开启未来合金宝藏的神秘物质元素组合数目可达万种

 

  很多人都知道，金属的脆化特性能够让合金被急速冷却之后失去了延展性，因而在外部的冲击力作用下很容易破碎，而这一特性已成为核聚变技术商业化的拦路虎之一：在一个可控的核聚变过程中，需要置极低温度中的超导电磁铁材料对一团温度超过1亿摄氏度的带电粒子云进行约束。因此，这些材料必须在这样的严苛的条件中，避免出现突然的断裂。

  幸运的是，科学家们在所谓的“高熵合金（High-entropy Alloy）”中找到了一个看起来十分可行的答案。

  2014 年，美国劳伦斯伯克利国家实验室的罗伯特瑞奇（Robert Ritchie）与橡树林国家实验室的伊索乔治（Easo George）共同发现了一种由铁，锰，镍，钴和铬组成的合金，这种合金在越低的温度中（低至液氮温度-200℃）反而展现出更好的塑性（Bernd Gludovatz, et al. Science, 2014）。

  之前的金属合金，常常是基于一个主要元素（含量超过50%），并在此基础上添加微量元素。但是“高熵合金”的新颖之处在于，这种合金是由多种元素以等比例或近似等比例混合而成，换句话说，即没有单个合金元素占主导地位。总之，普通合金和高熵合金的差别大抵类似于红烧肉和大杂烩。

  随着高熵合金在核聚变反应堆，喷气飞机引擎到基础化学等诸多应用中崭露头角，科学家们发现的是一个丰富的而且尚未开采的新材料宝藏，而研究工作只是刚刚开始。

 

  高熵合金在不同温度下的拉伸曲线（图片来源：B. Gludovatz, et al. Science, 2014） 

 

  近日，瑞士联邦理工的科学家拉尔夫斯波棱那科（Ralph Spolenak）利用离子共溅射手段制备出了Nb-Mo-Ta-W高熵合金。这种合金的强度超过20GPa，远远超过一般的合金。

  在经历了长达 3 天，1100℃的退火处理之后，其强度仍然稳定在6-8GPa之间，是经过相同处理的纯W薄膜的10倍以上。目前来看，在超过现有镍基高温合金的萎烧点的温度下，难熔高熵合金依然能够保持坚固。那么，如此厉害的材料是如何被发现的？

 

  Nb-Mo-Ta-W高熵合金纳米柱样品的扫描电子显微镜图像（左）

和不同尺寸的样品的应力应变曲线（右）（图片来源：Y.Zou, et al. Nat. Commun., 2016）

 

  1995年，当台湾国立清华大学材料科学家叶均蔚（Jien-Wei Yeh）穿越台湾乡间去台北参加会议时，他正在思索着一个困扰了诸多古老合金制造者们多年问题：添加更多的合金元素含量最终会抵消他们的益处。一直以来，传统合金的经验让研究者们错误的认为，添加多个元素含量之后，就会产生多种金属化合物，这会导致金属之间的小团簇的形成，导致材料变脆。

 

  被称为“高熵合金之父”的叶均蔚教授

 

  当时，叶均蔚突然意识到，答案或许藏在经典热力学理论之中。熵是衡量系统中混乱程度的度量，而热力学定律指出，当一个系统无序度增加时会变得更稳定。因此，与其从一个主要元素出发，通过添加微量的其他元素制备有序的合金，为什么不直接混合五个，六个或者更多的元素？

  叶教授推断，将足够多的元素等比例混合在一起，最终得到的混合合金的无序度过高，或许能够阻碍那些导致合金脆化的团簇形成。这就是“高熵”的由来，相对应的，传统合金则属于“低熵合金”的范畴。

  叶教授对他的理论深信不疑，以至于他在会后没有直接回家，反而驱车80公里前往他在国立清华大学的实验室中，并立即指派了他的一个研究生来实现这一想法。叶教授说，他在一两个星期内就制备出了第一种高熵合金。在一年以内，他们至少制备了40种不同的合金。

  从一开始，这些合金就展现出十分诱人的性能：硬度高、韧性好、并且具有很好的耐腐蚀能力。这种性质被认为来源于原子尺寸不一致产生的晶格畸变，从而抑制了晶格内部位错（一种晶体缺陷）的自由滑移。

  在 2004 年，他在《先进工程材料》杂志上发表了他的研究结果（Yeh, J.-W.; Chen, S.-K.; Lin, S.-J, et al. Advanced Engineering Materials. 6 （5）： 299–303），现在这篇文章引用已经超过了800次，这在材料科学领域是一个非常了不起的数字。

 

  利用“高熵合金”开发的高寿命刀具

  叶均蔚教授2004年《先进工程材料》论文的引文报告

 

