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材料最前沿:耐高温超硬复合材料、轻质透明装甲、无损超、超级海

归档日期:11-28       文本归类:防护装甲      文章编辑:爱尚语录

  莫斯科大学的物理学家们最近合成出一种新型聚合物复合材料,强度远超航空铝钛合金,为建造超轻型飞机和卫星提供可能。

  目前,广泛使用的聚合物复合材料耐受温度范围在150摄氏度以内,耐热材料也不超过250摄氏度。新开发的这种材料耐热温度高达450摄氏度,相比常用的环氧树脂更易加工。

  现代飞机大部分使用的不是金属材料,而是塑料、复合材料以及具有航空合金强度、重量较轻的其它材料。如波音787客机只有一半是航空合金材料,美国F22战斗机使用的材料39%为钛、24%复合材料和16%的铝。

  航空材料多数是含有两种增强成分的高分子聚合物,它能提高材料强度以及聚合物嵌入面的支撑强度,缺点是比铝钛合金成本高,优点是更耐用、易维护。

  不耐受高温是所有聚合物复合材料的主要问题,因此飞机发动机只能使用金属材料,如果将金属材料换成耐热塑料件的话,可以大幅减轻发动机的重量,且发动机结构也会相应简化。

  俄罗斯科学家找到了解决问题的途径,他们通过两个简单环节利用不饱和炔烃、氮化合物和苯,制备出呈橙色状复合新型聚合物基体。含有这些成分制备出的聚合物超级坚固,并能承受约400摄氏度的加热温度,保持结构稳定不变形。

  俄专家认为,这种聚合物基体最显著的特点是易熔解、粘度低,相比工业常用的其它复合材料生产成本低,有助于快速进入航空制造业领域的应用。

  目前,莫斯科大学实验室合成的数批材料试样,已交由巴拉诺夫中央航空发动机研究院和喀山图波列夫国家研究型技术大学等机构进行测试。

  莫斯科大学的研究人员研制出一种新型高分子复合材料,该材料相对于同类材料拥有良好的耐热性,且生产技术及成本具有较好的市场应用性。目前,莫斯科大学合成的该系列材料正在巴拉诺夫中央航空发动机制造研究所、喀山图波列夫国家研究技术大学以及其它俄航空工业机构进行测试。

  在莫斯科大学研制出该系列耐热高分子复合材料之前,科学界普遍认为复合材料最高能承受的温度为250摄氏度。但莫斯科大学研制出的复合材料经测试耐受了450摄氏度的高温,其强度超过了航空铝及钛金属材料。

  该复合材料的合成基于两个比较简单的聚合物:不饱和炔烃及苯与氮的化合物。这些材料一般被用来制造橙色颜料,但这些材料的组合却能形成高强度的耐高温复合材料,也正因为原料容易获取,使得该新材料的制备成本远低于类似的具有较高硬度的复合材料。

  俄罗斯远东联邦大学工程学院的科学家们开发出可应用于再生骨外科的新型生物陶瓷材料制备技术。

  生物陶瓷作为人体植入物应用,其重要特性之一在于具有发达的高强度多孔结构。这种结构保障了高效的骨骼融合(骨组织进入植入物的深度),减少对骨骼的过多损伤。当前在医学领域,人类骨组织再生医用材料优化完善问题尚未解决,采用传统的合成方法,要满足上述条件是及其复杂的,因此需要寻求现代化的新制备技术。

  远东联邦大学科学家提出,以合成硅灰石(硅酸盐级)为基体,采用特殊的材料复合技术来合成多孔陶瓷。该方法的独特性在于在材料合成的不同阶段分别加入两种造孔添加剂,这样既可保证形成高结构强度的多孔硅酸盐骨架,又使得植入材料能够与生物有机介质共存。

  应用该技术可以制备出前所未有的新型生物活性陶瓷材料和在结构与特性上同骨骼材料相类似的人造骨骼基质,研制的材料已达到生物陶瓷先进水平,符合现代医学的全部要求。研究成果发表在权威国际期刊《Royal Society of Chemistry》上。

