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高德注册:超薄材料的超能力

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近年来,联网设备占领了一系列新领域——手腕、冰箱、门铃、汽车。但对一些研究人员来说,“物联网”的传播还远远不够。
 
“如果我们能在任何东西里嵌入电子元件,那会怎样呢?”麻省理工学院的电气工程师托马斯·帕拉西奥斯(Tomas Palacios)最近说。“如果我们从高速公路内部的太阳能电池中获取能量,并在隧道和桥梁中植入应变传感器来监测混凝土,结果会怎样?”如果我们往外看,在窗口看到天气预报,会怎么样?或者把电子设备带到我的夹克上监测我的健康?”在高德代理5G功能出现之前,许多IoT设备使用低功耗无线个人局域网(LoWPAN)技术传输数据。LoWPAN,也称为高德代理6LoWPAN,是一个无线网状网络,其中每个节点都拥有自己的IPv6地址。
 
在2019年1月,帕拉西奥斯博士和他的同事在《自然》(Nature)杂志上发表了一篇论文,描述了一项能让未来更接近现实的发明:一种能吸收Wi-Fi、蓝牙和蜂窝信号等越来越浓稠的环境信号,并将其有效转化为可用电能的天线。
 
的关键技术是一种很有前途的材料:二硫化钼,或MoS₂,沉积一层三个原子厚。在工程学的世界里,东西是不会变薄的。
 
瘦是有用的。例如,一层金属氧化物半导体₂可以环绕桌子和把它变成一个笔记本电脑充电器,没有任何电源线。
 
正如帕拉西奥斯博士等研究人员所见,二维材料将成为万物互联网络的关键。他们将被“涂”在桥梁上,并形成传感器来观察应变和裂缝。它们将在窗口上覆盖透明层,只有在显示信息时才可见。如果他的团队的无线电波吸收器成功了,它将为那些无处不在的电子设备提供动力。未来看起来越来越平淡。
 
加州劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)分子铸造厂(Molecular Foundry)的2d材料研究员杰夫·厄本(Jeff Urban)说:“人们的兴趣绝对是爆炸性的。”“没有其他方式来描述它。”
 
扁平化会让你无处不在
 
二维化学的热潮始于2004年,当时曼彻斯特大学的两名研究人员使用玻璃纸带从大块石墨中剥离出一层原子厚度的碳,形成石墨烯。石墨烯在成分上与石墨和金刚石相同,但其厚度赋予了它截然不同的性质:它具有弹性、透明度、极强的强度,是一种特殊的导电和导热体。
 
研究人员很快着手用它来制造各种新的和改进的小玩意。拥有对高德注册半导体的广泛了解,以及对设备和无线电基础设施的经验,确实使高德平台在实际的商业开发方面拥有了先进的能力。这就是我们的软实力之一最近,有几家公司推出了由石墨烯制成的带膜片的耳机——在音频设备中产生声音的振动膜。一些涂料制造商在配方中加入石墨烯,以制造更持久的涂料。去年10月,华为推出了Mate 20x,这是一款功能强大的大型手机,使用石墨烯来帮助冷却处理器。三星利用石墨烯开发了一种充电速度更快的电池,这种电池可能在不久的将来出现在手机上。
 
厄本博士正在研究二维材料,以改进燃料电池。燃料电池作为绿色交通工具的清洁推进系统引起了人们的兴趣。大多数燃料电池是用氢来发电的,但即使在高压下,氢气所占的空间也比同等数量的汽油多几倍,因此在汽车上使用氢气是不现实的。
 
相反,厄本博士正在将氢原子嵌入密度比气体大得多的固体中。今年3月,他和同事们宣布了一种新的存储介质:被称为石墨烯纳米带的窄条包裹的微小镁晶体。他们发现,以这种方式储存的氢所提供的能量几乎与同等体积的汽油相当,而重量却要轻得多。
 
厄本博士将这一过程比作烘烤巧克力片曲奇,其中镁是巧克力片的关键成分,因为它含有氢。他说:“我们想要一块巧克力曲奇,里面的巧克力屑越多越好。”纳米带还可以帮助氢快速进入和离开镁晶体,同时阻止氧与氢争夺晶体中的空间。
 