  然而，从另一个角度看，这是一个既引人入胜却又让人望而生畏的研究领域。想象一下，将大约60余个商业合金中常见的元素选出5个进行等比例混合，组合数目将达到1040种。而将规则稍加放松，允许元素比例在5%内变化，组合数目将跃增到10120种。位于德国杜塞尔多夫马克思普朗克铁研究所的迪尔克拉贝（Dierk Raabe）坦言，“这是一片我们尚未涉足的巨大宝库。”

  那么问题来了，高熵合金到底是一种什么样的神秘物质呢？它与我们身边常见的合金有何不同之处？

  毫不夸张的说，从青铜时代走来，合金构成了现代世界的支柱。位于土耳其南部海岸附近的乌鲁布伦沉残骸（Uluburun Wreck）是当前世界上最为古老的沉船遗址之一。这个以附近的一个小镇命名的沉船遗址可以追溯到青铜时代中期的公元前1300年。

 

  乌鲁布伦沉残骸(Uluburun Wreck)

 

  1982 年，一名年轻的潜水员首先发现了这一遗址，船上携带了一种奇怪的货物：9 吨铜与 1 吨锡。当然，如果你已经知道这其实是青铜的配比，那么或许你就不会大惊小怪了。

  这意味着，三千多年以前的人们已经知道，向一种金属里加入少量的另一种金属元素就能得到新的合金材料。古人们这么做的初衷何在？

  最主要的原因是，常见的纯金属强度太低，以至于没法满足日常应用的需求。从材料科学的角度看，金属单质中相同的原子构成的原子层之间可以轻易地发生滑移，因而即使在受到很小的作用力时，也会轻易地发生形变。

  当然，解决纯金属太软的办法也很简单：向一种主要纯金属中加微量的其他元素制成合金，就像我们三千多年前的老祖宗们做的那样。向金属中加入了其他原子之后，原子层的滑移受到了阻碍，因而材料的强度能得以提升。

  举个例子来说，一份锡加九份铜，能得到青铜，而向铝中加入微量的镁与硅，可以得到中等强度的铝门窗材料。难怪材料老师常常自黑说，搞材料若烹小鲜——鸡肉里加点花生，加点调料才能做成美味的宫保鸡丁。同样的，往铁里加点铬，加点镍就能得到抗氧化，表面光洁的不锈钢。这一想法为我们提供了许多用于支撑现代技术的新材料。下图中就举了几个生活中非常常见的例子。

 

 

  这就是制造合金的秘密：具有合适强度，耐久性和可加工性的合金组成了我们现代世界中从餐具到灯柱乃至桥梁在内所有一切的基础。

  但是传统合金就是我们的极限了吗？冶金学家和材料学家们对这种约定俗成的智慧越来越表示怀疑。

  与此同时，传统的合金材料库已经无法完全满足越来越严苛的应用场景。举个例子来说，喷气式飞机引擎叶片必须要承受极高的温度，同时还要承受飞速的旋转带来的巨大离心力。这就意味着叶片材料必须在高温下仍然能保持一定的强度。

 

  低成本高熵黄铜零件

 

  实际上，美国空军一直在寻找一种能够提高喷气发动机工作温度的合金：涡轮机越热，它的工作效率越高。而且，从获得更好的燃油经济性角度来看，改进发动机比制造更轻的机翼材料要更加划算。

 

  高熵合金的潜在应用包括喷气机涡轮叶片与核聚变反应堆

 

  然而，高熵合金的内部结构与现有的合金截然不同，我们不能使用现有的理论来预测他们的行为。但即使如此，研究人员已经在这片尚未开垦的新领域做了初步的探索，并且发现了一些具有新颖特性的高熵合金。高熵合金的横空出世，给材料科学界带来的冲击不止是变革合金制备原则这么简单。

 

 

  今年早些时候，科学家偶然之间发现了一种由铁、锰、钴和铬组成的高熵合金，这种合金在冷轧退火之后，同时具有了卓越的强度与延展性，从下面的应力应变曲线可以看出，其强度超过了800 MPa，同时应变则超过了70%，远远高于钛合金与其他合金体系。更重要的是，这一发现完全颠覆了材料科学领域的一个经典常识：一种物体强度越高，那么其延展性（即材料断裂之前所能承受的应变）就越低，反之亦然。

 

  FeMnCoCr高熵合金的应力应变曲线（图片来源：Z. Li, et al. Nature, 2016）

 

  科学家们认为，高熵合金的这种独特行为可能源于这种材料具有多种原子重排方式，因而具有多种防止裂纹扩增机制，从而让材料能够吸收所受的冲击力。在相变之前，合金内部实际包含了两种具有不同晶体结构的高熵合金。而在变形之后，高熵合金的晶体结构发生了变化，并表现出不同寻常的高延展性与高强度的组合。他们将这一机制称之为“相变诱发塑性”。

