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        解讀!碳納米管全球高校應用研究7大領域

        發布時間:2020-01-22來源:新材料在線閱讀 > 2592
        近年來,國際高校在碳納米管的諸多應用領域均取得了重大突破,包括電子領域(晶體管、傳感器等)、生物醫療領域、航空航天(研究用航天器鏡片、復合材料增強體、功能材料)、軍事領域(生化防護服和地雷、爆 炸物探測器)、能源領域(超級電容器、鋰離子電池和太陽能熱光伏設備)以及激光器等,其中,碳納米管在電子器件、醫療領域以及傳感器方向有著較為廣泛的應用。

        電子器件

        硅作為目前主流的半導體材料,廣泛應用于各種電子器件中,但受限于硅的自身性質,傳統半導體技術被認為已經趨近于物理極限。 由于碳納米管具有半導體性質,其被認為是后摩爾時代最有潛力替代硅制造下一代更高性能、更低能耗電子元件的材料之一。

        美國威斯康星大學麥迪遜分校研究團隊制備出了首個性能超越硅基晶體管的碳納米晶體管,其電流承載能力為硅基晶體管的1.9倍,科學家們成功制備出了2.54平方厘米的晶片,并將在下一步研究如何擴大生產規模,實現量產。

        美國勞倫斯伯克利國家實驗室研究團隊制備出了首個打破物理極限的1納米晶體管。該晶體管中由碳納米管負責控制邏輯門中電子的流向,由二硫化鉬承擔半導體的職責。然而要想實現大規模量產還需要面臨非常大的挑戰。

        北京大學信息科學技術學院研究團隊制備出了5納米柵長的高性能碳納米晶體管,證明了與相同柵長的硅基CMOS(互補金屬氧化物半導體)器件相比,碳納米管CMOS器件具有明顯優勢,并且有望達到二進制電子開關的性能極限。

        日本東京工業大學研究團隊成功使用碳納米管陣列開發出了世界首個可彎曲、可穿戴的便攜式太赫茲掃描儀,不需要復雜的光學器件或設備就可以掃描三維物體。該掃描儀有望應用于無損設備檢測,比如手術、癌細胞、血栓和牙齒成像、食品質量檢測、醫療監測等領域。

        哈佛大學開發出一種以碳納米管作為電極的“人造肌肉”。在“人造肌肉”中,科學家們使用一層薄的碳納米管取代了傳統介電彈性體中充當電極的碳潤滑脂,由于碳納米管既不會減小能量密度,也不會增加彈性體的硬度,可以在保證彈性體延展性的同時為其提供電力。該“人造肌肉”可用于制造可穿戴設備、柔性夾具、外科手術工具、柔性機器人以及其它機器人柔性部件。

        醫療領域

        美國匹茲堡大學和萊特州立大學的科學團隊發現了一種以碳納米管為主要成分的新型碳骨架,可以幫助受傷或病變的組織再生。這些新型碳骨架主要有兩個用途:可以通過電流刺激骨骼肌肉、神經組織、心臟組織等使其再生,另外還可用作生物傳感器來追蹤特定的生物標記物或病原體。此項研究成果是醫學界的一項重要突破,對人體健康和人體醫學的研究有著重大意義。

        英國牛津大學研究團隊首次將X射線熒光光譜分析(XRF)中的造影劑,密封進碳納米管中進行成像,拓展了碳納米管在生物醫療領域的應用。類似技術還可用于增強核磁共振的成像效果。

        美國伍斯特理工學院使用碳納米管作為主要材料研發出一種“液體活檢(liquide biopsy)”芯片,可以僅僅通過癌癥患者體內的一滴血檢測出病人的轉移癌癥細胞。該技術有望幫助在癌癥轉移的早期判斷出癌細胞轉移的方向,從而使患者或醫生能夠在癌癥進一步惡化前采取措施。

        美國賓西法尼亞大學研究人員使用一種樹林狀垂直排列碳納米管制備的小型便攜式設備,可以進行精確調試,通過碳納米管選擇性捕獲和富集病毒,因而增強了病毒偵測的靈敏度,可以提升病毒偵測閾值,并加快新出現病毒的鑒別流程。

