

    Warren 说:“二维电子化合物最令我们感到兴奋的是其在先进电池方面的潜在应用价值,这也是当前我们与本田研究所合作的焦点所在。除此之外,它在其它方面的潜在应用也同样振奋人心,例如,透明导电薄膜。从学术研究的角度来看,此项研究开辟了一条实验合成二维电子化合物的道路,并检验了我们在以前从未考虑过的潜在应用。”

 未来,研究人员计划对二维电子化合物的潜在应用价值进行更加深入的探索解决实现这些应用过程所遇到的所有实际挑战。

Warren 说:“对于二维电子化合物,我们还有许多问题需要研究。例如,我们需要采用什么方法来包裹电子化合物的表面或者将其功能化才可以使电子化合物在空气中也可以稳定存在?”

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