  【据海上力量杂志2017年3月8日报道】美国海军研究实验室(NRL)的研究人员开发出一种透明的热塑性弹性体装甲,并申请了专利。与一般的防弹玻璃相比,新研制的装甲不仅具有极佳的防弹性能,且质量更轻。

  热塑性弹性体是通过物理方法而非化学方法使柔软的橡胶聚合物固化而形成的,而固化过程是可逆的,因此能够就地修复受损的装甲的表面。

  研究人员称,在高于软化点的温度(100℃左右)加热受损装甲,融化小的晶体使断裂表面融合并通过扩散实现重组。这个过程的完成需要有一个诸如烙铁的热金属板作为模板,使新形成的表面成为一个光滑平整的薄板。

  截至目前,NRL的研究人员已经采用这种聚合物材料作为涂层以达到提高坚硬基材的抗冲击性能的目的,并进行了测试。采用聚脲和聚异丁烯涂层提高了装甲和头盔的防弹性能。

  与传统的防弹玻璃相比,通过利用一种热塑性弹性体的变体,不经聚脲和聚异丁烯涂层的弹道性能得到改善,还能变得透明、更轻质且可修复。

  由于弹性体具有耗散性能,由炮弹攻击造成的损伤就难以扩散。这意味着可见度就几乎不重要了,可实现多重攻击防护。

  NRL的透明热塑性弹性体装甲技术已经申请了美国专利——用于改善性能且可就地维修的聚合物涂层。(中国船舶信息中心 慕南)

  【据激光电子世界2017年2月27日报道】美国加州大学圣地亚哥分校(UCSD)工程师开发了一种材料,可以减少光子器件中的信号损失。该成果有可能提高各种基于光技术器件(包括光纤通信系统、激光器和光伏电池)的效率。工程师说,这个发现解决了光子学领域最大的挑战之一:尽量减少器件中称为等离子体超材料的光学(光基)信号损失。

  等离子体超材料是纳米级工程化的材料,以不寻常的方式控制光。它们可用于开发从隐形斗篷到量子计算机等不同种类的器件。但是,超材料通常含有金属,因此会将从光吸收能量转化为热。最终结果使一部分光信号被浪费,降低了器件效率。

  在自然通信期刊最近发表的一项研究中,UCSD雅各布工程学院的电气工程教授Shaya Fainman领导的一个光子学研究团队展示了一种弥补这些损失的方法,将超材料并入到半导体中。

  Fainman研究团队中的电气工程博士后学者及本研究的第一作者Joseph Smalley说:“我们用半导体的增益抵消金属带来的损耗,理论上这种组合可能导致信号的零净吸收——一种‘无损’超材料。”

  在他们的实验中,研究人员将红外激光照射到超材料上。他们发现,根据光的偏振方式 ——哪个平面或方向(上下和左右)的所有光波被设置为振动——超材料反射或发射光。

  “这是第一种同时作为金属和半导体的材料。如果光是一种偏振光,超材料会像金属一样反射光,当光以另一种方式偏振时,超材料会像半导体一样吸收光并发射出不同颜色的光。”Smalley说。

  研究人员通过首先在衬底上生长称为磷化铟镓砷的半导体材料晶体来创建新的超材料。然后,使用来自等离子体的高能离子在半导体中蚀刻窄沟槽,形成间隔40nm、宽40nm的半导体阵列。最后,用银填充沟槽以产生半导体与银交替的纳米条纹的图案。

  “这是制造这种超材料的一种独特方法。”Smalley说。具有不同层的纳米结构通常通过将每个层彼此分开地沉积而制成,“像桌子上的一叠纸。”Smalley解释说。但在本研究中使用的半导体材料(铟镓砷化物)不能只在任何衬底(如银)的顶部生长,否则会有缺陷。“我们没有创建交替层的堆叠结构,而是想出了一种并排排列材料的方法,像文件柜中的文件夹,保持半导体材料无缺陷。”

