納米材料

美開發出制造納米精度物體新方法

據報道，美國研究人員開發出一種新方法，可“打印”各種形狀、多種材質的納米精度三維物體，在光學、醫療、機器人等領域有廣闊的應用前景。參與研究的麻省理工學院生物工程及大腦和認知科學副教授愛德華·博伊登說，這是一種多種材料創建納米級精度三維結構的新方法。相關論文發表在新一期美國《科學》雜志上。

新研究采用了一種被稱為“內爆制造”的技術。團隊使用吸水性很強的聚丙烯酸酯凝膠作為微觀制造支架，將支架浸泡在含有熒光素分子的溶液中。在雙光子顯微鏡下，研究人員用激光激活熒光素分子，使其附著在凝膠的特定位置充當錨點，然后添加需要“打印”的材料分子與錨點結合，比如金屬、量子點、脫氧核糖核酸（DNA）等。當所有分子就位，研究人員向凝膠中加酸使整個結構收縮，每個維度上可以縮小到1/10，整個體積縮小到原來的1/1 000。目前，研究人員可利用該方法制造出體積為1mm3、分辨率為50nm的物體。

研究人員認為，該技術最早的應用可能在光學領域，例如制造用以研究光的基本特性的特殊透鏡以及用于手機攝像頭、顯微鏡或內窺鏡的鏡頭等。在更遠的將來，該技術可用于生產納米級電子產品或機器人等。（新華網）

“三合一”石墨烯基太赫茲探測器問世

據俄羅斯莫斯科物理技術學院（MIPT）報道，來自俄羅斯、英國、日本、意大利的科學家團隊，開發出了一種基于石墨烯的太赫茲探測器。新設備既可充當靈敏的探測器，也可作為工作頻率在太赫茲范圍的光譜儀使用。

太赫茲波是介于微波和紅外線之間的電磁波，具有穿透性強、安全性高、定向性好等優勢，有望用于醫療、宇宙探索等領域。但現有太赫茲探測器存在效率低下的問題，主要是因為太赫茲波與檢測元件（晶體管）之間尺寸不匹配。晶體管僅10-6m，而太赫茲輻射的波長是其100倍，導致太赫茲波從探測器身邊溜走。

1996年，科學家提出了一個解決辦法：將入射波能量壓縮到與檢測器大小相當的體積內。為此，探測器材料需要支持特種“緊湊波”——所謂的等離激元。從理論上來說，在波的諧振下，這種探測器的效率會得到進一步提升。

但實現這種探測器比預期更難。原因在于：在大多數半導體材料中，由于電子與雜質的碰撞，等離激元會快速衰減。石墨烯被認為可解決問題，但其還不夠潔凈。

在最新研究中，科學家解決了這個問題。他們制造了一個光電探測器，由封裝在氮化硼晶體之間的雙層石墨烯組成，并與太赫茲天線發生耦合。在這個“三明治”結構中，雜質被逐出石墨烯薄片之外，使等離激元更自由地傳播。被金屬鉛束縛住的石墨烯片形成了一種等離激元諧振器，而石墨烯的雙層結構使波速可在一個寬范圍內調諧。

新設備實際上也是尺寸僅為幾微米的太赫茲光譜儀，可通過電壓調諧控制諧振頻率。此外，它還可用于基礎研究：在不同頻率與電子密度下測量探測器中的電流，展示出了等離激元的特性。（科技日報）

港中大研發納米3D打印機獲選全球百大創新發明

據報道，香港中文大學12月17日宣布，由工程學院機械與自動化工程學系教授陳世祈及其團隊研發的“數碼全息納米3D打印機”，獲全球百大科技研發獎（R&D 100）評選為2018年度全球百大創新發明之一。該打印機采用革命性的數碼全息激光掃描及光束整形技術，能以高速印制結構復雜、細如發絲的精細組件，并達至納米級別的打印精度。

陳世祈介紹說，該打印機的多焦點掃描技術可在相同速度下，移動至打印空間中的任何一點，即使沒有結構及材料支撐，仍可打印出復雜的懸垂結構及精密細致的微型成品，例如光子晶體、微納流體器件、仿真生物組織及支架、藥物傳輸工具等，為納米科技、先進材料及醫療工具創造了革新技術。

在光遺傳學研究應用中，該打印機還能準確刺激生物大腦中多個神經元而不傷害周圍結構，可用于研究大腦神經回路及特定功能，例如小鼠的嗅覺、斑馬魚的視覺等，將3D激光掃描的優點延伸至醫學及基礎生物研究。

據介紹，具有56年歷史的全球百大科技研發獎素有“創科界奧斯卡”之稱，旨在表彰全球的研發先鋒及其科技革命理念。歷年來獲獎的創新發明包括噴墨打印機（1967年）、鋰電池（1971年）、ATM自動柜員機（1973年）、HDTV高清電視（1998年）及人工視網膜（2009年）等。（人民日報）

