系统:8月27日

18个碳原子的环
IBM苏黎世研究——和牛津大学的科学家写的东西碳的同素异形体-碳原子形成的许多版本,如钻石和石墨。

“碳,宇宙中最丰富的元素之一,可以存在于不同的形式——同素异形体,使它从颜色,形状硬度完全不同的属性。例如,在一个钻石每个碳原子都是连着四个相邻的碳原子,而在石墨,每个碳原子都是连着三个相邻的碳原子。

”,这些都是研究形式的碳,特别是有不为人知的形式和一个一直难以捉摸——cyclocarbons,碳原子的地方只有两个邻国,安排在一个环的形状。多年来,讨论它们的结构是未知的,和两种可能性是辩论,要么所有的债券长度相同的环或交替短和更长的债券。增加了戏剧,他们存在的证据发表在气相,但由于他们的高反应活性,他们不能被孤立和特征——直到现在。

“基于我们之前的成功在成像分子与原子力显微镜(AFM)和创建分子由原子操纵,来自牛津大学的化学系科学家和IBM研究试图找到这个问题的答案的争论。我们的目标是合成,稳定和cyclocarbon特征。

“第一次,我们已经成功地稳定和成像18个碳原子的环。

“我们的方法是生成cyclocarbon惰性表面原子操纵在低温(5公里),用高分辨率AFM研究它。牛津我们开始组织之间的协作和IBM三年前与这一目标。最初,我们专注于线性段的双重协调碳,探索可能的途径来创建这样的富碳材料原子操作。我们通过应用电压脉冲引发化学反应的原子力显微镜的尖端。我们发现这样的细分市场可以形成铜衬底上覆盖了一层很薄的食盐。因为盐层是化学惰性,活性分子没有形成共价键。

“成功创建后的线性碳部分,我们试图创建cyclocarbon在同一表面。为此,牛津大学的研究小组合成的前体三轮车[18]碳环的18个碳原子。

我们建议的“未来的应用程序可以通过原子融合cyclocarbons和/或循环carbonoxides操纵。这种可能性融合形成更大的富碳结构的分子原子操纵打开的方法来创建更复杂的富碳分子和新的碳同素异形体。最终,定制的分子结构可以用作分子电子元素,基于单电子转移。”

从碳纳米管的波纹的剑
传说中的波纹的军刀伪造在中东可能得益于杂质在铁矿石用于制造极其锋利的剑。有一种理论说,这些武器可能欠了我们现在所称的碳纳米管技术。

这些薄,空心管只有一个碳原子厚度。像他们的碳的表妹,石墨烯-原子平躺,在一个二维表——他们是最强的,最轻量级的,灵活的材料。
“快进世纪,”斯蒂芬说霍夫曼的工程,“我们现在意识到有一个全家的这些非凡的折纸形式的碳…以及如何使他们。“事实上,剑桥大学拥有超过25年的碳纳米尖端的经验,从钻石到纳米管,和类金刚石碳和石墨烯在导电聚合物。

使石墨烯和碳纳米管等碳nanoforms如此兴奋的是电和热性能。潜在用途的应用程序,如轻电线、薄电池,更强的建筑材料,和灵活的设备可以产生变革性影响能源、运输、和医疗保健行业。因此,投资达数百万英镑现在基础研究和开发碳基研究的大学。

“但所有的最高级归因于材料指的是一个个体,自动完美,纳米管或石墨烯薄片,”霍夫曼说。“石墨烯表支持的经常见大象往往体现了非现实的期望。挑战仍然是实现大规模高质量和低成本,并在设备接口和集成材料。”

这些类型的挑战,研究人员在部门工程、材料科学与冶金、物理和化学,剑桥石墨烯中心一直在努力克服。

教授艾伦•温德尔的材料科学和冶金、例如,一直在采用化学气相沉积过程“自旋”非常强大和艰难的完全由碳纳米管构成的纤维。纳米管形成烟雾的反应堆,但因为它们纠缠和弹性纤维可以伤口不断的反应堆像纳米棉花糖。yarn-like纹理纤维给了他们非凡的韧性和耐切割,使他们有前途的替代碳纤维和高性能聚合物像凯夫拉尔纤维,以及构建定制的纤维增强聚合物用于航空航天、体育应用程序。

在电气方面,他们满足他们的最大的挑战,正如温德尔解释道:“正在扩大生产的过程通过剑桥打滑失控,Q-Flo;然而,电导率是下一个大挑战问纤维在实验室。理解和发展纤维代替铜导体将改变世界,带来巨大的利益。”

2013年,温德尔博士的同事Krzysztof Koziol成功地使电线问制成的纤维和开发一个合金焊料碳金属导线,从而能够问电线纳入传统的电路。现在的团队使电线从几微米到几毫米直径20米/分钟的速度——一个不小的壮举当你考虑每个问比人类的头发还细窄的一万倍。

资金来自英国皇家学会和欧洲研究委员会(ERC),研究的目的是在国内使用碳纳米管取代铜和铝电线、架空输电线路和飞机。碳纳米管携带更多的电流,在热损失更少的能量,不需要从地球上矿物提取。

