那些让我们自豪的创新

  让我们感到骄傲的创新

  那些让我们感到自豪的创新 - “科学美国人”评选2014年十大科技成果(二)
可再生塑料
3D打印
石墨烯超导材料原子 - (示意图)
无线充电(示意图)全息照片(示意图)本报记者林琳在“六个原子级的乐高积木 - - 堆迭1原子厚的材料创造新的属性,并开辟了无尽的可能性。这个想法最初是由乐高积木(LEGO bricks)启发的,这些积木与一小块积木相对应。这些街区已经变成了令人难以置信的汽车,精心制作的城堡和许多其他的,所有这些都比块本身更具吸引力。
\\ u0026>今天,科学家们用一种新型的乐高原子尺度“积木”来生产一种新型材料。这些新的结构元素是逐件的材料,可以减薄到一个原子的厚度,并按照确切的设计顺序堆迭在另一个上面。这种前所未有的结构控制可以产生具有以前不可能的电和光学特性的物质。它的出现使得科学家们可以想象使用非常弱的导电材料制造的器件,例如更快和更强大的计算机,可穿戴,可折迭和超轻的可穿戴电子设备。
\\ u0026>这项技术突破是对与2010年诺贝尔物理学奖相关的石墨烯和英国曼彻斯特大学的安德鲁·金(Andrew J. King)的研究的延续。 2004年,他和他的同事们从庞大的石墨块中分离出一个六面体石墨烯层。在接下来的十年中,许多学者已经用这种方法来分离许多类型的大晶体结构。一个例子是云母,它的外来名称是六方氮化硼和二硫化钼材料。这些结晶层被认为是二维的,因为单个原子是任何材料可以达到的最小厚度。其他尺寸,宽度,长度可以更大,取决于生产者的意愿。
\\ u0026>近几年来,二维晶体由于其独特的性质已经成为材料科学和固态物理领域的热门话题。我们可以非常牢固地堆迭这些材料层,而不是以传统的方式,而是使用共享的电子共价键。但是当原子彼此靠近时,由于众所周知的范德华弱拉,这些原子再次结合。这种力量通常不足以控制原子和分子,但是由于二维原子如此密集和密集在一起,所形成的力量变得如此强大。
\\ u0026>这种材料工程为想象室温超导体提供了诱人的可能性。科学家的目标一直是在没有能量损失的情况下传输电力。如果找到能够做到的材料,就会对我们的人类文明产生深远的影响。有一个共识,这个目标可以在原则上实现,但没有人知道如何实现它。今天,材料具有超导性能的最高温度是零下100摄氏度,而这个极限在过去的二十年里一直没有超过。最近科学家们已经知道,一些超导体是至少一个氧原子的氧化物和其他可以如前所述分解成单层的元素。如果你重新组装并在两者之间插入另一个晶体层会发生什么?氧化物的超导性取决于内层的分离,插入的附加层可将弱导电层甚至绝缘材料转化为超导体。
\\ u0026>这个想法还没有得到充分验证,主要是因为原子级的乐高材料技术还处于起步阶段。事实上,组装一个复杂的多层结构是很困难的。到目前为止,超过五层不同的材料已难以承受,而且通常只有两三种不同的乐高积木,主要是石墨烯与二维氮化硼绝缘晶体和二硫化钼以及二硒化钨和其他半导体材料。因为有很多堆迭的材料,他们通常被称为“异质结构”。它们很小,通常只有10微米的宽度和长度,小于人发的横截面。
\\ u0026>采用这种堆迭方法,科学家们可以尝试新的电子特性,光学特性和新的应用。一个有吸引力的方面是,越薄的层,这些材料层越柔韧和透明。这为光纤传输设备的发展带来了希望,如屏幕可以折迭起来,还可以扩大使用等等。也可以更高效地使用计算机电源。
\\ u0026>如果研究人员在这些结构中发现重大的发现,他们可以相信,这项技术可以扩展到工业生产。现在石墨烯等二维结晶材料已经大量生产,现在可以制造出数百平方米的微晶薄层材料。虽然在“杀手锏”层面没有突破,但这方面的进展引起了科学界的广泛讨论和浓厚兴趣。几乎所有的人类进步都遵循新的物质发现。从石到铜到铁到硅,这次探索每次都起到了至关重要的作用。纳米级乐高正扮演着前所未有的角色,现在看来,还有无尽的可能。超级硬质可回收塑料
- 一种足够强大的环保聚合物,可用于汽车和飞机上 - 当化学家JanetGarcía最近使用时,她发现了一瓶糖果白色英雄的材料,她不知道究竟是什么创造了什么东西。一块材料牢固地粘在玻璃上,她用锤子把它弄下来。但是当她用锤子敲击这件东西的时候,它没有动,没有一丝裂痕。加西亚说:“当我意识到这是多么强大的时候,我知道我必须弄清楚我做了什么。
\\ u0026> IBM Almaden Institute的科学家Garcia带来了几位同事一起帮助解决问题。他们发现,偶然地她创造了一个新的热固性聚合物人口,使强塑料被广泛的应用,从智能手机到飞机机翼。热固性塑料占全部聚合物产量的三分之一,但每年都难以回收。加西亚发现了新的材料,名为泰坦,第一个可回收,具有工业强度的热固性材料。
