揭开纳米级奇迹的面纱：碳基量子技术

揭开纳米级奇迹的面纱：碳基量子技术Empa研究人员及其国际合作者成功地将碳纳米管电极连接到单个原子级精确纳米带上。资料来源：Empa要实现这些优势，我们需要所谓的量子材料，它们能显示出显著的量子物理效应。石墨烯就是这样一种材料。这种碳的二维结构形式具有不同寻常的物理特性，例如超高的拉伸强度、导热性和导电性，以及某些量子效应。进一步限制这种已经是二维的材料，例如使其具有带状形状，就会产生一系列可控的量子效应。这正是MickaelPerrin团队在工作中所利用的：几年来，在MichelCalame的领导下，Empa纳米界面传输实验室的科学家们一直在开展石墨烯纳米带的研究。Perrin解释说："石墨烯纳米带甚至比石墨烯本身更令人着迷。通过改变石墨烯纳米带的长度和宽度、边缘形状以及添加其他原子，可以赋予它们各种电学、磁学和光学特性"。纳米带的特性因其宽度和边缘形状而异。资料来源：Empa极致精确--精确到单个原子研究前景广阔的纳米带并非易事。纳米带越窄，其量子特性就越明显，但同时也更难同时获得单个纳米带。要了解这种量子材料的独特特性和可能的应用，并将它们与集体效应区分开来，就必须这样做。在最近发表在《自然-电子学》（NatureElectronics）杂志上的一项新研究中，Perrin和Empa研究员张健以及一个国际团队首次成功地接触到了单个长的、原子精度高的石墨烯纳米带。张建说："仅有9个碳原子宽的石墨烯纳米带宽度仅为1纳米。为了确保只接触到一条纳米带，研究人员采用了类似尺寸的电极：他们使用的碳纳米管直径也只有1纳米。"对于如此精细的实验来说，精度是关键。首先是源材料。研究人员通过与RomanFasel领导的Empa'snanotech@Surfaces实验室的长期紧密合作，获得了石墨烯纳米带。"RomanFasel和他的团队长期从事石墨烯纳米带的研究工作，可以从单个前驱体分子中以原子精度合成多种不同类型的石墨烯纳米带，"Perrin解释说。前驱体分子来自位于美因茨的马克斯-普朗克聚合物研究所。正如推动技术进步通常所要求的那样，跨学科是关键，不同的国际研究小组都参与其中，各自发挥专长：碳纳米管是由北京大学的一个研究小组培育出来的，为了解释研究结果，Empa的研究人员与华威大学的计算科学家进行了合作。具有原子级精确边缘的极窄带表现出强烈的量子效应，令研究人员特别感兴趣。资料来源：Empa用纳米管接触单个碳带给研究人员带来了巨大的挑战。张解释说："碳纳米管和石墨烯纳米带分别生长在不同的基底上。首先，纳米管需要转移到设备基底上，并与金属电极接触。然后，我们用高分辨率电子束光刻技术对其进行切割，将其分成两个电极。最后，我们将纳米带转移到同一基板上。精度是关键：即使是基板最轻微的旋转也会大大降低成功接触的概率。能够使用位于吕施里孔的IBM研究院宾尼格和罗赫尔纳米技术中心的高质量基础设施，对于测试和实施这项技术至关重要。"从计算机到能量转换器科学家们通过电荷传输测量确认了实验的成功。由于量子效应通常在低温下更为明显，因此我们在接近绝对零度的高真空环境下进行了测量。但他很快又补充了石墨烯纳米带的另一个特别有前景的特性："由于这些纳米带的尺寸极小，我们预计它们的量子效应将非常强大，甚至在室温下也能观察到。"这位研究人员说，这将使我们能够设计和运行主动利用量子效应的芯片，而无需复杂的冷却基础设施。参与该项目的华威大学教授HatefSadeghi补充说："这个项目能够实现单个纳米带器件，不仅可以研究基本量子效应，如电子和声子在纳米尺度上的行为方式，还可以利用这种效应在量子开关、量子传感和量子能量转换等方面进行应用。"石墨烯纳米带尚未准备好投入商业应用，仍有许多研究工作要做。在后续研究中，张和Perrin的目标是在单个纳米带上操纵不同的量子态。此外，他们还计划在串联的两条纳米带的基础上创建设备，形成所谓的双量子点。这样的电路可以作为量子计算机中最小的信息单位--量子比特。此外，Perrin最近还获得了欧洲研究理事会（ERC）的启动资助（StartingGrant）和瑞士国家科学基金会（SNSF）的教授奖学金（SccellenzaProfessorialFellowship），他计划将纳米带用作高效能源转换器。在苏黎世联邦理工学院的就职演讲中，他描绘了这样一个世界：我们可以利用温差发电，同时几乎不会损失任何热能--这将是一个真正的质的飞跃。国际合作多个研究小组为该项目做出了重要贡献。石墨烯纳米带是由RomanFasel领导的Empa纳米技术@表面实验室根据美因茨马克斯-普朗克聚合物研究所的KlausMüllen团队提供的前体分子生长出来的。这些纳米带由MichelCalame领导的Empa纳米级界面传输实验室的成员集成到纳米加工设备中，MickaelPerrin的研究小组也在其中。这项特殊研究所需的精确排列的高质量碳纳米管由北京大学张进研究小组提供。最后，为了解释研究结果，Empa的研究人员在HatefSadeghi的指导下，与华威大学的计算科学家进行了合作。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1386665.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1386665.htm