此外,他们可以由温室气体;Koziol FGV的团队正在与子公司剑桥纳米系统公司成为世界上第一个生产高档碳纳米管和石墨烯直接从天然气或受污染的沼气。该公司已经在工业规模,产生高纯度石墨烯在1公斤每小时。“目标是生产高质量材料可以直接实现为新设备,或用于改善其他材料,如玻璃、金属或聚合物,“Koziol说。

直接处理产业将加快转型的关键新材料从实验室到工厂。霍夫曼正在领导一个大努力开发碳纳米管的制造和集成加工技术,石墨烯和相关纳米材料,与伦理委员会的资助和工程和物理科学研究委员会(EPSRC),和与网络的工业合作伙伴。

”字段是在一个非常激动人心的阶段,”他说,“现在,我们不仅可以“看到”和解决复杂的结构,但新的表征技术允许我们采取实时的视频如何组装,原子的原子。我们开始了解支配他们的增长和他们相关工业环境中是如何表现的。这使我们能够更好地控制他们的属性,对齐,位置和接口与其他材料,释放他们的商业潜力的关键。”

对高端应用在电子和光子产业,实现这种级别的控制不仅是可取的,但必需的。产生碳排放控制的能力在许多结构形式扩大的材料组合的现代工程师处理。与电影或碳结构已经发现在产品,如硬盘、刀片和锂离子电池,碳纳米管的工业使用越来越广泛,驱动,例如,通过灵活的设备等新技术的需求和我们需要收获,更有效地转换和储存能量。

电子设备与一个原子层屏蔽
斯坦福大学的研究人员提出了一个10原子厚的隔热罩,提供了一种新的方式来保护电子设备免受过热。

多余的热量的智能手机,笔记本电脑和其他电子设备可以讨厌,但除此之外它导致故障,在极端情况下,甚至可以导致锂电池爆炸。

防止这样的问题,工程师经常插入玻璃、塑料甚至空气隔热层防止发热组件(比如微处理器或令人不安的用户造成损害。

现在,斯坦福大学的研究人员已经表明,几层自动薄材料,堆放像张纸在热点地区,可以提供相同的绝缘片玻璃厚100倍。在短期内,薄热盾将使工程师能够使电子设备更加紧凑的比我们有今天,电气工程和高级教授Eric流行说8月16日发表的一篇论文的作者在科学进步。

“我们正在研究在一个全新的电子设备热方式,“流行说。

这极大地放大了图像显示四层atomically-thin材料,形成了基于2 - 3纳米厚。/图片由国家标准与技术研究院

我们觉得热从智能手机或笔记本电脑实际上是一种听不清的高频声音。如果这看起来疯狂,考虑底层物理。电流经导线的电子流。当这些电子移动,它们碰撞的原子的材料他们通过。碰撞等每一个电子使原子振动,和更多的电流,碰撞发生越多,直到电子原子像许多锤子上击败很多钟——除了这刺耳的振动穿过固体材料在听力频率远高于阈值,产生能量,我们感觉热。

考虑热作为一种声音激发了斯坦福大学研究人员借用物理世界的一些原则。从他的日子斯坦福KZSU 90.1 FM电台主持人流行知道音乐录音棚安静由于厚玻璃窗,阻止外部声音。类似的原则也适用于热盾在今天的电子产品。如果更好的绝缘是他们唯一的关注,研究人员可以借音乐工作室原理和加厚热障碍。但这将阻挠努力使电子产品更薄。他们的解决方案是借房主的把戏,安装多窗格窗口——通常,层片玻璃有不同厚度之间的空气,使室内温暖和安静。

“我们适应这个想法通过创建一个绝缘子使用自动几层薄的材料,而不是一本厚厚的玻璃的质量,”山姆Vaziri博士后学者说,该论文的第一作者。

自动薄材料是相对近期的发现。直到15年前,科学家们就能够隔离等材料为薄层。第一个例子发现石墨烯,这是一个单层的碳原子,自发现以来,科学家们一直在寻找和尝试,其他片状材料。斯坦福大学的研究小组利用一层石墨烯和其他三个薄片状材料-每三个原子厚创建基础课绝缘子10原子深。尽管它薄,绝缘子是有效的,因为原子热振动抑制,而且失去了大部分能量,因为他们通过每一层。

使纳米隔热实际,研究人员必须找到一些大规模生产技术喷雾或沉积原子薄层材料在电子元件生产过程。但在发展中薄绝缘体织机的直接目标更大的雄心壮志:科学家们希望有一天控制振动能量在材料他们现在控制电力和光线的方式。作为他们来了解固体的热对象作为一种声音,一种新的结构声子是新兴领域,一个名字取自希腊词根后面电话、留声机和语音学。

“作为工程师,我们知道很多关于如何控制电,我们用光越来越好,但是我们刚刚开始了解如何操纵高频声音表现为热原子尺度,“流行说。