《纳米晶钻石微砧创造未知新材料》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 姜山
  • 发布时间:2016-12-08
  • 美国阿拉巴马大学伯明翰分校Yogesh Vohra研究团队通过结合无掩膜(mask-less)光刻技术和化学气相沉积(CVD)技术创造出一种新型两级钻石微砧。利用微波等离子体CVD方法在钻石砧体a[100]晶面方向生长出一个直径为30 μm的纳米晶钻石微砧(micro-anvil)。纳米晶钻石微砧的钻石晶粒尺寸为115 nm,拉曼光谱和X-射线光谱分析表明,钻石含量为72%。在阿贡国家实验室对纳米晶钻石微砧进行264 GPa的压力测试,该材料没有任何变形。随着更多的测试和改进,纳米晶钻石将被用来研究过渡金属、合金和稀土金属在极端条件下的行为。这种新材料潜在的应用包括航空航天、生物医学和核行业等。

  • 原文来源:www.uab.edu
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  • 《创造多功能材料新视界》

    • 来源专题:可穿戴技术
    • 编译者:高芳
    • 发布时间:2015-12-22
    • 多功能材料如若带有感知能力,例如视觉、触觉甚至味觉等,将会极度扩大工业设计许多领域的可能性。以一个来自大自然的提示为例,一个由哈佛大学保尔森学院工程与应用科学(SEAS)系、哈佛大学威斯研究所生物工程系与麻省理工学院的研究者们参与的跨机构合作中,已经破译了生物矿物诸如软体动物从组成护身衣到进化为形成一个将眼睛镶嵌其上的保护壳。这一发现可能有助于确定目前仍在探索期的人造多功能材料产生的时间。内容于11月20日公布在Science杂志上。 多功能材料可以在环境中感知身体刺激,并利用环境使我们建起避风港,不断地监测磨损撕裂以及有无损坏的迹象,甚至更好地传输药物来产生生物工程器官。 “迄今为止,人工材料执行多重任务或是结构上的相对功能的能力还暂缺,我们还不能理性地设计他们,但是研究存在于自然界的多功能生物材料终将使得我们能够演绎这个相对较新材料科学领域的关键法则。” SEAS材料科学教授同时也是威斯研究所核心委员的Joanna Aizenberg说。由Aizenberg完成的海生生物蛇尾的早期工作使用了相同的矿化材料并生长得到了骨架和视觉器官,这为探索多功能生物材料打好了基础。 如今,Daniel Speiser、Aizenberg 与 Christine Ortiz完成的早期生物学研究给MIT材料科学与工程系Morris Cohen带来了灵感,他建立了一个多学科团队来研究另一个大自然诉说着的故事:热带海生的海胆石鳖属多板纲软体动物的外保护壳上拥有着成百上千的小眼睛。Speiser作为南卡罗来纳大学的教授在这个哈佛与MIT共同领导的团队中付出了努力。 大多数自然界生物的眼睛是由有机分子组成的。而与此相反,石鳖的眼睛是无机的,由一种叫做霰石的结晶矿物组成,防身衣也是它的集成体。他们确保石鳖感知光线变化,从而在水下能通过拧紧提升抓地能力,来应对即将到来的天敌。 该团队利用一套高度分辨微观和结晶的设备,解开了眼睛的三维结构和几何形状,完成了石鳖神经系统所需要的外角膜,透镜以及容纳能够提供聚焦图像的感光细胞的下层室。值得一提的是,研究人员发现,透镜中的霰石晶体比外壳中的更大,而且组成了有规律的平面图,这是便于光线收集与捆绑传输。 “通过单独研究眼睛,我们确定了镜片材料具体如何在室里产生清晰的焦点,比如视网膜可以提供食肉性鱼类的图像。”Aizenberg的博士后研究员同时也是该研究的联合第一作者Ling Li说。 “我们还了解到,在两个功能的权衡中,相比于另一个保护壳来说,光学性能是作为第二功能的。有利于光学性能的材料性质通常不利于机械性能,这样一来进化的石鳖不得不限制眼睛的大小并把它们放置在强烈突出的被保护区内,以平衡其机械漏洞。” Li说。 对大自然最好的“多重艺术家”的调查可以为多功能材料的功能协同和权衡提供深刻见解,引导我们在仿生材料的研究中取得革命性进展。我们因而可能会离材料构成的房屋更近一步,不仅仅是机械性的,还带有灵活调节光线的透镜、测试体内温度、感知外部状况的功能。”Aizenberg说。
  • 《科研人员探索纳米材料新的储能—转换机制》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2018-03-15
    • 中国科学院苏州纳米所研究员陈韦课题组与中国科学院化学所李玉良院士以及香港理工大学陶肖明教授等团队合作,设计制备了一种基于石墨炔新材料的电化学驱动器,并从石墨炔材料微观分子驱动机制的发现,到宏观驱动器件的高能量转换效率驱动特性,开展了全面系统的研究。相关成果已发表在《自然—通讯》杂志上。   仿生人工肌肉材料是20世纪90年代迅速发展起来的一类新型智能材料,正不断地掀起全球科学家的研究热潮,在航空航天、仿生机器人以及生物医疗等工程领域具有重要的应用价值。   其中,离子聚合物—金属复合材料(IPMC),也称为电化学驱动器,是一种典型的仿生人工肌肉材料。它是由两层电极与离子聚合物组装而成的三明治结构,在电场作用下,依靠离子在电极界面的可逆脱嵌过程,实现电能与机械能的转换。因其低电压驱动、柔性大变形等特性,在软体机器人、智能穿戴以及医疗器械等方面的应用前景广阔。   目前学术界公认的IPMC材料驱动机制是电容致动机理,在驱动电压刺激下,一定数量的离子在电极层中的预膨胀、嵌入、嵌出,引起电极材料的可逆膨胀与收缩效应,这种效应导致了驱动器的宏观应变。换言之,电极材料储能越大,驱动效应越强。   基于此机制,各种高储能的纳米材料都被尝试用作IPMC电极,驱动性能相比于传统IPMC材料得到大幅提升,但是较实际应用仍然存在较大的差距,曾经一度成为人们难以理解的困惑。究其原因,储能与驱动性能之间并不总是正相关的,它们之间存在一个能量转换效率的问题。   经过大量的调研与探索,科研团队发现,电极的能量转换效率主要由材料的电学特性、孔道构型、分子结构以及力学特性等复杂因素决定。因此,想要在驱动性能和应用上取得突破,就必须发展新型纳米结构活性材料,探索新的储能—转换机制。   科研团队提出并实验验证了一种新型分子驱动机制——石墨炔烯炔互变效应,该机制完全不同于传统的电容驱动机制,它是基于可逆配位转换效应引起的材料结构变化。“由于常规检测手段(如拉曼、红外等)难以捕捉这一分子尺度的配位转换效应,于是,我们创造性地利用高灵敏的原位和频共振光谱技术,从实验上验证了这一分子驱动机制。”   陈韦解释道,正是由于这种活性功能单元的作用,石墨炔IPMC柔性电极不仅表现出优异的电化学储能特性,同时,也表现出电—机械能量转换能力。石墨炔驱动器比电容高,倍率特性良好,换能效率远高于同类电化学换能器件,能量密度与哺乳动物生物肌肉能量密度相当,将电化学驱动器的性能提升到了一个新的水平。