Lille verden:materialer i atomskala er den næste teknologiske grænse

Hver tidsalder i den menneskelige civilisations historie har et signaturmateriale, fra stenalderen, til bronze- og jernalder. Vi kan endda kalde nutidens informationsdrevne samfund for siliciumalderen.

Siden 1960'erne, silicium nanostrukturer, byggestenene i mikrochips, har sat gang i udviklingen af ​​elektronik, kommunikation, fremstilling, medicin, og mere.

Hvor små er disse nanostrukturer? Meget, meget lille - du kan få plads til mindst 3, 000 siliciumtransistorer på spidsen af ​​et menneskehår. Men der er en grænse:under omkring 5 nanometer (5 milliontedele af en millimeter), det er svært at forbedre ydeevnen af ​​siliciumenheder yderligere.

Så hvis vi er ved at udtømme potentialet i siliciumnanomaterialer, hvad bliver vores næste signaturmateriale? Det er her "atomaterials" kommer ind.

Hvad er atommaterialer?

"Atomaterialer" er en forkortelse for "atomare materialer, "såkaldt, fordi deres egenskaber afhænger af den præcise konfiguration af deres atomer. Det er et nyt, men hurtigt udviklende felt.

Et eksempel er grafen, som er lavet af kulstofatomer. I modsætning til diamant, hvor kulstofatomerne danner en stiv tredimensionel struktur, grafen er lavet af et enkelt lag af kulstofatomer, bundet sammen i et todimensionelt honeycomb gitter.

Diamonds stive struktur er årsagen til dens berømte hårdhed og lang levetid, hvilket gør det til det perfekte materiale til high-end borekroner og dyre smykker. I modsætning, den todimensionelle form af kulstofatomer i grafen tillader elektron at bevæge sig friktionsfrit ved høj hastighed, hvilket giver ultrahøj ledningsevne og enestående mekanisk styrke i planen. Dermed, grafen har bred anvendelse i medicin, elektronik, energilagring, let behandling, og vandfiltrering.

Ved hjælp af lasere, vi kan forme disse atomare strukturer til miniaturiserede enheder med enestående ydeevne.

Ved hjælp af atommaterialer, vores laboratorium har arbejdet på en række innovationer, på forskellige udviklingsstadier. De omfatter:

• En magisk kølende film . Denne film kan afkøle miljøet med op til 10 ℃ uden at bruge elektricitet. Ved at integrere en sådan film i en bygning, elektriciteten brugt til aircondition kan reduceres med 35 %, og sommerens strømafbrydelser stoppede effektivt. Dette vil ikke kun spare elregningen, men også reducere drivhusemissionerne.
• Varmeabsorberende film . Omkring 97 % af Jordens vand er i havene, og er salt og ubrugelig uden dyr forarbejdning. Effektiv fjernelse af salt fra havvand kan være en langsigtet løsning på den voksende globale knaphed på ferskvand. Med en solcelledrevet grafenfilm, denne proces kan gøres meget effektiv.

Filmen absorberer næsten alt det sollys, der skinner på den, og omdanner det til varme. Temperaturen kan øges til 160 ℃ inden for 30 sekunder. Denne varme kan så destillere havvand med en effektivitet på mere end 95 %, og det destillerede vand er renere end postevand. Denne lavpristeknologi kan være velegnet til husholdnings- og industriapplikationer.

• Smart sansefilm . Disse fleksible atommaterialefilm kan inkorporere en lang række funktioner, herunder miljøføling, meddelelse, og energilagring. De har en bred vifte af applikationer i sundhedsvæsenet, sport, avanceret fremstilling, landbrug, og andre. For eksempel, smarte film kunne overvåge jordens fugtighed nær planters rødder, dermed med til at gøre landbruget mere vandeffektivt.
• Ultra tynd, ultralette linser . Den mest omfangsrige del af et mobiltelefonkamera er linsen, fordi det skal være lavet af tykt glas med særlige optiske egenskaber. Men linser lavet med grafen kan kun være milliontedele af en millimeter tykke, og stadig levere fremragende billedkvalitet. Sådanne linser kunne i høj grad reducere vægten og omkostningerne ved alt fra telefoner til rumsatellitter.
• Næsten øjeblikkelig strømforsyning . Vi har udviklet en miljøvenlig superkondensator af grafen, der oplader enheder på få sekunder, og har en levetid på millioner af opladningscyklusser. Ved at fastgøre den på bagsiden af ​​en solcelle, den kan lagre og levere solenergi-genereret energi, når og hvor det er nødvendigt. Du vil være fri og virkelig mobil.

Hvor skal du næste gang?

Det kan tage år for nogle af disse laboratorieteknologier at nå ud i livet. For at forsøge at fremskynde processen, vi etablerede CTAM Global OpenLab for at samarbejde med industrien, den akademiske verden, regeringen og det bredere samfund og fremme deling og samarbejde. The lab was launched earlier this month at the International Conference on Nanomaterial and Atomaterial Sciences and Applications (ICNASA2020).

The world is facing pressing challenges, from climate change, to energy and resource scarcity, to our health and well-being.

Material innovation is more vital than ever and needs to be more efficient, design-driven and environmentally friendly. But these challenges can only be solved by joint effort from worldwide researchers, enterprise, industry and government with a sharing and open mindset.

This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Læs den originale artikel.