新方法可大规模生产高质量石墨烯

新方法可大规模生产高质量石墨烯石墨烯被称为“21世纪的神奇材料”。自2004年发现以来，这种单层碳原子材料一直因其众多独特性能而备受推崇。但目前大量生产的石墨烯有个缺点：质量不高。现在，美国哥伦比亚大学和加拿大蒙特利尔大学联合研究团队开发出一种新方法，利用无氧化学气相沉积（OF-CVD）法来净化石墨烯，从而大规模生产高质量石墨烯。相关论文发表在5月29日的《自然》杂志上。更多详情→除氧可提高大规模生产石墨烯质量（科技日报）

研究发现双层石墨烯中的电子像没有质量的粒子一样运动

研究发现双层石墨烯中的电子像没有质量的粒子一样运动艺术家绘制的天然双层石墨烯中的移动电荷。资料来源：LukasKroll此外，他们还证明，电流可以"开关"，这为开发微小、节能的晶体管提供了可能--就像家里的电灯开关，但却是纳米级的。美国麻省理工学院（MIT）和日本国立材料科学研究所（NIMS）也参与了这项研究。研究成果发表在科学杂志《自然通讯》上。安娜-塞勒博士。图片来源：ChristianEckel石墨烯的特性与挑战石墨烯于2004年被发现，是由单层碳原子组成的。石墨烯具有许多不寻常的特性，其中最著名的是其超高的导电性，这是因为电子在这种材料中以高速、恒定的速度穿行。这一独特的特性让科学家们梦想着利用石墨烯制造速度更快、能效更高的晶体管。所面临的挑战是，要制造出晶体管，需要控制材料在高导电状态之外还具有高绝缘状态。然而，在石墨烯中，载流子速度的这种"切换"并不容易实现。事实上，石墨烯通常没有绝缘状态，这限制了石墨烯作为晶体管的潜力。石墨烯晶体管研究取得突破性进展哥廷根大学的研究小组现在发现，自然形成的双层石墨烯中的两层石墨烯结合了两方面的优点：除了绝缘状态外，这种结构还能支持电子像光一样以惊人的速度运动，就像它们没有质量一样。研究人员发现，通过施加垂直于材料的电场，可以改变这种状况，使双层石墨烯成为绝缘体。托马斯-韦茨教授。资料来源：TWeitz快速移动电子的这一特性早在2009年就已在理论上得到预测，但由于NIMS提供的材料以及与麻省理工学院在理论方面的密切合作，样品质量显著提高，才有可能在实验中发现这一特性。虽然这些实验是在低温条件下进行的--低于冰点约273°--但它们显示了双层石墨烯制造高效晶体管的潜力。"我们早就知道这个理论。但是，现在我们已经进行了实验，实际显示了电子在双层石墨烯中类似光的分散。对于整个团队来说，这是一个非常激动人心的时刻，"哥廷根大学物理系的托马斯-韦茨教授说。哥廷根大学博士后研究员、第一作者AnnaSeiler博士补充说："我们的工作只是迈出了关键的第一步。研究人员下一步将研究双层石墨烯是否真的能改善晶体管，或者研究这种效应在其他技术领域的潜力。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427873.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427873.htm

