纳米材料

爱尔兰科学家在纳米材料结构分析领域取得突破

据报道，近日，《科学》杂志发表了爱尔兰圣三一大学牵头完成的一项研究成果：纳米铜膜表面不可能是平的。文章指出，构成铜表面的晶体颗粒不可能完美契合，相互之间有倾斜和角度变化，造成错位和表面粗糙。英国、美国科学家和英特尔公司的研究人员也参与了此项研究。

材料的电子、温度和机械等特性一般是由组成材料的晶粒的构成方式决定的。过去普遍认为这些晶粒象积木块一样组合起来，相互之间会有些隙缝。爱尔兰的研究人员重点研究了集成电路中广泛使用的纳米级金属铜，用扫描隧道显微镜测量其三维结构，包括相邻晶粒间的角度，发现晶粒间是有旋转角度的。因此，纳米膜的表面不可能是绝对平滑的。

这项研究将对纳米级材料的设计产生前所未有的影响。课题组找到了如何通过控制晶粒的旋转从而操控材料性能的方法。如通过设计减少电阻，从而延长手机等移动终端的电池寿命。除消费类电子产品外，该项研究对医学植入和诊断等也有应用价值。（科技部）

石墨烯-陶瓷超材料在传感器和热防护领域显示出应用前景

在美国空军研究实验室资助。美国普渡大学开发出一种新的轻质、耐火、超弹的石墨烯-陶瓷复合材料。这种材料不仅具有高强度，同时具备导电和隔热性能，在传感器、热防护系统等领域具有广泛应用前景。

这种材料比羽毛轻，密度相当低，具有非常高的比强度。该材料将氧化铝纳米层与石墨烯结合在一起，这2种材料都是脆性的。这种脆性通过超材料蜂窝微观结构来中和。这种蜂窝微观结构可以提供超弹性和结构完整性。一般而言，石墨烯暴露在高温下，易发生性能降低。但是陶瓷和铝氧化物可以耐热耐火，这种特性可用于飞机的热防护。此外，这种复合材料的轻质、高强和冲击吸收性能，使得该材料适用于制造柔性电子设备和大型应变传感器的基板。

研究人员表示，鉴于这种材料的高导电性以及优异的热绝缘性能，其可用作阻燃剂，热绝缘涂层，传感器和将热转化为电的设备。

目前陶瓷基的组件具有多功能的应用，包括热防护蒙皮、智能传感器、电磁波吸收体以及抗腐蚀涂层。然而。陶瓷基的材料存在几个基本的瓶颈，阻碍了它们作为结构和功能组件的应用。

这种多功能陶瓷-石墨烯超材料由微观结构提供超弹性和结构鲁棒性。这种微观结构是分层级的蜂窝结构，由多层纳米层蜂窝单元作为基本弹性单元。这种超材料显示出一系列优异性能，同时具备陶瓷和陶瓷基復合材料不同的结构。

这种复合材料由内连通的石墨烯夹层单元加载陶瓷层之间构成。石墨烯气凝胶与陶瓷层之间通过原子层沉积方式实现化学连接。研究人员小心控制石墨烯气凝胶的几何形貌，然后再上面沉积一层非常薄的陶瓷，于是气凝胶的力学性能实现多功能化。这项工作使得石墨烯成为一个更加多功能的材料。下一步是将该工艺扩大到工业生产尺度。（航空工业发展研究中心）

石墨烯上成功制备可控纳米孔

据报道，俄罗斯国家研究型工艺大学（NUST MISIS）的专家，与其他国家物理学家组成的国际小组共同开展一系列快重离子辐照石墨烯实验。结果显示，可以通过这种方式在石墨烯上制备直径可控的纳米孔。

NUST MISIS客座教授、物理数学副博士阿尔卡季·克拉舍宁尼科夫解释说：“现在的石墨烯研究，就是研究如何控制其特性变化。而‘控制石墨烯制造结构，能够显著改变其电子和传导特性，而改变结构的一个方法，就是用不同元素离子辐照石墨烯。”

此次实验中，科学家用大量高能碳、氧、碘、金、钽和氙离子辐照石墨烯，结果显示，改变离子能量能够在石墨烯上制备直径为1～4nm的小孔。

据预计，在石墨烯上定制纳米孔，可使其光谱重新排列为半导体光谱，进而能够应用于电子产品。（科技日报）

石墨烯材料在分子器件中的应用取得新突破

石墨烯被公认为目前自然界最薄、强度最高、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，它的出现已经掀起了一场颠覆性新技术新产业革命。北京市自然科学基金聚焦科技前沿，鼓励科研人员开展新型纳米材料的相关研究，为新技术新产业的发展提供不竭动力。

设计构筑稳定可控的单分子器件，探索其与微电子工艺的兼容性，一直是分子电子学领域科学家们关注的焦点。北京大学郭雪峰教授团队在北京市基金面上项目“石墨烯导电材料在纳米/分子器件中的应用基础研究”的资助下，开展了面向未来器件研发的探索性研究，原创性地发展了以石墨烯为电极，通过共价键连接的稳定单分子器件的关键制备方法，解决了单分子器件制备难、稳定性差的难题。

正是这些基础研究成果的积累，使团队最终突破了半导体器件微小化发展的瓶颈，通过功能导向的分子工程学，成功地克服了二芳烯分子与石墨烯电极间强耦合作用的核心挑战性问题，从而突破性地构建了一类全可逆的光诱导和电场诱导的双模式单分子光电子器件。