“可智能協同抗癌”的新型納米材料研制成功

據報道，近日，中科院合肥物質科學研究院技術生物研究所吳正巖研究員課題組與上海交通大學醫學院鄒多宏教授團隊合作，制備出一種對腫瘤微環境智能響應的新型納米復合材料，可通過“智能造影”“智能送藥”協同殺死癌細胞。日前國際生物醫學工程領域權威學術期刊《生物材料》發表了該成果。

納米診療一體化是當前國際抗癌研究的熱點之一，但現有的納米診療體系對癌癥病灶組織的識別度差，對腫瘤微環境的響應不足，難以精確“觀察”、高效治療。對此，吳正巖、鄒多宏等科研人員基于腫瘤微環境低酸堿度和谷胱甘肽高表達的特性，合成了對腫瘤組織酸堿度和谷胱甘肽敏感的硅酸錳“多孔納米球”，在其表面沉積磁性氧化鐵納米顆粒，制備出磁性氧化鐵與硅酸錳的納米復合物。

據悉，這種新型納米復合材料可“智能協同抗癌”，它在正常的組織和血液中不會發揮造影功能，而一旦進入腫瘤組織，即可釋放出錳離子，發揮高效腫瘤T1磁共振造影功能。同時，該納米復合材料裝載的抗癌藥物順鉑也會被釋放出來，與錳離子和磁性氧化鐵協同殺死癌細胞，達到協同治療腫瘤的效果。（環球網）

中國科大研制出“納米竹子”

據報道，從中國科大獲悉，近日，中國科大研究團隊成功制備了類似竹節結構的納米“竹子”復合異質結，充分利用太陽能，并將其有效轉化為氫能源。

近年來，科學家們通過設計新型半導體納米材料以捕獲太陽能并實現高效光化學轉化，使我們看到了利用新型清潔能源的希望。但如何降低成本、進一步提高轉化效率實現產業化，仍然是一個巨大挑戰。

該研發團隊設計了一種“脈沖式軸向外延生長”方法，成功制備了尺寸、結構可調的一維膠體量子點——納米線分段異質結，該結構是類似竹節結構的納米“竹子”復合異質結，可以充分利用太陽能，并將其有效轉化為氫能源。

這種人造納米“竹子”的竹節和竹莖，分別由硫化鎘和硫化鋅兩種不同的半導體材料組成，二者交替生長，非常類似于我們生活中看到竹子拔地而起的生長過程。有趣的是，研究人員設計的這種獨特生長方式，可以精確控制每根人造納米“竹子”的粗細、節數以及每個竹節的間距。這種豐富的調控能力為進一步開發利用該類材料提供了更多的空間。

此外，研究者發現，此類人造納米“竹子”中不同組分之間存在協同效應，二者的取向結合極大地提升了單一材料所具有的性能。相比于單一材料，納米“竹子”的太陽能制氫效率提高了一個數量級，這為今后設計開發新型高效太陽能制氫材料提供了新途徑。（合肥日報）

我學者成功構建石墨烯泡沫材料網絡拓撲模型

據報道，近期，中國科學院合肥物質科學研究院等機構的學者們合作，通過研究石墨烯泡沫的掃描電子顯微鏡鏡像，成功構建了一種三維孔片網絡拓撲模型，并引入參數和幾何量實現了對其力學行為的有效評估。國際知名學術期刊《美國化學會·納米》日前發表了該成果。

石墨烯泡沫是以準二維石墨烯作為基本組件，以無序堆砌為主要建構方式鉸接而成的三維多孔材料，由于兼具石墨烯與多孔材料的優點，受到國際科技界越來越多的關注。但由于不清楚其性能背后的物理機制，造成理論與實驗的嚴重脫節，限制了應用。

近期，中科院合肥物質科學研究院先進制造技術研究所王曉杰研究員團隊的博士潘斗興與中國科學院力學研究所博士王超合作，成功構建了一種同時含有本征孔和鉸鏈鍵的三維孔片網絡拓撲模型，并借助孔片網絡對石墨烯泡沫進行了動態分析，進一步構建了一種新型的石墨環泡沫。該研究還發現，泡沫內部存在有趣的介觀互鎖現象，豐富了連續介質力學的內涵。

通過構建模型和發現新的物理性能，科研人員為推進石墨烯泡沫材料的研究及應用邁出了重要一步。（新華網）

有機硅改性石墨烯增強環氧防腐耐磨涂層研究取得進展

據報道，近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋功能材料團隊與北京科技大學腐蝕控制系統工程團隊展開合作，在研究員王立平、趙海超及教授李曉剛、張達威的共同指導下，博士生葉育偉等人設計系列實驗克服了石墨烯（氧化石墨烯）在溶劑及基體樹脂中的團聚問題，成功制備出具有優異防腐耐磨性的石墨烯增強型環氧復合涂層。通過插層溶膠-凝膠化反應制備出了有機硅/石墨烯雜化材料。該石墨烯雜化材料可以均勻分散至水性環氧樹脂中，并具有一定的電活性，可在金屬基底表面誘導鈍化膜的形成，協同抑制腐蝕的發生。