        傳感器

        日本國際納米建筑材料中心與美國麻省理工學院合作開發了一種新型碳納米管基傳感器,可用于探測化學毒素,并可以使用比如手機等近場通訊設備直接讀取探測結果。

        美國特拉華大學將一種叫做電阻抗斷成像(EIT)技術與碳納米管傳感器結合,開發出一種基礎設施結構損傷探測器,可以檢測設施存在的潛在問題,甚至預測即將發生的災難。該碳納米管復合物傳感器可以粘附到幾乎任何表面以探測損傷,并顯示損傷在材料或結構中的位置。雖然目前此項技術還存在可能會高估造成損傷的裂縫的大小、或損傷形狀不是很精確的問題,但仍可以比紅外熱成像探傷更早的發現結構損壞。

        美國麻省理工學院首次使用化學改性碳納米管構成的傳感器陣列,檢測出細胞,甚至是單一細胞分泌出的單個蛋白質分子。該傳感器陣列可用于任何需要檢測微量蛋白質的應用,例如病毒感染跟蹤、食品污染檢測等。然而,此方法還有一個不完美的地方:分子越少,檢測它們的時間就越長,當分子變得非常稀少時,檢測可能需要無限長的時間。

        光學應用

        此前,德國海德堡大學和英國圣安魯斯大學合作,首次證實了在半導體型碳納米管中存在光與物質的強相互作用,可以形成激子-極化聲子,同時由于碳納米管比其他半導體材料可以更好的傳導正負電荷,這使得碳納米管成為實現有機半導體的電動泵浦激光器的重要原料,該項研究擴展了碳納米管的應用領域,使其有望用于高端激光器的制造。

        軍事領域

        美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室開發出一種既透氣又可為士兵提供保護的生化防護服。碳納米管薄膜不僅孔徑很小,還擁有遠高于目前商業透氣布料的水分傳輸能力。可以在保持良好的透氣性的同時過濾掉潛在的生化威脅(細菌、病毒和有毒化學元素等)。

        美國麻省理工學院研究團隊通過在菠菜中嵌入碳納米管,制備出了一種新型傳感器,可檢測爆 炸物并將信息無線傳輸到智能手機等便攜式設備上。研究人員表示,該爆 炸物探測儀可被用于國防,也可用于公共空間的監控,防止恐怖主義活動。

        能源領域

        美國麻省理工學院團隊開發出一種新型太陽能熱光伏設備(solar thermophotovoltaic device,簡稱STPVs),可以將陽光的熱能轉換為可用能量,能大幅度提升能源轉換率。該設備利用了碳納米管可以吸收整個光譜的特點,使用碳納米管作為吸光材料,以盡可能地吸收全光譜的光。

        英國劍橋大學和西安交通大學合作開發了合成新型碳納米管/過渡金屬氧化物納米復合材料的方法,并測試了此種復合材料在鋰離子電池和電化學電容器中的性能,證明此種雜化材料具有滿足能源轉換和存儲設備對循環穩定性和高倍率性能的要求。

        復合材料

        美國麻省理工學院使用碳納米管“穿針引線”使復合材料層間實現更好的結合,制備出了更輕量、抗耐損的復合材料。研究人員在膠狀聚合物基質中嵌入碳納米管,然后將聚合物基質壓在碳纖維復合材料層中。在該研究中,經過縫合的復合材料的強度增加了30%,此項改進可能會帶來更輕、更強的飛機部件,還可在含有釘子和螺栓的部件中替代傳統復合材料的新型材料。

        英國薩里大學、布里斯托大學與航天航空公司龐巴迪公司組成的研究團隊合作開發出了一種新型碳納米管改性碳纖維復合材料,具有更強的導熱和導電能力。研究人員表示這種復合材料還可以將傳感器和能量采集器等小型電子配件嵌入其中。這雖然不是碳納米管首次用于聚合物復合材料,但卻是首個聲稱能取代傳統碳纖維表面“聚合物漿料”涂層的研究成果。該團隊目前正在研究如何實現這種材料的大規模量產。


        本文封面圖來源于圖蟲創意

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