研究发现纳米材料氧化石墨烯可通过肠道微生物组影响免疫系统

研究发现纳米材料氧化石墨烯可通过肠道微生物组影响免疫系统"该论文的通讯作者、瑞典卡罗林斯卡学院环境医学研究所教授BengtFadeel说："这表明我们必须将肠道微生物组纳入我们对纳米材料如何影响免疫系统的理解。研究结果对于确定纳米材料的潜在不利影响以及在新材料中减轻或防止这种影响非常重要。"石墨烯是一种极薄的材料，比人的头发还要薄一百万倍。它由单层碳原子组成，比钢铁更坚固，但又有弹性、透明和导电性。这使得它在众多的应用中极为有用，包括在配备有可穿戴电子设备的"智能"纺织品中，以及作为复合材料的组成部分，以增强现有材料的强度和导电性。随着石墨烯基纳米材料使用的增加，需要研究这些新材料如何影响身体。人们已经知道纳米材料会对免疫系统产生影响，近年来的一些研究表明，它们也会影响肠道微生物组，即胃肠道中自然存在的细菌。纳米材料、肠道微生物组和免疫力之间的关系是本研究使用斑马鱼进行的主题。被调查的纳米材料是氧化石墨烯，它可以被描述为石墨烯的一个相对物，由碳原子和氧原子组成。与石墨烯不同，氧化石墨烯可溶于水，是医学研究的兴趣所在，例如，作为在体内输送药物的一种手段。在这项研究中，研究人员让成年斑马鱼通过水接触氧化石墨烯，并分析了它如何影响微生物组的组成。他们既使用了正常的鱼，也使用了在其肠道细胞中缺乏一种叫做芳烃受体（通常缩写为AhR）的受体分子的鱼，这是一种对各种内源性和细菌性代谢物的受体。"我们能够表明，当我们将鱼暴露在氧化石墨烯中时，肠道微生物组的组成发生了变化，即使是低剂量，AhR也会影响肠道微生物组，"该研究的第一作者、卡罗林斯卡学院环境医学研究所的博士后研究员彭国涛说。研究人员还生成了完全缺乏天然肠道微生物组的斑马鱼幼体，这使得研究个别微生物组成分的影响成为可能，在这种情况下，丁酸（一种脂肪酸），它由某些类型的肠道细菌分泌。众所周知，丁酸能够与AhR结合。这样做，研究人员发现，氧化石墨烯和丁酸的组合在鱼体内产生了所谓的2型免疫力。结果发现，这种效果取决于肠道细胞中AhR的表达。"这种类型的免疫力通常被视为对寄生虫感染的一种反应。"彭国涛说："我们的解释是，肠道免疫反应可以以类似于处理寄生虫的方式处理氧化石墨烯。"使用一种先进的免疫细胞绘图方法，研究人员还能够表明，在斑马鱼幼虫中发现了一种叫做先天淋巴细胞的免疫系统组成部分。这表明斑马鱼是研究免疫系统的一个良好模型，包括原始或先天免疫系统。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1336795.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1336795.htm

