綜合報道
2012-01-16 09:58:52
中國材料進(jìn)展 2012年7期
綜合報道
石墨烯可作為人工光合作用高效催化劑
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)2012年7月18日報道，韓國化學(xué)技術(shù)研究所和首爾梨花女子大學(xué)的新研究，證明石墨烯作為一種高效的光催化劑可使人工光合作用系統(tǒng)的效率提升，其同時展示了一個能直接將二氧化碳轉(zhuǎn)換成太陽能化學(xué)物質(zhì)或太陽能燃料的基準(zhǔn)實例。該研究刊登在最新一期的《美國化學(xué)學(xué)會雜志》上。
人工光合作用系統(tǒng)可使太陽光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，產(chǎn)生可再生、無污染的燃料及多種用途的化學(xué)品。開發(fā)出一個高效的太陽能燃料轉(zhuǎn)換過程非常具有挑戰(zhàn)性，盡管研究人員已經(jīng)演示了人工光合作用的可行性，但實現(xiàn)其高效率卻比較困難。此前曾嘗試用石墨烯半導(dǎo)體復(fù)合材料作為催化劑，但效率也較低。
新研究中，科學(xué)家使用石墨烯作為光觸媒，然后再加以卟啉酶，該物質(zhì)可以把陽光和二氧化碳轉(zhuǎn)換成甲酸，用于塑料行業(yè)的化學(xué)品和燃料電池的燃料。測試結(jié)果表明，基于石墨烯的光催化劑在可見光范疇下功能強(qiáng)大，其整體效益顯著高于其他催化劑。
研究還發(fā)現(xiàn)，該材料具有良好的電子傳輸能力，并且石墨烯較大的表面積有助于加快化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)換過程。這種可從二氧化碳中直接生產(chǎn)出太陽能燃料的能力，可應(yīng)用于燃料電池、塑料制業(yè)以及制藥行業(yè)。
研究人員稱:“作為一個實用性強(qiáng)大的系統(tǒng)，此次成果也可用于生產(chǎn)特制的精細(xì)化學(xué)品，例如，手性2-氨基-1-方基乙醇衍生物。這是多種極其昂貴的手性藥物的重要中間體，現(xiàn)在通過我們的催化劑——酶耦合人工光合作用系統(tǒng)，可以利用太陽光能簡單地合成出來?！?/p>
研究者發(fā)現(xiàn)性能奇異的材料
在正常情況下，材料可以磁極化，也可電極化，但二者不能同時出現(xiàn)。然而，丹麥哥本哈根大學(xué)尼爾斯·波爾研究所研究者目前研究一種同時可磁極化又可電極化的材料。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《Nature Materials》雜志上。
能夠磁極化又能電極化、并且還有附加屬性的材料，叫做多鐵性材料。這種材料先前由俄羅斯研究者于20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的，那時還沒有檢驗這種材料的技術(shù)。現(xiàn)在已有這種檢驗設(shè)備，，可把這種材料分析到原子級。
“我們在一個外加磁場下利用強(qiáng)大的中子輻照研究了稀有天然的鐵化合物TbFeO3。溫度冷卻到接近絕對零度，－271℃。我們能夠鑒別出來的是材料原子排列成均勻一致晶體結(jié)構(gòu)，由成行的并被鐵、氧原子隔離的重金屬鋱(Tb)組成。這樣的結(jié)構(gòu)是眾所周知的，但磁疇是新的。正常情況下，磁疇有點雜亂，但在這里我們觀察到磁疇排列筆直，間距相同?？吹竭@種情況后我們被完全驚呆了?！备绫竟髮W(xué)納米科學(xué)中心副教授Kim Lefman解釋說。
他們很奇怪會有這么漂亮的試驗結(jié)果，正是這樣的一個發(fā)現(xiàn)引起研究者強(qiáng)烈的興趣。為什么會是這樣呢?