  在文章收尾之前，我们来回顾一张经典电影海报：你还记得《终结者2》里帅气的液态金属机器人吗？如果他也用上了高熵合金，或许就不会在低温时导致行动迟缓而露出马脚而被人干掉了。

 

 

  当乌鲁布伦沉船还在航行的那个年代，合金主要用于制作艺术品，器具和工具，以及用于制作一种有助于塑造霸权帝国时代的新型武器：剑。然而，谁又能预计高熵合金这类新颖的金属化合物最终将会给人类带来什么？

  或许在不久的将来，高熵合金将会出现我们生活里的方方面面，比如汽车轴承，水龙头，手机，笔记本电脑里等等。材料的进步最终带来社会的进步，是历史，也是现在与未来。

 

  （来源：DeepTech深科技（ID:mit-tr），作者： 胡仲略）

 

 

  高速电子泵成功模拟神经信号：速度堪比活体神经元

 

 

  有机电子离子泵有6个小孔（位于金色方块上的黑点），这些小孔能够高速释放神经递质。为了比较大小，我们把这个离子泵放在瑞典硬币（大约1美分硬币大小）旁边。人类神经元传递信息的速度比我们眨眼的速度还快30倍。一个神经元能在10毫秒内通过细胞膜释放化学物质，随即邻近细胞上的受体接收这种化学物质，信息就这样被传递出去。

  到目前为止，即使在微流体的作用下，研究者们也仍然模拟不了高速化学信号。目前，瑞典 Link？ping 大学的一个团队已经设计并创造了一种电控离子泵，这种离子泵传递神经递质的速度和活体神经元传递的速度相当。

  这款新仪器是在由同一个实验室研发的老版的有机电子离子泵（OEIP）的基础上改进的版本。此仪器依靠电场使带电粒子不在任何流体的作用下穿过薄膜。这个2.5厘米的泵是由金属制成，通过光刻技术使聚合物通道印到玻璃上，并且和电源连接。

  传统的仪器是将离子从离子源沿着通道水平地移动到目标区域，这些离子可能是任何一种小的带电粒子，如：神经递质、质子和金属离子等。上述的横向运动相对缓慢，有时从给上电到离子到达靶点需要数秒才能完成。然而这种新研发的泵利用了聚合物薄膜的超薄特点，通过纵向运动达到目的。

  “我们没有采用横向穿过数毫米的薄膜，而是采用了同一种薄膜的纵向厚度，只需要纵向穿过几百纳米。”研究小组的成员 Daniel Simon 说，同时他还是 Link？ping 大学有机电子实验室的助理教授。

  它的工作原理是这样的：

  电流沿着六条水平路径推动神经递质，每条路径的中间有一个小孔，一打开开关，研究人员激活可以改变离子源的电场，迅速将带电粒子沿着短的竖直通道射向小孔。

  随即研究人员给它们设定好一个靶点，比如一个细胞或者一片组织。这个团队最开始使用乙酰胆碱测试仪器，乙酰胆碱是大脑和运动神经元连接中的一种常见的神经递质，它能使化学物质在 45 到 50 毫秒内到达靶点。

  这六个新高速排列的离子传递通道都能被分别激活，这就使研究者能够自由地将神经递质传递到样本的任何部分。因此，他们能够用乙酰胆碱激活培养皿中的一组神经元而不破坏到其他神经元。

  目前这个团队正在活体细胞上测试仪器，除了能够提高我们研究神经元信号的能力，这种技术还能打开高速传递神经递质的脑部移植发展的大门。将来，这种离子泵还可能联合化学疗法，用在如今的大脑电刺激疗法上，比如深度刺激大脑来治疗癫痫，Simon 说，“通过身体不能正常产生信号的化合物来治疗神经退行性疾病，有着无限可发展的机会。”

 

（来源：雷锋网）

 

  氮化硼-石墨烯或将成为最佳储氢材料

 

 

  近日莱斯大学的一项研究发现“柱撑氮化硼-石墨烯”（graphene separated by nanotube pillars of boron nitride）是一种绝佳的储氢材料，这一发现可能为氢动力新能源汽车带来突破。

  该研究的主要作者是莱斯实验室的材料科学家鲁兹贝赫·沙萨瓦里（Rouzbeh Shahsavari）和法尔扎内·沙亚甘法（Farzaneh Shayeganfar），相关论文刊登在美国化学学会《Langmuir》期刊上。

 

