二维材料巨大商业潜力 超薄材料的超能力

近年来,与互联网连接的设备已经占领了一系列新领域,例如手腕,冰箱,门铃,汽车。但是对于一些研究人员来说,“物联网”的传播还远远不够。二维材料将成为万物互联的关键。

最近麻省理工学院电气工程师汤玛斯·帕拉西奥斯(TomásPalacios)说:“如果我们能够将电子产品完全嵌入所有东西,那该怎么办?” “如果我们从高速公路内部的太阳能电池中收集能量,并在隧道和桥梁中嵌入应变传感器以监控混凝土,该怎么办?如果我们可以向外看并在窗口中获得天气预报怎么办?还是将电子设备带到夹克上以监控我的健康?”

2019年1月,帕拉西奥斯博士及其同事在《自然》杂志上发表了一篇论文,描述了一项将使未来更加接近的发明:一种天线,可以吸收不断增强的Wi-Fi,蓝牙和蜂窝信号周围环境,并有效地将其转化为可用电能。

该技术的关键是一种有前途材料:二硫化钼或MoS 2沉积在仅三个原子厚的层中。在工程界,事情变得越来越薄。

正如帕拉西奥斯博士这样的研究人员所看到的那样,二维材料将成为万物互联的关键。它们将被“喷涂”在桥梁上,并形成传感器以观察应变和裂缝。它们将覆盖透明窗口,这些透明层仅在显示信息时才可见。如果他的团队的无线电波吸收器成功,它将为那些不断出现的电子设备供电。

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二维材料巨大商业潜力 超薄材料的超能力--麻省理工学院的工程师创造了由石墨烯(一种二维形式的碳)制成的微型电子电路
麻省理工学院的工程师创造了由石墨烯(一种二维形式的碳)制成的微型电子电路
帕拉西奥斯(Palacios)博士拿着一个装有数千个微电子石墨烯电路的小瓶。
帕拉西奥斯(Palacios)博士拿着一个装有数千个微电子石墨烯电路的小瓶。
Palacios博士实验室的研究员Yuxuan Lin准备使用2D电路的设备。

Palacios博士实验室的研究员Yuxuan Lin准备使用2D电路的设备。

二维化学热潮始于2004年,当时曼彻斯特大学的两名研究人员使用玻璃纸胶带从石墨块中剥离出一层原子厚的碳层,从而形成了石墨烯。石墨烯的成分与石墨和金刚石相同,但其薄度使其具有非常不同的性能:它是柔性的,透明的,非常坚固的以及出色电热导体。

研究人员迅速着手从中制造各种新的和改进的小工具。最近,几家公司发布了带有隔膜的耳机,即由石墨烯制成的振动膜(可在音频设备中产生声音的振动膜)。一些油漆制造商正在将石墨烯添加到其配方中,以制造更持久的涂料。去年10月,华为推出了Mate 20 X,这是一款功能强大的手机,它使用石墨烯进行冷却处理器。三星使用石墨烯开发了一种更快充电的电池,这种电池可能会在不久的将来出现在手机中。

Urban博士正在研究2D材料,以改善燃料电池,作为绿色车辆的清洁推进系统,该燃料电池引起了人们的兴趣。大多数燃料电池都由氢气产生电能,但即使在高压下,氢气也要比相当数量的汽油占用几倍的空间,因此在汽车上使用是不切实际的。

相反,厄本博士将氢原子嵌入比气体密度更高的固体中。3月,他和他的同事宣布了一种新的存储介质:包裹在称为石墨烯纳米带的窄条中的微小镁晶体。他们发现,以这种方式存储氢气可以提供与相同体积的汽油几乎相同的能量,而重量却要轻得多。

在ALS上,Urban博士及其同事确切地了解了石墨烯是如何包裹并紧密结合到镁上的。他们认为,这些结合是使复合材料长期稳定的原因-这是现实世界中使用的重要特征。

位于加利福尼亚州伯克利的高级光源产生X射线,以探测二维材料的原子结构。
位于加利福尼亚州伯克利的高级光源产生X射线,以探测二维材料的原子结构。
一位科学家准备了用于构建原位/操作反应室的软X射线透射薄窗。这些实验反应池允许使用软X射线光谱法在各种环境中测量超薄材料,例如,使用气体或液体,或者与阳光或电化学条件相互作用。
一位科学家准备了用于构建原位/操作反应室的软X射线透射薄窗。这些实验反应池允许使用软X射线光谱法在各种环境中测量超薄材料,例如,使用气体或液体,或者与阳光或电化学条件相互作用。
Beamline科学家Liu Yi-Sheng Liu与Urban团队的密切合作者,使用操纵板控制了要在高级光源下用软X射线束测量的微小材料样品位置。
Beamline科学家Liu Yi-Sheng Liu与Urban团队的密切合作者,使用操纵板控制了要在高级光源下用软X射线束测量的微小材料样品位置。

加州大学伯克利分校的化学家夸瓦纳·贝迪亚科(Kwabena Bediako)去年在《自然》杂志上发表了一项研究,描述了他和他的同事如何将锂离子嵌入包括石墨烯在内的二维材料多层之间。

通过改变三维堆栈中不同的层,研究人员能够微调材料如何存储锂,这可能会导致开发用于电子设备的新型大容量电池。

麻省理工学院材料科学的博士后候选人西宁recently(Xining Zang)最近发现了一种令人惊讶的简单方法,即使用明胶来制造二维材料堆栈,明胶是赋予果冻和棉花糖结构的成分。她和几个同事将明胶,金属离子和水混合在一起。明胶将自身组装成层(就像形成Jell-O时一样),从而也将金属离子排列成层。然后,明胶中的一些碳与金属发生反应,生成二维的金属碳化物片。这些作为催化剂帮助将水分解为氧气和氢气,该过程可用于在燃料电池中发电。

在新加坡南洋理工大学的刘铮实验室是二维材料取得重要进展。去年,研究人员通过使用称为过渡金属硫属元素化物(TMC)的一类化合物创建了数十种新型2D材料。

在南洋理工大学的刘铮实验室中,二维材料层沉积在硅片上并存储在容器中。
在南洋理工大学的刘铮实验室中,二维材料层沉积在硅片上并存储在容器中。

实验室中的一组架子上堆满了透明密封容器。它们固定硅片在其上沉积二维材料。根据每种材料中晶体的几何结构,薄膜通常形成可见的三角形或六边形。

新加坡实验室制造的二维硒化铂金可以制造更便宜的燃料电池,燃料电池通常使用贵金属铂将氢原子的质子与电子分离。研究人员说,改用二维硒化铂可以减少99%的铂用量。南洋理工大学正在与制造商就技术的商业化进行谈判。

研究人员说:“我看到这种材料的巨大商业潜力。” “我们可以在市场上产生巨大的影响。”

由Dr. Urban实验室制造的一种柔性热电装置,由二维碳纳米片制成。热电设备从环境中收集热能并将其转化为有用的电能。
由Dr. Urban实验室制造的一种柔性热电装置,由二维碳纳米片制成。热电设备从环境中收集热能并将其转化为有用的电能。

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