  下一步,团队计划研究这个超材料及其变体可在多大程度上改善目前光子应用中的信号损失。

  近日,科学家们研发出了一种可以吸附超过自身重量90倍原油的新材料。更让人惊喜的是,这种材料还能像海绵一样挤出吸收的原油,从而实现原油再利用。这一新材料将有望更为便捷地清理海上泄漏的原油。

  这一“超级海绵”的横空出世,立刻让传统的石油吸附材料,即“石油吸附剂”相形见绌。与人们用来清洁厨房的一次性厨房纸类似,这些已经商品化的石油吸附剂在使用完毕之后会被丢弃。最终,这些废弃的吸附剂与附着的原油的将会被焚毁。

  但是如果我们能够回收这部分石油,并且实现吸附剂的重复使用呢?位于伊利诺伊州阿贡国家实验室的塞斯·达令(Seth Darling)和他的同事共同开发的这一吸油海绵似乎可以鱼和熊掌兼得,同时还减少了浪费。

  这种海绵由聚氨酯或聚酰亚胺塑料制成的简单泡沫组成,并附有一层含量恰到好处的“亲油”硅烷分子。平衡硅烷分子用量是个技术活,化学吸附力不足,会使得海绵无法用作吸附剂;而化学吸附力太强,则意味着被吸附的石油将难以被释放。

  在实验室测试中,研究人员发现,当使用适当含量的硅烷时,它们的泡沫可以反复地吸收并释放油,而吸附能力并不会发生显著的变化。

  但是,为了确定这种材料是否真的有助于解决海洋中的大规模泄漏,研究人员需要进行一次特殊的大规模实战。

  为了这次实验,团队专门制作了一个约6平米见方的海绵垫。达令说,“我们准备了很多泡沫,并将这些泡沫放置在网带内,大部分就是常见的洗衣袋内。这些洗衣袋中还专门缝制了用于容纳泡沫的通道。”

  研究人员随后在一个专门用于测试原油泄漏应急处置的水池上方的吊桥上,将装满了海绵的的海绵垫垂下。之后,他们将这个海绵垫拖到一个正在喷涌原油的管道后方,用于测试这种材料从水中去除原油的能力。接下来,研究人员利用绞拧机以去除海绵中的原油,这一测试过程反复进行。研究人员在数天内进行了多次测试。

  这个迄今尚未发表的测试于去年12月初进行,测试地点是位于新泽西州莱昂纳多市的国家溢油应急研究和可再生能源试验场。

  达令说,“我们经过特殊处理的泡沫(除油)效果比未经处理的泡沫或者商业吸附剂强多了”。

  然而,这个研究团队目前尚不清楚这种材料在深海的高压环境下是否还能保持其一贯的优异性能。

  但是即便如此,这种超级海绵也有助于人们控制近海岸的石油泄漏,而这种情况的清理尤为困难。路易斯安纳州新奥尔良市杜兰大学的学者维杰·约翰(Vijay John)评论说,“我认为,这种超级海绵能够在清理小规模原油泄漏与近海岸原油泄漏时大显身手。而这两种情形,并不适于使用常见的石油分散剂。”

  达令说,“在理想情况中,在任何海上作业平台,繁忙的海运航线,或者是钻井平台的附近,都用备有这种泡沫的仓库。一旦有石油泄漏的情况发生,人们不至于措手不及”。

  金刚石不仅是自然界最坚硬的物质,同时还能散发出最迷人的光芒。欧盟科研人员利用这两大特性将纳米金刚石应用在医学领域。在欧盟第7研发框架计划和地平线计划资助下,分别由法国和德国作为协调国的NeuroCare和NDI项目,利用纳米金刚石作为与人体交互新的媒介,有望在人工视网膜植入和磁共振成像(MRI)领域取得重要突破。