  氧掺杂柱撑氮化硼-石墨烯的示意图中，硼原子（粉色）和氮原子（蓝色）组成了一个个“柱子”，在两个石墨烯层之间为氢原子（白色）“撑”出空间，氧原子（红色）掺杂其中。

  他们的研究通过计算机模拟实现，第一步需要先制作氮化硼-石墨烯结构：先模拟出坚韧又富有弹性的柱撑石墨烯结构，然后将氮化硼纳米管和石墨烯无缝结合形成独特的三维结构。

  柱撑氮化硼-石墨烯储氢的原理并不复杂，我们都知道在建筑中使用柱子承重可以创造出更多的空间。基于相同的原理，氮化硼-石墨烯中的“柱子”也能为氢原子腾出空间，但难点在于如何进一步增加放进去的氢原子数量，并在需要的时候将它们释放出来，这也是此项研究的重点。

  根据沙萨瓦里实验室最新的分子动力学模拟显示，若向材料中添加氧或锂将使它们结合氢的能力进一步提升。

  他们的这一计算研究主要针对四个变体：分别掺杂氧、锂的柱撑氮化硼和柱撑氮化硼-石墨烯结构。

  结果显示，在室温和环境压力下，氧掺杂的氮化硼-石墨烯的储氢能力是最好的，其能携带11.6%重量的氢并有着约60克/升的储氢容量，在这一点上它打败了包括多孔氮化硼、金属氧化物骨架（MO frameworks）和碳纳米管在内的诸多竞争者。

  此外，在-321华氏度的低温下，氧掺杂的氮化硼-石墨烯的储氢重量可以进一步提升至14.77%。

  那么这个储氢能力究竟如何呢？作为对比可以看一下目前美国能源部对经济型储氢介质规定的目标——在常规条件下达到5.5%的氢气储存重量和40克/升的储存容量、即使是终极目标也不过7.5%的储存重量和70克/升的储存容量。

  “氧和氢具有良好的化学亲和力，因此向基底中掺入氧气使材料能够更好地结合氢气”，沙萨瓦里这样解释掺杂提高储氢能力的原因。除此之外，氮化硼与石墨烯结合后所体现出的极化性质、石墨烯自身的高电子迁移率等特性，也使得材料在实际应用中变得高度可调。

  “我们目前正在努力寻找最佳配置，”沙萨瓦里说道，这个最佳配置应是一种材料的表面积和重量、温度和压力之间的平衡。“计算建模是目前来说来唯一实际的研究办法，因为在计算机上可以很快地测试许多变量试验，而实际做的话往往要花费数个月的时间。”

  目前来看，这种材料能够轻易实现能源部规定的氢燃料罐要可以承受1500次充放循环的要求，并且研究者认为其已经足够稳健实用。

 

（来源：DeepTech深科技（ID:mit-tr））

 

  美英科学家改进钙钛矿太阳能电池新技术效率高成本低

 

  美国斯坦福大学和英国牛津大学的研究人员用一种新方法加工制造钙钛矿太阳能电池，使其光电转换效率接近传统的硅基太阳能电池，但成本便宜很多。

 

  图：串联钙钛矿太阳能电池通过吸收来自太阳的高能和低能光子提高效率。

 

  一个美英研究团队报告说，他们用一种新方法加工制造钙钛矿太阳能电池，使其光电转换效率接近传统的硅基太阳能电池，但成本便宜很多。钙钛矿材料是指一类陶瓷氧化物，因类似结构最早在天然钙钛矿中被发现而得名。用钙钛矿材料可以制成太阳能电池，光电转换效率较高，近年来科学界一直看好其前景。但是它也有性能不稳定、易衰减的缺陷，一直没有成熟的产品。

  美国斯坦福大学和英国牛津大学的研究人员用锡混合铅、铯、碘等其他几种常用物质，制造出新型钙钛矿材料。与目前的太阳能电池材料单晶硅相比，这种钙钛矿材料更薄，柔性更好，造价也更便宜。

  据介绍，他们设计了一种新的、由两个串联的全钙钛矿太阳能电池组成的发电设备，能以20.3％的综合效率将太阳光能转化为电能，光电转换效率已接近现在市面上的硅基太阳能电池。

 

 

  图：串联的全钙钛矿太阳能电池横截面。

前面的钙钛矿电池（红色）吸收高能光波，后面的电池（棕色）吸收低能光。 综合效率达到20.3％。

 

  研究人员说，钙钛矿太阳能电池串联设备造价较低。生产硅基太阳能板首先需要加工成单晶硅，工艺要求1600摄氏度的高温，而制造钙钛矿太阳能电池，在实验室里就可以对锡、铅等常见物质加工，然后在常温下喷涂在玻璃上。

  钙钛矿材料的稳定性一直是一个问题。安装在屋顶的硅基太阳能板通常能用25年甚至更长时间，但有些钙钛矿材料在潮湿或光照环境中退化很快。以前的实验显示，用锡制成的钙钛矿材料特别不稳定。

  研究人员将他们用锡混合多种物质制成的钙钛矿太阳能电池和用锡制成的钙钛矿太阳能电池在100摄氏度的环境中放置了4天，发现前者的热稳定性和空气稳定性非常好，是后者从未具备的。