實驗工作是與荷蘭研究者合作在德國柏林中子輻照裝置上完成的。他們想借助于計算對材料有一整體了解，目前他們對材料結(jié)構(gòu)及其物理性能的關(guān)系已有更清楚的圖像。
尼爾斯·波爾研究所副教授Heloisa Bordallo解釋說，“模型描述的是鋱交換(鐵磁性)自旋波激發(fā)的疇壁相互作用，這種相互作用通過磁性鐵晶格轉(zhuǎn)移，這是一種類似于Yukawa的核力。這種材料某種意義上說具有相同的能把原子核中粒子聚集在一起的相互作用力?！?/p>
正是過渡金屬鐵與稀有金屬鋱的這種相互作用才使這種材料成為磁－電材料。鋱的自旋波使電極化增強(qiáng)，元素離子之間的相互作用產(chǎn)生強(qiáng)大的磁－電效應(yīng)。
左圖示出大多數(shù)傳統(tǒng)材料出現(xiàn)的疇壁，右圖示出TbFeO3在磁場下不尋常的自旋有序，自旋方向沿著一行原子突然出現(xiàn)變向，磁疇大約20 nm，疇壁為十分之幾納米
研究者強(qiáng)調(diào)，“通過這些結(jié)果，我們找到了一條發(fā)現(xiàn)和開發(fā)新的多鐵性材料的新途徑”。目前，研究者正在做進(jìn)一步研究，確定這種新效應(yīng)能否使這些具有奇異物理性能的材料找到新應(yīng)用。
新型電子材料可如橡皮筋般延展拉伸
由美國西北大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個國際聯(lián)合研究小組宣稱，他們開發(fā)出一種能夠像橡皮筋一樣延展拉伸的電子材料。這種材料就算被彎曲或拉伸到原始尺寸的200%也能夠正常工作，在醫(yī)療器械和消費電子設(shè)備制造等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。
對心臟病、高血壓、糖尿病等患者而言，定期去醫(yī)院查體幾乎已成為生活的一部分，這不僅費時費力也占用了大量醫(yī)療資源。早有科學(xué)家提出，可以設(shè)計一種可植入人體的微型醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備，這樣既方便患者也方便醫(yī)生，若有狀況還能及時發(fā)現(xiàn)。但材料的問題成了阻礙該技術(shù)發(fā)展的一大障礙——目前的電子元件大都以硅為基礎(chǔ)，太過僵硬根本無法擔(dān)此重任。
該項目的領(lǐng)導(dǎo)者為美國西北大學(xué)環(huán)境工程與機(jī)械工程學(xué)教授黃永剛。為攻克這一難關(guān)，在過去的5年中，他和團(tuán)隊開發(fā)出延展率能夠達(dá)到50%的電子元件，但在許多極具價值的應(yīng)用需求前仍然捉襟見肘。其中一大挑戰(zhàn)便是由延伸所導(dǎo)致的電導(dǎo)率的嚴(yán)重?fù)p失。目前市場上由固體金屬制成的電路在進(jìn)行延展時，不無例外地會遭遇這一難關(guān)。
新研究中，黃永剛團(tuán)隊想出一種新方法解決這一難題。首先，他們用一種名為聚二甲基硅氧烷(PDMS)的聚合物造出一種多孔三維高分子材料，它能延展到自身原始尺寸的3倍。而后再將液態(tài)金屬(EGaIn)灌入高分子材料的孔中，這樣即便是進(jìn)行高強(qiáng)度拉伸時，電流也不會發(fā)生中斷。借助這一方法，他們制造出這種同時具備高度可延展性與極佳導(dǎo)電性能的材料。
黃永剛說:“該技術(shù)的關(guān)鍵是多孔聚合物和液態(tài)金屬的結(jié)合，通過這一方法我們成功地讓這種材料實現(xiàn)了200%延展。有了這種材料，制造出像橡皮筋一樣延展的電子設(shè)備將成為可能?！?/p>
參與這項研究的還有來自韓國高等科學(xué)技術(shù)研究院、中國大連理工大學(xué)以及美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校的科學(xué)家。相關(guān)論文發(fā)表在6月26日出版的《自然·通訊》上。
日本開發(fā)出能在室溫下發(fā)白光的材料
日本物質(zhì)和材料研究機(jī)構(gòu)于2012年7月14日稱，該機(jī)構(gòu)研究人員開發(fā)出一種能在室溫下發(fā)白光的材料，這種材料生產(chǎn)工藝簡單，能涂在各種形狀的底材表面，新材料有望作為下一代發(fā)光材料大幅簡化照明裝置等的制造流程。