  NeuroCare项目主要利用纳米金刚石或石墨烯表面致密,没有任何物质能通过其表面扩散的特性,将其作为植入体与人体神经组织之间的介质材料,一方面减少介质本身与神经组织之间的反应,另一方面也使其与神经元细胞的距离更近,从而能在彼此间建立更高质量、持续时间更久的电子接口。目前,用于脑接口实验通常都采用金属材料(如铂)。然而,金属材料长时间在人体内,其表面很可能发生降解,进而导致电子交换性质的改变,因此,稳定性正是该项目纳米金刚石技术的最大优势所在。该项目科研团队目前正在寻求美国企业的资助进行正式试用,同时也在申请将其用于商用产品的法律许可(大约需要5年时间)。

  在MRI领域,欧盟研究理事会支持的NDI项目主要利用纳米金刚石独有的光学特性,来赋予标准MRI扫描仪在单细胞尺度上的缩放能力。MRI扫描仪通过拾取原子自旋状态进行成像,但通常拾取率仅为十万分之一。如要提高效率,必须使自旋处在极低温条件,而这对人体来说是无法承受的。在金刚石中,原子自旋可用光来控制,且可通过激光辐照达到极低的温度并能持续数日。NDI项目正是利用纳米金刚石的这一特性,在无需使人体降温的前提下,实现了极低温自旋。该项目的下一步研发重点是继续提高分辨率,同时使之早日成为用户友好型技术,以便在医学实验室实际场景中得以应用。

  美国纽约州北部的康宁公司总部研究室内,三名戴着巨型面具、身着太空服般银色工作服的工程师正在科研熔炉旁进行新材料的研制。他们不得不面对温度高达1600摄氏度的熔炉,手抓用以熔融玻璃的白炽坩埚,快速倒出高温液体材料,并在液体硬化前将之塑造成他们想要的形状。

  “他们就像在跳芭蕾舞。”公司的材料科学家亚当·埃里森观看熔炉工作者的操作,熔化的玻璃将硫磺似的热量传递到周围的空气中,“这如同炼狱般灼热,玻璃硬化的速度很快,留给你操作的时间只有几分钟。”熔炉工作者浇筑的正是埃里森参与研发的新材料,这种新材料被公司命名为“大猩猩玻璃”。因其材质坚韧、轻薄,这种玻璃已经运用于多款智能手机。

  研究人员正在测试该玻璃在材质属性上的其他可能性。一旦易弯曲且耐刮伤、耐破裂的新型玻璃研制成功,公司将开辟全新的产品类别,例如可折叠或可卷曲的手机及平板电脑。轻薄的柔性玻璃也可将生活中的应用曲面(如汽车内饰等)变成触摸屏显示器。

  为了给科学家提供更多样品,研究团队平均每天准备8至12次的实验灌注。科学家们想知道,如果在不同的温度下熔化玻璃会发生什么。此外,研究团队还对不同的研制方法分别进行测试,以了解它们如何影响玻璃性能。

  工程师们着迷于尝试新产品的各种潜在性能。例如,使用一台机器反复弯曲一块薄薄的玻璃,看它会滞留多长时间; 用另一台机器将玻璃弯曲两次,直到震耳欲聋的流行音乐将其震碎。分形科学(研究材料如何以及为何断裂的科学)专家使用定制机器来测量断裂玻璃所需的压力。利用显微镜,他们可以采集到所得裂纹模式中的机械信息。通过测试的材料接下来可能被制成手机模型,并从腰部高度的位置重复摔到水泥、砂砾或其他材质的表面以检测其耐用性。

  韩国科学技术研究院的研究小组成功研发出一种具有半导体属性的AA型石墨。 石墨是由石墨烯一层层叠加而成,根据叠加方式可分为AA石墨和AB石墨,AA石墨因为能量不稳定因此在自然界中不存在。

