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解读!碳纳米管全球高校应用研究7大领域

发布时间:2020-01-22来源:新材料在线阅读 > 2570
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、传感器等)、生物医疗领域、航空航天(研究用航天器镜片、复合材料增强体、功能材料)、军事领域(生化防护服和地雷、爆 炸物探测器)、能源领域(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,碳纳米管在电子器件、医疗领域以及传感器方向有着较为广泛的应用。

电子器件

硅作为目前主流的半导体材料,广泛应用于各种电子器件中,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。 由于碳纳米管具有半导体性质,其被认为是后摩尔时代最有潜力替代硅制造下一代更高性能、更低能耗电子元件的材料之一。

美国威斯康星大学麦迪逊分校研究团队制备出了首个性能超越硅基晶体管的碳纳米晶体管,其电流承载能力为硅基晶体管的1.9倍,科学家们成功制备出了2.54平方厘米的晶片,并将在下一步研究如何扩大生产规模,实现量产。

美国劳伦斯伯克利国家实验室研究团队制备出了首个打破物理极限的1纳米晶体管。该晶体管中由碳纳米管负责控制逻辑门中电子的流向,由二硫化钼承担半导体的职责。然而要想实现大规模量产还需要面临非常大的挑战。

北京大学信息科学技术学院研究团队制备出了5纳米栅长的高性能碳纳米晶体管,证明了与相同栅长的硅基CMOS(互补金属氧化物半导体)器件相比,碳纳米管CMOS器件具有明显优势,并且有望达到二进制电子开关的性能极限。

日本东京工业大学研究团队成功使用碳纳米管阵列开发出了世界首个可弯曲、可穿戴的便携式太赫兹扫描仪,不需要复杂的光学器件或设备就可以扫描三维物体。该扫描仪有望应用于无损设备检测,比如手术、癌细胞、血栓和牙齿成像、食品质量检测、医疗监测等领域。

哈佛大学开发出一种以碳纳米管作为电极的“人造肌肉”。在“人造肌肉”中,科学家们使用一层薄的碳纳米管取代了传统介电弹性体中充当电极的碳润滑脂,由于碳纳米管既不会减小能量密度,也不会增加弹性体的硬度,可以在保证弹性体延展性的同时为其提供电力。该“人造肌肉”可用于制造可穿戴设备、柔性夹具、外科手术工具、柔性机器人以及其它机器人柔性部件。

医疗领域

美国匹兹堡大学和莱特州立大学的科学团队发现了一种以碳纳米管为主要成分的新型碳骨架,可以帮助受伤或病变的组织再生。这些新型碳骨架主要有两个用途:可以通过电流刺激骨骼肌肉、神经组织、心脏组织等使其再生,另外还可用作生物传感器来追踪特定的生物标记物或病原体。此项研究成果是医学界的一项重要突破,对人体健康和人体医学的研究有着重大意义。

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医疗领域的应用。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。

美国宾西法尼亚大学研究人员使用一种树林状垂直排列碳纳米管制备的小型便携式设备,可以进行精确调试,通过碳纳米管选择性捕获和富集病毒,因而增强了病毒侦测的灵敏度,可以提升病毒侦测阈值,并加快新出现病毒的鉴别流程。

传感器

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传感器,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)技术与碳纳米管传感器结合,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。该碳纳米管复合物传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传感器阵列,检测出细胞,甚至是单一细胞分泌出的单个蛋白质分子。该传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。

光学应用

此前,德国海德堡大学和英国圣安鲁斯大学合作,首次证实了在半导体型碳纳米管中存在光与物质的强相互作用,可以形成激子-极化声子,同时由于碳纳米管比其他半导体材料可以更好的传导正负电荷,这使得碳纳米管成为实现有机半导体的电动泵浦激光器的重要原料,该项研究扩展了碳纳米管的应用领域,使其有望用于高端激光器的制造。

军事领域

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室开发出一种既透气又可为士兵提供保护的生化防护服。碳纳米管薄膜不仅孔径很小,还拥有远高于目前商业透气布料的水分传输能力。可以在保持良好的透气性的同时过滤掉潜在的生化威胁(细菌、病毒和有毒化学元素等)。

美国麻省理工学院研究团队通过在菠菜中嵌入碳纳米管,制备出了一种新型传感器,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。

能源领域

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。

英国剑桥大学和西安交通大学合作开发了合成新型碳纳米管/过渡金属氧化物纳米复合材料的方法,并测试了此种复合材料在锂离子电池和电化学电容器中的性能,证明此种杂化材料具有满足能源转换和存储设备对循环稳定性和高倍率性能的要求。

复合材料

美国麻省理工学院使用碳纳米管“穿针引线”使复合材料层间实现更好的结合,制备出了更轻量、抗耐损的复合材料。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复合材料层中。在该研究中,经过缝合的复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复合材料的新型材料。

英国萨里大学、布里斯托大学与航天航空直接观看黄网站免费庞巴迪直接观看黄网站免费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复合材料,具有更强的导热和导电能力。研究人员表示这种复合材料还可以将传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复合材料,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。


本文封面图来源于图虫创意

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