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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:新材料在線阅读 > 2503
近年来,国际高校在碳纳米管的诸多应用领域均取得了重大突破,包括电子领域(晶体管、傳感器等)、生物醫療領域、航空航天(研究用航天器镜片、複合材料增强体、功能材料)、軍事領域(生化防护服和地雷、爆 炸物探测器)、能源領域(超级电容器、锂离子电池和太阳能热光伏设备)以及激光器等,其中,碳纳米管在電子器件、醫療領域以及傳感器方向有着较为广泛的应用。

電子器件

硅作为目前主流的半导体材料,广泛应用于各种電子器件中,但受限于硅的自身性质,传统半导体技术被认为已经趋近于物理极限。 由于碳納米管具有半導體性質,其被認爲是後摩爾時代最有潛力替代矽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矽基晶體管的碳納米晶體管,其電流承載能力爲矽基晶體管的1.9倍,科學家們成功制備出了2.54平方厘米的晶片,並將在下一步研究如何擴大生産規模,實現量産。

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,由二硫化钼承擔半導體的職責。然而要想實現大規模量産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矽基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,並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,不需要複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爲電極的“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爲其提供電力。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爲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、心髒組織等使其再生,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。

英国牛津大学研究团队首次将X射线荧光光谱分析(XRF)中的造影剂,密封进碳纳米管中进行成像,拓展了碳纳米管在生物醫療領域的应用。类似技术还可用于增强核磁共振的成像效果。

美国伍斯特理工学院使用碳纳米管作为主要材料研发出一种“液体活检(liquide biopsy)”芯片,可以仅仅通过癌症患者体内的一滴血检测出病人的转移癌症细胞。该技术有望帮助在癌症转移的早期判断出癌细胞转移的方向,从而使患者或医生能够在癌症进一步恶化前采取措施。

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,可以提升病毒偵測阈值,並加快新出現病毒的鑒別流程。

傳感器

日本国际纳米建筑材料中心与美国麻省理工学院合作开发了一种新型碳纳米管基傳感器,可用于探测化学毒素,并可以使用比如手机等近场通讯设备直接读取探测结果。

美国特拉华大学将一种叫做电阻抗断成像(EIT)技术与碳纳米管傳感器结合,开发出一种基础设施结构损伤探测器,可以检测设施存在的潜在问题,甚至预测即将发生的灾难。该碳纳米管复合物傳感器可以粘附到几乎任何表面以探测损伤,并显示损伤在材料或结构中的位置。虽然目前此项技术还存在可能会高估造成损伤的裂缝的大小、或损伤形状不是很精确的问题,但仍可以比红外热成像探伤更早的发现结构损坏。

美国麻省理工学院首次使用化学改性碳纳米管构成的傳感器阵列,检测出细胞,甚至是单一细胞分泌出的单个蛋白质分子。该傳感器阵列可用于任何需要检测微量蛋白质的应用,例如病毒感染跟踪、食品污染检测等。然而,此方法还有一个不完美的地方:分子越少,检测它们的时间就越长,当分子变得非常稀少时,检测可能需要无限长的时间。

光學應用

此前,德國海德堡大學和英國聖安魯斯大學合作,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,這使得碳納米管成爲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爲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)。

美国麻省理工学院研究团队通过在菠菜中嵌入碳纳米管,制备出了一种新型傳感器,可检测爆 炸物并将信息无线传输到智能手机等便携式设备上。研究人员表示,该爆 炸物探测仪可被用于国防,也可用于公共空间的监控,防止恐怖主义活动。

能源領域

美国麻省理工学院团队开发出一种新型太阳能热光伏设备(solar thermophotovoltaic device,简称STPVs),可以将阳光的热能转换为可用能量,能大幅度提升能源转换率。该设备利用了碳纳米管可以吸收整个光谱的特点,使用碳纳米管作为吸光材料,以尽可能地吸收全光谱的光。

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複合材料的方法,並測試了此種複合材料在锂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。

複合材料

美国麻省理工学院使用碳纳米管“穿针引线”使複合材料层间实现更好的结合,制备出了更轻量、抗耐损的複合材料。研究人员在胶状聚合物基质中嵌入碳纳米管,然后将聚合物基质压在碳纤维複合材料层中。在该研究中,经过缝合的複合材料的强度增加了30%,此项改进可能会带来更轻、更强的飞机部件,还可在含有钉子和螺栓的部件中替代传统複合材料的新型材料。

英国萨里大学、布里斯托大学与航天航空公司庞巴迪公司组成的研究团队合作开发出了一种新型碳纳米管改性碳纤维複合材料,具有更强的导热和导电能力。研究人员表示这种複合材料还可以将傳感器和能量采集器等小型电子配件嵌入其中。这虽然不是碳纳米管首次用于聚合物複合材料,但却是首个声称能取代传统碳纤维表面“聚合物浆料”涂层的研究成果。该团队目前正在研究如何实现这种材料的大规模量产。


本文封面圖來源于圖蟲創意

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