  研究小组将石墨烯粉末在一定条件下热处理后将粉末以类似AA型的方式重新组合,这种新的石墨被命名为AA石墨。上述成果已经通过X光和高清晰显微镜分析计算后获得确认。此前一直认为AB型石墨是石墨的唯一构造方式,此次研究相当于开发出一种全新的石墨。

  AA石墨虽然不如AB石墨稳定,但利用这种单晶体形式的石墨可以制造出像钢铁一样坚固、像纸一样薄的高弹性碳材料,这种材料与一般石墨不同,具有半导体的特性。目前该研究成果已在国际著名科学期刊《Scientific Reports》网络版上发表。

  石墨烯化身“传声筒”助聋哑人“开口说话”石墨烯能够化身“传声筒”,帮助聋哑人“开口说话”。由清华大学微电子所任天令教授课题组发明的“智能石墨烯人工喉”,有望在未来解决聋哑人的“说话”难题。 日前,任天令课题组在《自然—通讯》上发表了题为《具有声音感知能力的智能石墨烯人工喉》的研究论文,利用多孔石墨烯材料的优势,制造出一种收发同体、适合穿戴的集成声学器件。 据介绍,这种集成声学器件,利用石墨烯的热声效应来发射声音,利用石墨烯的压阻效应来接收声音,实现了单器件的声音收发同体。器件使用的多孔石墨烯材料具有高热导率和低热容率的特点,能够通过热声效应发出100Hz-40kHz的宽频谱声音。其多孔结构对压力也极为敏感,能够感知发声时喉咙处的微弱振动,可以通过压阻效应接收声音信号。因此,这种器件能够准确感知聋哑人低吟、尖叫等特殊声音,并将这种“无含义声音”转换为频率、强度可控的声音,有望在将来转换为预先录制的语言。 记者看到,当“人工喉”佩戴者大声发出低吟时,人工喉会感知喉咙振动状态并发出预先设定的声音,当佩戴者变换低吟的长短、声调时,人工喉发出的声音也会随之对应发生明显变化。 参与该项创新成果的清华大学微纳电子系博士生陶璐琪告诉记者,“解码”之前,需要聋哑人根据自己的发声特点,将不同强度和不同频率的低吟、尖叫音进行排列组合,形成聋哑人的“语言编码”。“‘编码’后的每个聋哑人发音,就像键盘上的字母键,只需要用不同排列组合,就能表达出聋哑人连续的、完整的语义。这就把我们常人听不懂的聋哑人低吟音转化成为正常的语言,并且可以连续表达。”陶璐琪说。 智能石墨烯人工喉除了能够辨别不同音调,还能根据声音强弱、尖叫、咳嗽等声音震动“解码”出不同种类的聋哑人“语言”,同时能够实现音节和音调的排列组合,让聋哑人说出更丰富的句子。 (来源:科学网)

  【据复合材料世界2017年3月8日报道】根据莱斯大学的科学家透露,由碳纳米管增强的一块导电石墨烯泡沫可以支撑超过其自身3000倍以上的重量,且能回弹到其原始高度。更好的是,这种增强的石墨烯泡沫可以制成任何形状和尺寸,科学家已经通过制造螺钉形部件证明了材料的这种能力。

  莱斯实验室的化学家James Tour也测试了其新的“钢筋石墨烯”作为锂离子电容器中多孔的导电电极,并发现它在物理上和化学上是稳定的。这项研究的相关成果发表在了《ACS应用材料和接口》中。

  石墨烯形式的碳是已知的最强的材料之一,并且是高度导电的,而多层碳纳米管广泛用作金属,聚合物和碳基复合材料中的导电增强物。Tour实验室已经使用纳米管来增强石墨烯的二维薄片,并决定尝试将这个概念延伸到宏观材料。

  “我们开发了石墨烯泡沫,但是对于我们想把它应用到的领域来说,它还不够坚韧,所以使用碳纳米管来加强它,自然就是下一步工作。”