  这一研究成果发表在新一期《科学》杂志上。研究负责人之一、美国斯坦福大学材料科学与工程学院教授迈克尔·麦吉说，钙钛矿材料很有希望用来制造高效太阳能电池，同时降低制造成本。另一负责人、英国牛津大学物理学教授亨利·斯奈思也认为，钙钛矿太阳能电池具有诸多优点，在可制造性和稳定性得到证明的情况下，将为光伏产业带来变革。

 

（来源：新华社）

 

  碳纳米管成就“完美”纳米机器

 

  分子大小的装置或能在未来帮助我们控制身体中重要的生理机制。近日，来自加州大学伯克利分校和于默奥大学的研究团队，将单个碳原子放进了一个名为纳米气球的器件中，并展示了如何使用静电将这个气球“充气”以及“折叠”。

 

 

 

  可充气型气囊致动器在我们日常生活中应用很广，例如能顶起建筑的千斤顶、汽车的安全气囊，气囊还能在临床医学中用于扩大狭窄或堵塞的动脉或静脉。不过这些都是宏观世界的应用，而在微观世界中，气囊一般用作微型的气动装置，例如蜘蛛中的跳高选手——跳蜘蛛——它们能利用腿上的微小的液压垫来完成瞬间的跳跃。

  如果将尺寸继续变小，气囊致动器是不是可能有纳米版本呢？目前来说还没有答案。然而，宾夕法尼亚州立大学的研究者为这样的纳米器件提供了理论支持，他们在几年前提出了一个基于用充放电的方式，来控制碳纳米管充气和放气的气囊致动器的概念。

  而如今哈米德·礼·巴泽加尔（Hamid Reza Barzegar）和他的同事们已经在实验室里实现了这样的构想。他们还在学术期刊《Nano Letters》上发表了一篇论文，阐述了他们如何利用低电压控制碳纳米管在“折叠”和“充气”状态进行转换。

  碳纳米管无缺陷的性质对于这种应用简直就是天作之合，这意味着这样的气囊致动器在使用环节中将没有疲劳和损耗。除了他们自己以外，也有其他研究团队发现这种气囊致动器在几次使用周期之后，没有出现性能下降的情况。

  那么哈米德·礼·巴泽加尔是何许人也呢？他在于默奥大学拿到物理学了博士学位，现在在加州大学伯克利分校的阿历克斯·泽特尔（Alex Zettl）教授的研究团队中从事研究的工作。

  谈及自己的发现，他激动地说：“从理论上来说，这样的研究就已经很有意思了，并且我们从中能探求到使用外部刺激在纳米尺寸下控制运动的机制。此项研究对于基础物理学的研究也意义重大，它能帮助我们理解电容效应以及静电场力如何能控制分子结构的运动。”

  来自默奥大学的物理学副教授，托马斯·沃格贝里（Thomas Wagberg）也发表了自己的看法：“长远来看，我们的发现将有助于研发分子级别的气动控制技术，也将有助于设计分子级容器，其开关机制可由其表面带电状态的改变而触发——最常见的例如改变目标分子所在溶液的酸碱度。这将有机会应用于医学科技，例如将相对应的药品精确传送到身体内部器官或肿瘤。”

 

（本文由DeepTech深科技（ID:mit-tr）授权转载）

 

  NASA使用新型材料研发航天器“核电池”

  NASA喷气推进实验室（JPL）正在研究使用方钴矿材料作为航天器的“核电池”，研发被称为“增强型多任务放射性同位素热电式发电机”（eMMRTG）的下一代电力系统。

  放射性同位素热电式发电机简介

 

  放射性物质在自发地转化成其他元素时，会自然而然地产生热量。放射性同位素电力系统利用这种热量作为燃料，来为航天器提供电力。当前，NASA的航天器放射性同位素电力系统利用钚-238氧化物放射性自然衰变所产生的热量。

 

 

 

  1961年，美国首次发射了由一颗卫星搭载的放射性同位素热电式发电机（RTG）。RTG已经用作NASA两个“旅行者”号探测器的动力装置，两个探测器均在1977年发射，飞行距离已超过160亿千米。RTG完成了许多任务，并回馈了大量的科学成果，包括NASA“好奇”号火星探测器和在2015年飞越冥王星的“新地平线”任务。

  eMMRTG性能优势

 

  根据目前的分析，最新的eMMRTG在任务开始时将提供比“好奇”号发电机高25%的功率。此外，由于比起当前“多任务放射性同位素热电式发电机”（MMRTG）所用材料，方钴矿的自然衰变更缓慢，配备eMMRTG的航天器在17年的设计寿命结束时，获得的电力将比当前航天器多至少50%。

 

 

