微尺度固体材料结构

当前我国正处在经济的迅速增长期，伴随着经济活动的过程，环境污染也在同步增长，如大量化工企业的排污和农药化肥的施用等，使得各地相继出现了严重的污染事件，土壤污染问题在日益显现，土壤污染面积在逐年增加。而一般的环境污染，不管是空气中的铅、汞，还是污水里的镉、砷，在逐渐沉淀之后，最后都会造成土壤污染。然而，科技工作者迄今还没有找到一种既经济、有效，又适合大规模土壤(场地)治理的修复模式，大多还处于实验室探索阶段。　　中科院合肥物质科学研究院固体物理所纳米材料研究室的科研人员最近研发出一系列兼具纳米尺度材料强吸附性、高比表面积和高活性以及微米尺度材料抗团聚、易分离和可稳定循环利用等特性的新型微/纳结构材料，为重金属污染土壤的渗透墙反应修复等技术提供了新型吸附剂和投料。　　这种微/纳结构材料是通过纳米尺度单元(如纳米管、纳米片及纳米颗粒等)按照一定的规律组装成的微米尺度结构材料，既保持了纳米材料高比表面积与强的吸附特性的优点，又克服了纳米材料在使用时结构不稳、易团聚的不足。科研人员通过以下方法获得了不同的微/纳结构材料：

塑料问答：近日，在北京市科委支持下，清华大学化工系魏飞教授团队与清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心、北京大学信息学院合作，在超润滑领域取得重大突破，在世界上首次检测到了大气环境下厘米以上长度碳纳米管管层间的超润滑现象。所实现的超润滑尺度比以前报道结果的最高值高出3个数量级，同时所得到的摩擦剪切强度比以前报道结果的最低值降低了4个数量级。相关成果发表在国际纳米领域权威学术期刊《自然—纳米技术》上。　　摩擦现象一直是人类面临的最具挑战性的问题之一。全世界约1/3至1/2的一次性能源由摩擦过程消耗；工业发达国家因摩擦磨损造成的损失高达GDP的5%-7%。在微观尺度，由于材料比表面积增大，使得摩擦现象更加显著，界面摩擦成为制约器件性能和寿命的关键因素。解决摩擦磨损问题的根本途径是实现固体界面之间的极低摩擦甚至零摩擦，即超润滑。过去二十年中所发现的超润滑现象主要是在纳米尺度和高真空条件下实现的，实现宏观尺度上的超润滑不仅要求固体表面具有超高的模量，而且要求在宏观尺度上原子级平整，无缺陷与位错，如此苛刻的条件使得人们普遍认为大尺度下几乎不可能实现超润滑。　　碳纳米管从结构上看是由石墨烯卷曲而成，理论研究表明，当碳纳米管存在哪怕只有一个原子级别的缺陷时，其管壁间摩擦力就会急剧增大。经过近十年的努力，魏飞教授团队在制备长达数厘米且无缺陷的碳纳米管的制备方面取得了一系列突破，发展了单根碳纳米管的纳米颗粒标记技术，这些工作为宏观尺度超润滑工作奠定基础。在上述基础上，魏飞团队首先在光学显微镜下通过用微弱气流吹动碳纳米管的方法观察到了碳纳米管管壁之间快速相对运动的奇妙现象，进而利用扫描电镜下的微纳米操纵平台进行双壁碳纳米管内层的可控抽出，并测量了管壁间的超低摩擦力。研究发现，双壁碳纳米管的管壁之间存在着超低的摩擦力，并且这种摩擦力与碳纳米管的长度没有关系，即无论多长的碳纳米管，其内层都可以被轻易地抽出来。　　这项工作被《自然—纳米技术》杂志审稿人评价为里程碑式原创性工作，对于研究和控制摩擦力做出了重大的、创造性的贡献，为下一代全碳电子器件构筑、超润滑机械开发以及超高速微纳米机械、电子器件制备提供了基础。转自塑料问答

科技日报讯 据物理学家组织网9月3日（北京时间）报道，澳大利亚斯威本科技大学和德国埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希·亚历山大大学（FAU）的一个国际研究团队，通过模仿蝴蝶翅膀的微观结构，开发出一种小于人类头发丝宽度的纳米级光子晶体设备，能同时适用于线性和圆形偏振光，使光通信更迅捷更安全。 该光子晶体可以同时分割左、右圆形偏振光，其设计灵感来自于卡灰蝶，也称为黄星绿小灰蝶。它的翅膀里具有三维纳米结构，赋予其充满活力的绿色。其他昆虫也有可提供色彩的纳米结构，但卡灰蝶却有着一个重要的不同。斯威本大学的马克·特纳博士说：“这种蝴蝶的翅膀包含一个互连的纳米级螺旋弹簧巨大阵列，形成了独特的光学材料。我们用这个概念来开发光子晶体装置。” 光子晶体相当于微型偏振分光镜。偏振分光镜用于现代技术，如电信、显微镜和多媒体。但天然晶体只适用于线性偏振光，不能用于圆形偏振光。研究人员利用三维激光纳米技术，使得该光子晶体具有了天然光子晶体没有的特性，从而能适用于圆偏振光。这种微型设备包含了超过75万个微小的聚合物纳米棒。 斯威本大学微光电中心主任顾敏（音译）教授说：“我们相信已经创建了第一个纳米尺度的光子晶体手性分光镜。它有可能成为开发集成光子电路的一种有用的电子元件，在光通信、影像学、计算机信息处理技术和传感中发挥重要作用。该技术为转向纳米光子器件提供了新的可能性，使我们朝着开发可以克服超高速光网络带宽瓶颈的光学芯片更近了一步。” 该研究成果已经发表在最新一期的《自然·光子学》杂志上。（记者华凌） 总编辑圈点 自然比人的想象更丰富。看似无奇的绿光，来自一种光学装置设计者从未见过的复杂结构。卡灰蝶翅膀里的天下无双的怪异阵列，是纯属偶然的基因变异数亿年积累的产物。而有想象力的科学家，在它的启发下，制造出地球上从未存在过的光学奇观。模仿自然的美，是人类创造的原动力。 《科技日报》（2013-09-04 一版）