  这种三维结构,是以表面活性剂包裹的多层碳纳米管和糖类作为碳源,在粉末状镍催化剂催化下制成的。将这些材料混合并蒸发水,将剩下的小颗粒产物压入钢模具中,然后在化学气相沉积炉中加热,将可用的碳转化为石墨烯。通过进一步处理除去镍残余物之后,最终得到模具形状的全碳泡沫,在本次试验中得到的是螺丝钉状。

  这种石墨烯泡沫的扫描电镜图像显示,纳米管的部分未拉伸的外层结构已经与石墨烯结合,这证明了其强度和弹性。没有经过增强的石墨烯泡沫只能支撑等同于其自身约150倍的重量,同时保持快速回弹至其全高的能力。而经过碳纳米管强化的石墨烯在负载超过其重量8500倍时,仅存在约25%的不可逆变形。

  【据SAE国际2017年2月20日报道】普渡大学研究人员正在研究电场辅助烧结技术(FAST)背后的基本原理,该技术施加一个电场以增强陶瓷烧结,减少成本的同时极大提升制造工艺的速度。特别地,团队正面向一系列军用和民用目的寻求提升高技术陶瓷组件的制造。这些组件制造起来很昂贵,因为它们传统上由粉末在1500°C烧结或熔融数小时形成。FAST则是闪电烧结,只需要几秒,并且将加工温度减少50%,约800°C。

  该项目于1月正式启动,是由海军研究办公室支持的,项目经费300万美元,持续4年。掌握FAST工艺背后的机理可以加速大尺度陶瓷烧结工艺的商业开发。同样的机理也可以用于闪电烧结之外的领域,如可充电锂离子电池和燃料电池,离子在整个功能中扮演关键角色。

  对普渡大学的研究至关重要的工具称作原位透射电镜和原位扫描电镜。该技术运行研究人员看到在烧结时,陶瓷材料的原子尺度晶体结构发生了什么。晶体结构由直径100nm的多面微粒组成,常规光学显微镜难以看到。研究人员将对工艺实时录像。

  尽管陶瓷是电绝缘的,但也可传导离子或放电原子。这个离子流足以在比原先所需低很多的温度烧结材料。离子从陶瓷晶体栅格结构上跳跃。如果氧原子从晶体栅格上缺失,一个正电荷将产生,吸引负的放电离子。研究人员正研究陶瓷中称作“氧化钇稳定的氧化锆”的现象,以及两个其它陶瓷在其晶体结构中拥有大量“氧空缺”。

  研究团队设立了三个目标:掌握电场和物质在加工状态下的相互作用;为科学和工程提供理论和软件;为材料工程师在制造设置中使用而开发规则和指南。此外,成果可进行挖掘并用机器学习手段以用来生成预测性模型,这将帮助工程师和技术人员选择正确的材料。研究还将关注电迁移的现象,它可影响电子器件的性能.