  JPL技术专家沙巴·博克斯表示，更高效的热电式系统

意味使用更少的钚材料，航行更远的距离和更长的时间，并执行更多的任务。

 

  方钴矿简介

 

  eMMRTG所用的新材料被称为方钴矿，这种材料具有独特特性，对于电力系统尤其有用。这些材料可像金属一样导电，又能像玻璃一样加热，能够产生相当大的电压。博克斯称，需要设计一种高温化合物，实现导电性和导热性的最佳组合。方钴矿具有由重原子（如锑）组成的复杂结构，可实现这一目标。

  RTG的空间应用

 

  JPL团队正在研究将方钴矿制成热电偶。热电偶利用其不同组件的温差产生电压。相比其他材料，方钴矿制成的热电偶需要较小的温差就能产生相同的电量，从而更加高效。

 

 

 

  在“好奇”号的电力系统中，多任务RTG（MMRTG）包含768个热电偶。增强型MMRTG （eMMRTG）将使用相同数量的热电偶，但这些热电偶都将由方钴矿材料制成，代替当前使用的碲合金。JPL热能转换的研究与推进团队主管表示，只需对现有MMRTG设计做出微小改变就能达到目标。JPL团队正致力于研究这些先进材料，并测试相应的热电偶原型。2015年底，基于方钴矿的新型热电偶已通过了NASA首个重要评审。

  JPL正在与能源部、特利丹能源系统公司和航空喷气—洛克达因公司合作，共同开展高效热电材料的研发工作。相关研究工作由NASA格伦研究中心管理的“放射性同位素电力系统”项目资助。

 

（本文由国防科技要闻（ID:CDSTIC）授权转载，作者：冯云皓）

 

 

  欧盟资助新型二维材料研究可用于制造新型激光源或用于量子通信研究

 

  过去十年来，所谓的单层材料受到科学家们的高度重视，因为这些材料在物理学领域具有非常大的潜力。2016年春，德国维尔茨堡大学的研究团队受到欧洲研究委员会（ERC）1500万欧元的资助，用于研究过渡金属硫化物（TMDC），并已取得一定进展。

  在物理学中，“单层”指固体材料的最小厚度，通常是单个原子层厚度，晶体材料可以是三层或更多层原子，也称为二维材料。二维材料经常表现出意想不到的特性。如TMDC，具有类似于半导体的特性，可用于制造超小型、高能效芯片。

  TMDC结构

 

  TMDC具有相当简单的二维结构。钼或钨等过渡金属原子的单排结构，夹在同样薄的硫元素层之间。不同基础成分搭配制成的TMDC具有大范围的电子和光学特性。

 

 

  图 在特定条件下，下层的单原子层发射不同频率的光子对，示意图中分别用红色和绿色来代表

 

 

  潜在应用

 

  德国维尔茨堡大学教授团队通过实验发现，当TMDC吸收能量时能够发光。试验表明，这种新型单层材料可用于制造新型高效节能激光源，也可用于量子效应的研究。

  1应用一：量子通信研究

 

  首先，通过一种简单的方法制备单层材料。第一步，用胶带从TMDC晶体上剥下多层薄膜。再从多层薄膜上剥下更薄的薄膜，如此反复，最终得到单层材料。

  然后，将该单层材料冷却到略高于绝对零度的温度，并用激光激发，在这种特定条件下，该单层材料将发射单个光子。研究人员解释道，实际上激发出的是两个光子，光粒子是成对产生的。

  这种光子对源非常有趣：光子对的两个光子状态相互交叠，纠缠在一起。一个光子的状态直接影响另一个光子，且不受距离限制，这种原理可以用于加密通信。

  2应用二：用于新型激光源

 

  维尔茨堡大学的科学家演示了这种单层材料的另一种应用。在两个镜子之间放置单层材料，然后用激光激发。当激光的辐射达到一定程度时，TMDC开始发射光子。这些光子碰到镜子后发色回TMDC板，刺激TMDC原子产生新的光子。

  研究人员称：“我们将这一过程称为强耦合。光和物质作用生成激子极化光子。”这是首次在室温下，在单原子层材料探测到极化光子。

  这种“克隆”光子与激光有相似的特性，但产生原理完全不同。理想情况下，在初始激发之后，就可通过自给自足方式产生新的光粒子，而不再需要任何额外的能量供应。

 

  与之相反，在激光器中的激光材料需要外部持续激发。

 

（本文由大国重器（ID:ElectronicComponent）授权转载，作者：本征 ）

 

 

  具有极端不润湿特性的新型表面材料问世

 

  【据美国科学日报网站2016年10月28日报道】芬兰阿尔托大学的科学家已经研发出难以被水和油润湿的新型表面材料。该材料不需要通过隔离空气的方法来阻止液滴润湿材料表面。此外，即使新材料被其他液体湿润后也能保持超双疏特性，即在水中疏油和油中疏水。到目前为止，这种现象被人认为是彼此矛盾的，并且不会存在于同一个表面。