\\ u0026>不像传统的热固材料,泰坦可以通过化学反应进行再加工。加西亚和他的同事们“的报告出现在5月号的”科学“杂志上。世界对坚固的可回收材料的需求预计将很快上涨。到2015年,欧洲和日本将把这种材料应用于95%的汽车零部件。加西亚认为,除了满足上述要求外,新型热固性材料还可用于更广泛的应用领域,如防腐蚀和抗菌涂料,药物释放,粘合剂,3D打印,水质净化等。
\\ u0026> “泰坦”也带来了一份礼物。加西亚和她的同事们发现了这种材料的第二种形式,它在低温下愈合,就像果冻般的物质,他们称之为“水电”。 “如果你把它放在一半,然后把它们放在一起,那么这两个就紧紧地挤在一起了。”加西亚说,它可以用来制造粘合剂或自修复涂料。无线充电与声波
- 通过空气发射电流的有效方法 - 在2011年,宾夕法尼亚大学古生物学的学生梅雷迪思·佩里(Meredith Perry)给笔记本电脑充电,我突然想到,繁琐的电源线有一天可能会被淘汰。她开始寻找使这个想法成为现实的方法。佩里知道基于磁共振和传感器的无线变压器已经存在,但是它们的应用是有限的。瓶颈是“反平方定律”,其中电磁辐射的强度与离源的距离成反比。
\\ u0026>但是,机械冲击不会面临这个问题。使用空气的振动使用压电传感器将机械能转化为电能似乎是一个更好的主意。声音无非就是振动空气颗粒,理论上应该能够传递能量。超声是一种安全,安静的高能量,它将是完美的选择。当佩里与学校的教授谈论这个想法时,许多人告诉她,这是不太可能发生的,因为如果她坚持这样做的话,不可能从超声波提取足够的能量来给电子设备充电。大量的电子工程和声学问题。 “但是我知道这个神话是正确的,”她说,“没有人给我”绝对不可能“的证据。所以佩里找到了一家名为“u-ray”的公司来开发这种技术。该公司的发射机仍然在作为扬声器原型,它创造了一个热聚焦的超声波能量,同时将一个接收器连接到电子设备,以接收回声并将其转化为电能,现在她正试图将第一批产品推向市场佩里表示,普通的无线充电系统将消除大量不兼容的线路和充电器,并允许移动设备在不消耗电池的情况下执行高能量任务,作为工业内部设计的一个组成部分,无线充电解决方案也可以带来新的可选项,如减轻飞机,汽车,航天器或任何其他车辆的重量,而这些车辆现在都装有重电源线。“简而言之,无线充电使我们免于与物理世界的互动,我们将远离那些拴在墙上的缰绳,“佩里说。九,低级别电池废热充电
- 美国三分之一的废能源可以用来发电 - 每年,工厂产生的10亿瓦可能的潜力被浪费掉了,这1000万户家庭中有足够的人使用电力。热电效应是一种通过温度差异将热量转换成电能的方式,但是只能转换其中的一部分。不幸的是,麻省理工学院的博士后袁元解释说,几十年来,为了捕获任何有用的能量,温差达到了500摄氏度或更高,环境保护组织估计,低于热量100摄氏度损失达到三分之一。杨和他的导师以及几位在斯坦福大学的博士后研究出一种利用热电效应作为热电效应表亲的50摄氏度的热量收集方法,电池在不同的温度和电压转换关系,科学家们已经建立了一个系统,首先使用废热来提高电池的温度,由于热电温差的影响,电池可以在较低的电压下充电,然后允许电池冷却,电池在较低的温度下以更高的电压放电到电网中,这种能量差可以从中有效地收集余热。 Yang说,只有在过去两年左右,电池电极才能有效地转换低温差分功率。商业化成功之前还有很多工作要做。但是现在,大量的电池可以绕在工厂的烟囱或电厂周围,以转换低水平的多余热量。 “这毕竟是相当有吸引力,处处都是低档热。杨说。
\\ u0026>十,纳米相机 - - 电子显微镜分辨率快速简单的应用程序
纳米像素电子显微镜被广泛使用,但他们花费了数百万美元,准备观察样品可能是一项艰巨的任务。对于实验室而言,这种情况更好,但对于工业应用来说不实用,例如快速扫描用于微嵌入水印等应用的产品样本。纽约大学物理学家David Greer及其同事发明了一种新型全息成像显微镜技术,为上述问题提供了解决方案。他们从一个标准的Zeiss显微镜开始,用激光代替白炽光源。将激光照射到待研究材料的样品上,并将光散射到样品上以产生激光束和散射光的二维图案,从而允许相机记录全息成像图案。
\\ u0026>科学家几十年来一直在制造全息微观物体,但从中提取有用的信息是相当困难的。这就是格里尔的创造价值所在 - 他的团队编写的软件可以快速求解描述光线如何从球形物体中散射的方程式;通过找到这些方程式中埋藏的某些术语的值导致物体散射的信息。显微镜的纳米尺度分辨率使得研究人员能够追踪漂浮在胶体溶液上的微粒,成本高达电子显微镜成本的十分之一。格里尔希望他的设备能够提供一种快速且价格合理的装置来捕捉单个颗粒想像一个油漆桶或者洗发水瓶子,里面包含了一些代码,用来编码你所拥有的制造信息,就像指纹一样。“Greer补充说,使用显微镜阅读药物,炸弹或其他的附件产品分子信息,将成为小菜一碟。来源:中国科技网 - 科技日报2014年12月21日

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