厄本博士通过先进的光源(Advanced Light Source)窥视超薄的领域,这是一个圆顶实验室,可以看到旧金山和邻近的海湾。在那里,电子被加速到接近光速的速度,产生强大的x射线,可以用来精细地探测材料的原子结构。
 
在签名信在美国,厄本博士和他的同事们确切地了解了石墨烯是如何与镁紧密结合的。他们相信,正是这些化学键使这种复合材料在长时间内保持稳定——这是在现实世界中使用的一个重要特性。

在其他地方,研究人员正在将超薄的材料层堆积成三维块,这些块具有不同于二维和传统三维材料的特性。
 
加州大学伯克利分校的化学家Kwabena Bediako去年在《自然》杂志上发表了一项研究,描述了他和他的同事是如何在包括石墨烯在内的许多二维材料层中嵌入锂离子的。
 
“我们从一片面包开始,抹上一些蛋黄酱,涂上奶酪,再涂上一些火腿,”他说。“你可以想做多少次就做多少次,然后做出一个三明治。”
 
通过改变三维堆栈中的不同层,研究人员能够微调材料存储锂的方式,这可能会导致开发用于电子设备的新型大容量电池。
 
他是麻省理工学院材料科学博士后他最近发现了一种令人惊讶的简便方法,用明胶来制作成堆的2d材料。明胶是制造果冻和棉花糖的原料。她和几个同事将明胶、金属离子和水混合在一起。这种凝胶将自己组装成层(就像它形成Jell-O果冻时那样),因此也将金属离子排列成层。然后,明胶中的一些碳与金属发生反应,生成二维的金属碳化物;这些催化剂有助于将水分解成氧和氢,这一过程可用于燃料电池发电。
 
“我不敢说这项技术很粗糙,因为它真的很优雅,”曾在分子铸造厂工作的科学家内特·霍曼(Nate Hohman)说,他也是这篇论文的作者之一。“它正好处在高科技和低技术之间。”
 
越来越薄
 
在新加坡南洋理工大学刘正的实验室里,二维材料正在蓬勃发展。新加坡以“花园城市”而闻名,这个小国家热衷于在自己的土地上种植绿色植物——包括在大学里,大学把花园布置在现代建筑周围的空余角落里。
 
郑博士认为他的研究是一种不同的培养方式。“我是个园丁,”他说。“有一个二维的花园,里面有各种各样的花。他们都是美丽的。”
 
去年,郑博士和他的同事们从一种叫做过渡金属硫属化合物(transition metal chalcogenides,简称T.M.C.s)的化合物中,创造了几十种新的二维材料,从而大大扩展了这个“花园”。这使得金属可以蒸发并沉积在薄膜上。
 
“有一天一个学生告诉我,‘我可以做所有的T.M.C.郑医生说。我真的很惊讶。这是我多年来的梦想。”
 
郑博士繁忙的实验室里有一组架子上堆放着透明的密封容器;这些硅晶圆里存放着二维材料。根据每一种材料中晶体的几何结构,薄膜通常形成一个可见的三角形或六边形。
 
在这些薄膜被沉积下来之后,郑博士的团队转移到附近的一个实验室,详细研究由此产生的结构。房间里主要是一台透射电子显微镜,它有12英尺高,重达1.5吨,是观察单个原子的巨型设备。
 
许多T.M.C.年代,包括使用的MoS₂博士帕拉西奥斯吸收无线电波,显示潜在的各种工业用途。新加坡实验室制造的二维铂硒可以制造出更便宜的燃料电池,这种电池通常使用贵金属铂来分离氢原子的质子和电子。郑博士说,改用二维硒化铂可以减少99%的铂使用量。2020年将是高德平台物联网的关键时期,更多的高德平台注册用例和广泛的部署填补了货架和生命。南洋理工大学正在与制造商就这项技术的商业化进行谈判。未来还不是二维的,但已经越来越近了。
 
“我看到了这种材料的巨大商业潜力,”郑博士说。“我们可以对市场产生巨大影响。”

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