 

 

  水中的油滴。超双疏表面能够实现在水中保持疏油。

 

  水滴不会润湿具有疏水特性的特富龙（聚四氟乙烯）涂层表面，而是呈球状在表面滚动。但特富龙（聚四氟乙烯）涂层没有疏油的特性，油滴会在涂层表面润湿铺展。虽然目前已经开发出同时具备超疏水和超疏油的超双疏涂层，但当涂层表面被液体浸润或污染后则会失去超双疏特性。

  广泛的应用前景

 

  阿尔托大学为博士后研究员田雪林教授表示，“油和水表面之间的竞争性和相互作用在各种技术应用中扮演着至关重要的角色。我们的新表面材料设计可以应用到从自我清洁到防尘等许多方面。”

  疏液表面对于某些行业来说非常重要。比如，在海洋工业中，疏液表面水下的极度防油性可以用于防止油污垢和生物污垢。同时，当疏液表面被油覆盖时，其卓越的防水性可以有效地抑制水分减少腐蚀。

  阿尔托大学助理教授罗宾·拉斯（Robin Ras）表示，“这种表面材料可以被认为是环境响应性材料，即材料表面的润湿性会随着其接触的环境液体而变化。与其他响应表面材料不同，新表面材料不依赖于可重构的有机分子修饰，而是使用一种新的策略研发的智能材料。当以多孔材料的形式加工时，它可以应用于油包水和水包油乳浊液的分离，而普通油/水分离材料仅用可应用于一种类型的分离”。

  两个设计标准该   材料通过将内凹的表面形貌和精细匹配的表面化学成分相结合制备而成。研究人员提出了两种新表面材料的设计标准：液体填充标准和稳定复合界面标准。设计标准导致在表面纹理内稳定地捕获无空气油和水膜。这种液体膜能够在油中实现超疏水，在水中实现超疏油。

（来源：国防科技信息网，作者：史腾飞 王志伟 丁宏 中国船舶工业综合技术经济研究院 ）

 

 

  日本研发出适用于社会可持续发展的新型热电材料

 

  【据固态技术网站2016年10月21日报道】热电材料可直接将热能转换为电能（Seebeck效应），可以有效地用于清洁发展和环保的发电技术。

  然而，这些材料通常不被用于实际应用中，因为它们主要包括有毒/或昂贵的元素。近日，在丰桥技术科学大学材料功能控制实验室和名古屋技术研究所的研究人员成功合成了一种新的热电材料，即一种金属间化合物CaMgSi。这一发展的关键是合成过程；通过组合机械球磨和脉冲电流烧结（PCS）工艺合成块状CaMgSi金属间化合物。

  “我们已经通过理论研究和实验研究预测金属间化合物CaMgSi在金属间化合物的热电性质”，这项工作的研究人员，Nobufumi Miyazaki和Nozomu Adachi说，“然而，我们面临的最大问题是如何合成最佳尺寸的热电CaMgSi”。通常构成元素以其熔融的形式混合生产合金。然而，当温度升高到Si的熔融温度时，Mg蒸气、Ca、Mg和Si的液体不能同时存在。Yoshikazu Todaka副教授说，我们选择了机械球磨工艺以均匀地混合各种元素，而不熔化，然后使用脉冲电流烧结工艺诱导Ca，Mg和Si之间的化学反应。因此，合成了具有足够尺寸的金属间化合物CaMgSi。合成的CaMgSi的热电性能显示出与先前开发的Mg基热电材料相当的性能。预计向CaMgSi添加第四元素将使其具有优异的热电性能。有趣的是，他们发现的新型热电材料能随着CaMgSi组成略有变化而呈现的n和p型导电性。这种材料的性质对于其在发电模块中的应用是非常重要的。

  在本研究中合成的新型热电材料由轻质元素组成，并且具有2.2g/cm3的低密度。因此，该材料的可能应用方向之一是在汽车中利用从发动机排放的废热。这些发现有助于绿色能源技术的发展。

 

（来源：国防科技信息网，作者：张慧 工业和信息化部电子科学技术情报研究所 ）

 

  新方法诱导非超导材料产生超导性同时可让超导体性能更强应用更广

 

  超导材料（资料图）

 

  科技日报北京11月1日电 （记者聂翠蓉）美国休斯顿大学官网10月30日发布公告称，该校德克萨斯超导中心科学家发表在《美国科学院院刊》上的最新研究称，他们能诱导非超导材料产生超导性，还可增强超导材料的超导性能，拓展其应用范围。