突破性人体研究证实"神奇材料"石墨烯是安全的

突破性人体研究证实"神奇材料"石墨烯是安全的临床试验透视首次人体受控接触临床试验使用的是超纯氧化石墨烯薄膜--一种与水兼容的材料。研究人员表示，还需要进一步研究这种氧化石墨烯材料或其他形式的石墨烯是否会产生不同的效果。研究小组还希望确定，长时间接触这种比头发丝还要细几千倍的材料是否会带来额外的健康风险。科学家于2004年首次分离出石墨烯，并将其誉为"神奇"材料。可能的应用领域包括电子产品、手机屏幕、服装、涂料和水净化。全世界都在积极探索石墨烯，以帮助对癌症和其他健康问题进行有针对性的治疗，并以植入式设备和传感器的形式使用石墨烯。不过，在用于医疗之前，所有纳米材料都需要经过测试，以确定是否存在潜在的不良影响。研究方法和结果爱丁堡大学和曼彻斯特大学的研究人员招募了14名志愿者，在严格控制的接触和临床监测条件下参与研究。志愿者们在从荷兰国家公共卫生研究所带到爱丁堡的一个专门设计的移动暴露室中骑自行车时，通过面罩呼吸了这种物质两个小时。在暴露前和每隔两小时测量一次对肺功能、血压、凝血和血液中炎症的影响。几周后，志愿者被要求返回诊所，重复接触不同大小的氧化石墨烯或清洁空气，以进行比较。结果发现，石墨烯对肺功能、血压或其他大多数生物参数没有不良影响。不过，研究人员注意到，吸入这种材料可能会影响血液凝结的方式，但他们强调这种影响非常小。结论和未来方向爱丁堡大学心血管科学中心的马克-米勒（MarkMiller）博士说："石墨烯等纳米材料前景广阔，但我们必须确保它们是以安全的方式制造的，然后才能更广泛地应用于我们的生活。能够在人体志愿者身上探索这种独特材料的安全性，是我们在了解石墨烯如何影响人体方面迈出的一大步。通过精心设计，我们可以安全地充分利用纳米技术"。曼彻斯特大学和巴塞罗那加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所（ICN2）的科斯塔斯-科斯塔雷洛斯（KostasKostarelos）教授说："这是有史以来第一项涉及健康人群的对照研究，它证明了非常纯净的氧化石墨烯（具有特定的尺寸分布和表面特征）可以进一步开发，从而最大限度地降低对人类健康的危害。""我们花了十多年的时间，从材料和生物科学的角度，同时也从临床能力的角度，通过召集该领域的一些世界顶尖专家，安全地开展了这项受控研究"。英国心脏基金会首席科学与医学官布莱恩-威廉姆斯（BryanWilliams）教授说："这种石墨烯可以安全地开发出来，而且短期副作用极小，这一发现为开发新设备、创新治疗方法和监测技术打开了大门。我们期待在更长的时间内看到更大规模的研究，以更好地了解我们如何安全地使用石墨烯等纳米材料，在向患者提供救命药物方面取得飞跃。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1418551.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1418551.htm

研究人员通过彩虹散射破解"神奇材料"石墨烯的奥秘

研究人员通过彩虹散射破解"神奇材料"石墨烯的奥秘石墨烯还可能存在结构缺陷，在某些情况下，这些缺陷会对其功能造成损害，而在其他情况下，这些缺陷对其所选择的应用至关重要。这意味着，通过控制缺陷的实施，可以对石墨烯二维晶体的理想特性进行微调。在《欧洲物理杂志D》（EPJD）发表的一篇新论文中，塞尔维亚贝尔格莱德大学温查核科学研究所的米利沃耶-哈季约伊奇和马尔科-乔西奇研究了光子穿过石墨烯时的彩虹散射，以及它如何揭示这种神奇材料的结构和缺陷。虽然还有其他研究石墨烯瑕疵的方法，但这些方法都有缺点。例如，拉曼光谱无法区分某些缺陷类型，而高分辨率透射电子显微镜能以出色的分辨率表征晶体结构缺陷，但其使用的高能电子会使晶格退化。"彩虹效应在自然界中并不罕见。在原子和分子散射中也发现了彩虹效应。它是在薄晶体的离子散射实验中被探测到的。我们从理论上研究了低能质子在石墨烯上的散射，证明彩虹效应也发生在这一过程中，"Hadžijojić说。"此外，我们还证明，可以通过质子彩虹散射效应研究石墨烯结构和热振动"。二人利用一种称为彩虹散射的过程，观察了质子穿过石墨烯时所产生的衍射以及所形成的"彩虹"图案。研究人员对衍射图样进行了特征描述，发现完美的石墨烯呈现出彩虹图案，其中中间部分是一条单线，内部部分呈现出六边形对称图案，而不完美的石墨烯则不具备这种对称性。科学家们还得出结论，特定的缺陷类型会产生各自不同的彩虹图案，这可以在未来的研究中用于识别和表征石墨烯样品中的缺陷类型。哈季约吉奇总结说："我们的方法相当独特，有可能成为石墨烯和类似二维材料的一种有用的补充表征技术。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374327.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374327.htm