  就在三年前,电气与电子工程师协会网站报告了生产二维(2D)硼的第一个试验性成果,这种硼被称为硼烯。从那时起,关于硼烯的大部分研究工作都是材料合成以及性能表征。 现在位于2D材料研究前沿的美国西北大学教授Mark Hersam领导研究人员,开展了一个重要实验研究,不仅仅是表征硼烯,而是已开始利用硼烯制造纳米电子器件。 在科学进展杂志对本研究的描述中,Hersam的团队首次将硼烯与另一种材料组合以创建异质结构,这是电子器件的基本结构单元。由于这项工作代表了基于硼烯的异质结构的第一次演示,研究人员认为它对正在进行的及未来开展的使用硼烯用于纳米电子应用的研究具有指导意义。 该异质结构是多个异质结的组合,其中不同2D材料层之间相互贴近。通过将具有不同性质的材料层叠在一起(例如绝缘体、导体),可以定制异质结构的电子性质以产生功能器件。 当然,有越来越多的2D材料形成异质结构,但硼烯在2D材料的“平地”中提供了相当罕见的质量:它是一种2D金属。 Hersam在一份IEEE Spectrum的电子邮件采访中说:“作为二维金属,硼烯有助于填补2D纳米电子材料系列的空白。从根本上说,硼烯也很有趣,因为没有硼的3D层叠式结构(即没有石墨式结构的硼)。因此,硼烯在2D材料中是相对独特的,因为它仅以原子层结构存在。 虽然这是硼烯的一个有趣的属性,也使它在合成时面临挑战,因为只能在纯净、超高真空环境中进行。硼烯具有相对高的化学活性,也对在环境条件下处理它提出了挑战。 Hersam认为,这个研究的关键结果之一不仅仅是将硼烯与半导体结合,而且更好地了解硼烯的化学性质,将使其变得更容易操作。 “我们正处于硼烯研究发展的早期阶段。”Hersam说。“最初我们合成了该材料,现在我们正在了解其化学性质以及如何将其与其他材料集成。在电子应用中实现硼烯的全部潜能之前,需要更多的工作。” 虽然西北大学的研究人员已经开发了一种基于超高真空(UHV)的工艺来形成基于硼烯的异质结构,但它们只能在UHV环境中可靠地处理材料,为实验带来挑战。 Hersam认识到,他们需要开发可靠的封装和/或钝化工艺,允许硼烯从UHV环境中移出,使得器件实际上可以被制造和测试。 另一个大的挑战:如何将硼烯从最初的银生长衬底转移到电绝缘衬底。 Hersam补充说:“当硼烯在银上(两者都是金属的)时,银衬底会使硼烯短路,这对任何器件应用都会造成严重的问题。” (来源:国防科技信息网,作者:工信部电子科技情报研究所 张慧)IBM创造出世界上最小磁存储介质只有一个原子大

  在IBM圣何塞研究院工作的一个国、研究团队近日宣布,他们成功地创造了目前世界上尺寸最小的磁体-这个磁体仅由单个原子组成。在他们发表在《自然》杂志上的论文中,研究团队这样形容他们的成就:这是利用经典手段所能实现的最小磁存储介质。他们还成功地实现了利用这一微小的磁体来存储一个比特的数据。

  自从硬盘被发明以来,科学家一直努力试图开发新型制造工艺,让磁存储介质尺寸更小,同时排列更密集,从而可以存储更多的信息。正如IBM的团队所指出的那样,目前保存一个比特信息需要大约10万个原子。如果人们能够找到一种可以将单原子磁体商业化的新技术,那么一张像信用卡那么大小的存储设备将可以存下苹果iTunes整个音乐库里的所有歌曲。

  研究团队通过利用扫描隧道显微镜,操纵放置在氧化镁基底上的钬原子,成功地创造了这一微小磁铁。研究人员注意到,通过显微镜探针所施加的电流,能够改变原子的磁场方向。这样,就能用两个不同的磁场方向来代表原子的两个状态,即储存一个比特的二进制数据。

  在实际操作中,研究人员在150毫伏的电压下向钬原子施加了10毫安电流的电流。这点电压和电流听起来微不足道,但是考虑到实验中原子的尺寸,这丝毫不亚于五雷轰顶的效果。巨大的电子流使得钬原子改变了其磁自旋态。

  由于这两种状态将会表现出不同的导电性,因而研究人员能够通过显微镜的探针,在一个较小的电压(大约75毫伏)下检测原子的电阻,进而确定原子究竟出于哪一个磁自旋态。此外,研究结果表明,对于多个相距仅为1纳米的原子,他们的磁自旋态都能够被成功“读写”。

  扫描隧道显微镜最早是由IBM发明的(戈尔德·宾宁和亨利希·罗赫因此荣膺1986年诺贝尔物理学奖),另一方面,IBM也一直在这一研究领域投入大量资金。最近,IBM的研究人员还宣布,他们已经开发出了一种能更好测量单个原子磁场的新技术,而另一个与此有些相关的新闻是,IBM将提供世界上首个商业“通用”量子计算服务。