物質(zhì)和材料研究機(jī)構(gòu)2012年7月14日發(fā)布的新聞公報稱，照明裝置的耗電量占到我們電力消耗總量的20%，為削減溫室氣體排放量，人們迫切需要照明領(lǐng)域材料和技術(shù)的革新，其中能發(fā)出白光的有機(jī)材料因為能代替白熾燈和熒光燈作為下一代照明的光源材料而備受關(guān)注。但現(xiàn)有的一些有機(jī)材料一旦涂到底材上并將溶媒蒸發(fā)后，發(fā)光材料中的分子就會相互凝集，導(dǎo)致發(fā)光性能不能充分發(fā)揮。
物質(zhì)和材料研究機(jī)構(gòu)高級研究員中西尚志等人首先開發(fā)出一種分子不會凝集、不揮發(fā)的熒光液體，這種液體不需要揮發(fā)性的有機(jī)溶媒就能發(fā)出藍(lán)色熒光，再向這種液體中添加少量粉末狀熒光材料，從而制成一種能發(fā)出高輝度白光的膏狀材料。
公報稱，新發(fā)光材料生產(chǎn)工藝簡單，適用于各種形狀的底材。而且這種材料經(jīng)調(diào)整甚至能發(fā)出全彩色光，有望成為下一代可印刷電子領(lǐng)域的新材料。
相關(guān)論文預(yù)定刊登于德國《應(yīng)用化學(xué)國際版》和英國《自然》雜志。
科學(xué)家首次用光改變?nèi)嗽斐肿邮中?/h2>
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)2012年7月11日報道，美國科學(xué)家首次研制出一種人造分子，可用一束光改變其手性，這種分子可應(yīng)用于包括生物醫(yī)學(xué)研究、國土安全和超高速通訊在內(nèi)的太赫茲技術(shù)領(lǐng)域，相關(guān)研究發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。
手性分子是化學(xué)中結(jié)構(gòu)上鏡像對稱而又不能完全重合的分子。該類分子具有迥然不同的左手或右手傾向，能用太赫茲電磁射線觀察、甚至改變分子的手性是科學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo)。
該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學(xué)分部的張翔(音譯)表示:“我們能改變天然材料的手性，但改變過程緩慢同時也會改變材料的結(jié)構(gòu)，而我們新制造出的人造分子的手性卻能以光速進(jìn)行切換。”
張翔團(tuán)隊用由納米大小的金條經(jīng)過加工制成的太赫茲“超材料”，制造出了一種精巧的人造手性分子，接著將其同具有光活性的硅媒介結(jié)合，再使用一束外部光對該“超分子”進(jìn)行光致激發(fā)，結(jié)果觀察到了以圓偏振發(fā)射太赫茲光的形式表現(xiàn)出來的手性變化。而且，這種光致激發(fā)也使科學(xué)家們能對這種手性切換和太赫茲光的圓偏振進(jìn)行動態(tài)控制。張翔表示:“以前使用光電刺激只能打開或關(guān)閉‘超材料’的手性，但現(xiàn)在，我們能用光開關(guān)改變這種太赫茲‘超分子’的手性?！?/p>
張翔解釋道，新的“超分子”包含有一對手性相反的三維超原子。他們在每個超原子內(nèi)的不同地方放置了一塊硅板。最終，硅板破壞了鏡像對稱并讓超分子具有了手性。硅板也承擔(dān)了能在光致激發(fā)下改變超分子手性的光電開關(guān)的功能。他表示:“我們的系統(tǒng)依賴于兩個手性不同的超原子的‘聯(lián)姻’，在特定頻率范圍內(nèi)，其中一個超原子起作用，而另外一個不具有活性。如果設(shè)計合理，這兩個超原子會對同樣的外部刺激做出相反的反應(yīng)，不活躍的超原子會開始起作用，而起作用的超原子則會失去活性，這就使超分子的手性發(fā)生了變化。”
太赫茲電磁射線也稱為T射線，位于分子振動的頻率范圍內(nèi)，這使其成為理想的非侵入式工具，可用來分析有機(jī)物和無機(jī)物的化學(xué)組成，改變超分子的手性并控制太赫茲光的圓偏振可被用于探測有毒易爆的化學(xué)品，或用于無線通訊以及高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。因為包括DNA、RNA和蛋白質(zhì)在內(nèi)的大多數(shù)生物分子都具有手性，新研究也能讓醫(yī)學(xué)研究者和制藥人士受益。
另一名研究人員安托瓦妮特·泰勒表示，他們的光切換手性太赫茲超分子的設(shè)計原理并不局限于改變手性，也可用來動態(tài)地改變其他電磁屬性。
(來源:中國科技網(wǎng))
(摘譯自The R＆D Daily)
(來源:科技網(wǎng))
(來源:新華社)
(來源:中國科技網(wǎng))
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