雙酚A型環氧樹脂是環氧樹脂中產量最大、使用最廣的一種熱固性樹脂，具有固化收縮率低、成型容易、粘結能力強、力學強度高和耐化學腐蝕性優異的特點，被廣泛用作涂料、粘結劑和復合材料等的樹脂基體。環氧樹脂固化形成的三維孔隙、缺陷等會導致樹脂基體致密性差、阻隔性能低，抗剪切強度低和摩擦磨損性能差，進一步限制了其在防腐耐磨等領域中的應用。

研究團隊通過插層溶膠-凝膠化反應制備出了有機硅/石墨烯雜化材料。該石墨烯雜化材料可以均勻分散至水性環氧樹脂中，并具有一定的電活性，可在金屬基底表面誘導鈍化膜的形成，協同抑制腐蝕的發生。與此同時，研究人員采用化學改性法將多面體低聚倍半氧硅烷（POSS）接枝在氧化石墨烯（GO）表面，制備出了超疏水的POSS-GO納米片，并實現了其在諸多有機溶劑（如無水乙醇、四氫呋喃、二甲苯等）中優異且穩定的分散。研究人員將所制備的POSS-GO添加至環氧樹脂中，探究其在模擬海水中的腐蝕防護行為及摩擦學行為。研究發現，環氧涂層在經過POSS-GO強化后，硬度、結合強度、韌性均得到不同程度的提高。（中國科學院寧波材料技術與工程研究所）

“冷凍”銅納米顆粒催化劑可替代貴金屬催化劑

據報道，從中國科學院大連化學物理研究所獲悉，該所研究人員發現了一種可替代貴金屬金或銀的銅催化劑，它在催化加氫反應中表現出與傳統銅催化劑完全不同卻與金、銀接近的性能，相關研究成果近日發表在《科學·進展》上。

原子的外圍電子結構常常決定著金屬的化學性質。與金、銀相比，同族的非貴金屬銅更易獲得并且價格便宜，但由于銅金屬更容易失去外圍電子，因而在催化反應中也更易被氧化。金屬銅在氧化或加氫等催化反應中，常表現出銅零價和一價共存的化學態，因此銅催化劑的化學性質并不穩定。

為提高銅催化劑的穩定性，中國科學院大連化物所孫劍研究團隊通過嘗試“高能等離子體流轟擊”的方法來改變銅的外圍電子結構，使銅表現出貴金屬金和銀的特性，以此來替代金、銀催化劑，這種等離子體流轟擊銅改變其電子結構的過程被科研人員比喻為對銅催化劑的“冷凍”處理。

據了解，“冷凍”是采用磁控濺射裝置，在電場驅動下，通過被等離子體化的氬氣產生的高能粒子流，定向的轟擊銅金屬靶，使得金屬銅以原子形式均勻沉積于載體表面。

實驗結果顯示，被“冷凍”的銅納米顆粒在反應過程中可被鎖定在金屬態，反應過程中的“冷凍”銅納米顆粒催化劑也表現出了與貴金屬金或銀極其類似的催化性能，顛覆了銅催化劑利于發生深度加氫反應而生成乙二醇和乙醇等醇類化合物的傳統認知，從而證明了銅金屬經過處理后，可以表現出與貴金屬金或銀極其類似的催化性能。（科技日報）

“上海制造”入選首條5nm芯片生產線

據報道，最近，中微半導體設備（上海）有限公司收到一個好消息：其自主研制的5nm等離子體刻蝕機經臺積電驗證，性能優良，將用于全球首條5nm制程生產線。

刻蝕機是芯片制造的關鍵裝備之一。刻蝕尺寸的大小與芯片溫度一一對應，中微自主研發的部件使刻蝕過程的溫控精度保持在0.75℃內，達到國際領先水平。氣體噴淋盤是刻蝕機的核心部件之一，中微和國內企業聯合開發出一套創新工藝，用這套工藝制造的金屬陶瓷，其晶粒十分精細、致密。與進口噴淋盤相比，國產陶瓷鍍膜的噴淋盤使用壽命延長1倍，造價卻不到1/5。中微突破關鍵核心技術，讓“上海制造”躋身刻蝕機國際第一梯隊。5nm，相當于頭發絲直徑（約0.1mm）的2萬分之一，將成為集成電路芯片上的最小線寬。臺積電計劃明年進行5nm制程試產，預計2020年量產。