  【据物理学组织网站2017年2月24日报道】具有单原子厚度的半导体现在已经不再是科幻小说中虚构的东西了。近日,来自德国拜罗伊特的物理学家阿克塞尔•恩德斯教授同波兰及美国的合作者一起制备出一种新型的二维材料,该材料具有单原子厚度,具有优良的半导体特性,比明星材料石墨烯更适合应用于高新技术领域,将使当前的电子技术发生彻底的改变。这一全新材料由碳、硼、氮三种元素组成,其化学名称为“六方-硼-碳-氮”(Hexagonal Boron-Carbon-Nitrogen (h-BCN))。这项全新的研究成果已发表在美国化学会下属的著名期刊ACS Nano上。

  恩德斯教授预测:“我们的研究成果很有可能成为全新一代电子技术的开端,未来的电子晶体管、电路和传感器将会比现有电子元器件更小巧、更易弯曲,其功耗也会更低。以当前电子工业主流的CMOS技术为例,由于物理极限的制约,CMOS器件尺寸的进一步小型化遇到了前所未有的技术瓶颈。为此,目前不断有人利用石墨烯材料来寻求突破,但我认为,和石墨烯相比,使用六方-硼-碳-氮更容易打破这一技术瓶颈。”

  恩德斯教授解释道:“石墨烯是全部由碳原子组成的二维晶格材料。同样具有单原子厚度。由于具有卓越的性能,一经发现便在全世界范围内产生了极大地轰动,曼彻斯特大学的两位科学家也因此获得了诺贝尔奖。石墨烯的强度是钢铁的100~300倍,且同时具有优良的导电和导热性。然而,在任意外加电压下电子在石墨烯中都可以不受阻碍的运动以致于没有确定的开路、断路位置,正是因为这个原因,石墨烯并不适合在绝大多数的电子器件之中应用。只有半导体材料才能满足电子器件所需的可切换的开关状态。”

  【据3ders网站2017年3月1日报道】美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)研究人员成功采用3D打印技术制造出航空航天级碳纤维复合材料构件,成为全球首个开展此项研究的实验室。这项研究于2017年2月28日在《自然》杂志旗下期刊《科学报告》上发表。文章介绍了该实验室采用微挤压(micro-extrusion)3D打印技术进行复杂碳纤维复合材料构件成形的具体过程。

  碳纤维复合材料在强度、重量和耐高温等方面性能卓越,但一直难以用于生产复杂形状构件。通常,碳纤维复合材料构件通过沿着芯轴缠绕纤维或通过将碳纤维编织在一起而制成。这些方法虽然有效,但制成的构件仅限定为扁平状或圆柱形。

  劳伦斯利弗莫尔国家实验室研究出一种创新的直写(direct ink writing)工艺,称其为Robocasting。该项创新工艺有两个关键点:一是开发一种具有自主知识产权的、新的化学物质,能够在几秒钟而不是几小时内实现材料固化;二是利用劳伦斯利弗莫尔国家实验室的高性能计算能力,对流经3D打印机墨水喷嘴的数千根碳纤维丝进行模拟,准确预测碳纤维丝的流动,允许研究人员确定在实际成形过程中如何最佳地排列纤维。

  经改进的3D打印工艺以及模拟仿真过程可实现采用碳纤维复合材料精确成形更复杂构件,也能更好地控制3D打印部件的细观结构(mesostructure)。这样,能够使用导电碳纤维材料3D打印高性能飞机机翼、一侧绝缘的卫星构件(无需旋转)、绝缘穿戴设备等部件。此外,此项新技术的最大前景之一是,可以允许碳纤维在成形过程中保持方向一致,与碳纤维任意排列的构件性能相比,所成形构件性能更高,且保持同等强度性能所需碳纤维用量减少2/3。

  目前,劳伦斯利弗莫尔国家实验室研究人员正在继续改进和优化此项创新工艺。据报道,研究人员已经与民用、航空航天和国防领域合作伙伴接洽,进一步推进碳纤维3D打印技术。

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