  该中心华裔科学家朱经武和他的团队利用界面组装技术，诱导非超导材料钙铁砷复合物界面表现出超导性，提供了发现高温超导体（即在更高温度表现出超导性）的全新方法。上世纪70年代，科学家们首次提出“两种不同材料交界处可诱导出超导性”的理论，但一直没有获得实验证明。之前也有一些实验试图证明这一理论，但始终无法排除高压和化学掺杂的干扰，而新研究验证了这一有着30多年历史的理论。朱经武解释道：“我们的研究非常清晰地证明，反铁磁性层与金属层之间的交界面能被诱导出超导性，从而把普通常见的非超导复合物转变成超导体。”

  为了验证这一概念，朱经武团队选择了未经化学掺杂的钙铁砷复合物，在常压下先加热到350摄氏度，再进行退火处理。退火是一种热处理工艺，通常将材料加热到一定温度，保持足够时间，再以适当速度冷却。在退火过程中，钙铁砷形成两个不同的相层，退火时间越长，两个相层融合交界得越多。虽然两个相层都没有表现出超导性，但他们在交界处探测到超导性。

  超导性应用领域非常广泛，如可以利用超导材料提高发电效率，降低燃料用量；用途最广的当属医用核磁共振领域。但超导性往往需要制冷到绝对零度，从而提高了技术成本，阻碍了普及应用。而新研究可以让科学家开发出各种更便宜高效的超导材料，找到能在较高温度表现出超导性的超导体。

（来源： 科技日报社-中国科技网）

 

 

  人类将实现金属与任何物质粘接——德国发明了纳米级表面刻蚀技术

 

  日前，德国基尔大学一研究团队成功试验发现了在不影响金属材料机械稳定性以及改变金属特性的情况下改善金属表面性能的方法。这种新方法从根本上来说，是通过电化学腐蚀的过程将金属最外层表面变得粗糙，并将蚀刻深度严格控制在微米级别。

 

 

 

  通过这个纳米级别的蚀刻过程，如铝、钛、锌等金属能够永久的与其他一些材料相粘结，从而使材料变得防水，或提高其生物相容性。这些性能卓越的“超级连接”结合物从工业金属加工到医药科技领域中的安全移植，拥有着非常广泛的潜在应用范围 。目前，他们的研究结果已经发表在权威杂志英国皇家化学学会《纳米视野》上了。

 

 

 

  “因此，我们已经开发出了一种新的蚀刻方法，这种方法不会损害金属且同时不会对稳定性造成影响”。功能纳米材料研究团队负责人Rainer Adelung教授强调了这项发现的重要性：“通过这种方法，我们可以永久粘结之前不可以直接粘合的金属，比如铜和铝”

 

 

  金属表面的3-D结构

 

  这种有针对性的纳米级蚀刻方法能使金属表面（此处以铝为例，20m=0.02mm）变得粗糙，因而形成带有微小钩状物的3-D结构。经过该工艺处理的表面，能够像三维拼图一样与几乎任何一种其他材料实现互锁，进而产生十分牢固的结合性。此外，这种方法甚至可以将铝和铜结合起来。

 

 

 

  实现原理

 

  金属的表面有很多不同类型的晶体和晶粒，有些晶体和晶粒的化学稳定性较弱。而通过针对性蚀刻法能够将那些不稳定的部分从金属表面移除。使用蚀刻法使表层变得粗糙，能够形成三维表面结构。这改变了表面的特性，但是金属整体的特性不会发生变化。这是因为蚀刻深度仅为10到20微米—仅相当于人类毛发直径的四分之一。因此，研究小组将此工艺命名为“纳米刻蚀”。

  通过蚀刻工艺，可以形成带有微小钩状物的3-D结构。如果在两种该工艺处理的金属之间加入粘合性聚合物，则两个表面会像三维拼图一样在任何方向上实现互锁。

 

 

 

  我们通过肉眼就可以看到因蚀刻产生的变化，即表面在经过处理后变得不光滑。砂纸对金属表面进行打磨同样可以使表面变的粗糙，但这种粗糙结构只是二维的，无法改变表面的金属表面的特性。

  多功能属性表面

 

  即使表面有一层薄油脂，如指纹，都不会对接合产生影响。 此外，研究人员强调说，研究小组还将这种拼图状的连接件暴露在极高温度和湿度的环境中，用于模拟天气条件。结果发现，其稳定性未受到影响。

  潜在无限的应用范围

 

  这一技术的应用范围极广，从像造船或航空这样的金属工业，到打印技术和防护，再到医药应用。“纳米刻蚀”工艺不仅产生3D表面结构，从而使物体在完全不使用化学产品的情况下进行结合，还可以用于去除物体表面的有害微粒，这是医药技术领域非常感兴趣的功能。

 

 

 

  研究人员目前已经为该工艺申请了四项专利。同时，很多企业都对相关的潜在表现出很大的兴趣。

 

（来源：国际金属在线）

 

 

 

 

 

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