这项研究工作使得在中国诞生了世界首例真实稳定可控的单分子电子开关器件，为将功能分子应用到实用电子器件中迈出了关键的一步，在未来高度集成的信息处理器、分子计算机和精准分子诊断技术等方面具有重大的应用前景。这项科学成果发表在国际顶级期刊《Science》上，并被同期配发评述认为“该研究展示了在纳米尺度上对物质的精致控制”，入选了2016年度中国科学10大进展。（科技日报）

中科院专家成功研制石墨烯“防腐外衣”

据报道，从中国科学院获悉，该院宁波材料技术与工程研究所王立平研究员和薛群基院士团队成功研制出拥有自主知识产权的新型石墨烯改性重防腐涂料——这层石墨烯“防腐外衣”，有望让钢铁材料“抵御”来自热带海洋环境下高盐、高湿及高温的侵袭。

腐蚀是新兴海洋工程、海岛工程等领域装备、设施安全性和服役寿命的重要影响因素之一，尤其热带海洋开发和基础设施建设，面临着严峻的腐蚀危机，使我国重大工程和装备的可持续发展受到影响。仅2014年我国腐蚀总成本就超过2.1万亿元人民币，约占当年GDP的3.34%。

当然，人们并不缺乏控制腐蚀的方法，比如，在钢铁材料中调整化学元素成分和微观结构，使其成为耐腐蚀材料，等等。还有一种是使用重防腐涂料，以减小腐蚀破坏，保障苛刻腐蚀环境下装备和设施可靠性和服役寿命。王立平和薛群基团队就以“石墨烯”为材料研制重防腐涂料。

按照王立平的说法，石墨烯是目前自然界最薄的二维纳米材料，阻隔与屏蔽性能非常优异。通过引入石墨烯能够增强涂层的附着力、耐冲击等力学性能和对介质的屏蔽阻隔性能，尤其是能够显著提高热带海洋大气环境中服役涂层的抗腐蚀介质（水、氯离子、氧气等）的渗透能力，在大幅降低涂膜厚度的同时，提高涂层的防腐寿命。

经过数年技术攻关，王立平和薛群基团队成功突破石墨烯改性防腐涂料研发及应用的4大技术瓶颈，开发出石墨烯“防腐外衣”。目前该成果已通过中国腐蚀与防护学会鉴定，关键技术指标盐雾寿命超过6 000h，处于国际领先水平，相关成果已经由宁波中科银亿新材料有限公司实施产业化，目前已定型的8大类产品已经在电力设施、船舶、石油化工装备等领域实现了规模应用。

王立平告诉记者，我国拥有高达2 000亿元的防腐涂料市场，其中重防腐涂料需求年均增速超过20%，不过由于没有形成自主知识产权技术，缺乏相应技术标准，以前70%的重防腐涂料市场被外资品牌垄断。如今国产石墨烯“防腐外衣”的成功研制，也有望改变我国重防腐涂料被国外产品垄断的市场格局。（中国青年报）

纳米银产品安全性评估取得新进展

作为首都科技创新的重要推动力量，“十二五”期间，北京市自然科学基金有效发挥导向作用，积极推动基础研究紧密对接行业发展和社会需求，鼓励科技人员研究关键技术和方法，制定行业标准，促进优秀基础研究成果转化应用，为全国科技创新中心建设贡献力量。

许多新型产品因为缺乏安全性和有效性的标准化评估，限制了它们的广泛应用。北京市自然科学基金着重引导科研人员在关系国民经济与社会发展的重要行业，制定行业标准，规范产品生产和使用，推动社会经济的持续发展。

纳米银具有广谱、高效、持久的杀菌能力，能够加快伤口愈合且无耐药性，是当前治疗烧烫伤最有效且被普遍应用的医疗用品之一。但是临床应用发现纳米银颗粒（AgNPs）可能会从产品上脱落，通过伤口进入血液，影响血液正常生理功能，甚至对心血管系统造成潜在危害。而我国目前尚没有针对纳米银毒性、安全性的统一检查标准，同时在临床使用上也缺乏规范，因此，系统研究AgNPs毒性效应产生的机理，确定纳米银在使用过程中的安全劑量，对于AgNPs作为抗菌材料和医学诊断的安全应用具有重要意义。

国家纳米科学中心陈春英研究员团队在北京市基金项目“纳米银产品的表征方法以及纳米银对心血管系统安全性的研究”的资助下，围绕纳米银相关产品的表征方法、安全性评价以及相关毒性机制展开了深入研究，建立了含银敷料中纳米银的检测与表征方法，在单细胞水平上揭示了纳米银颗粒在细胞内的化学转化过程及毒性产生机制，并建立了以应激途径为安全性评价指标的纳米银颗粒物评价新方法，提出可以通过研究纳米银产品在实际应用中的释放速率与总释放量，达到规范与控制纳米银消费品安全性使用的目标。

在这些研究成果的基础上，团队已经撰写了相关指南，将形成行业标准，为规范产品生产和使用、正确地对含银敷料进行风险评估及合理有效的监管提供科学依据，对指导纳米银产品相关生产厂家的规范性生产具有重要的参考价值，对整个纳米银产品以及相关其他纳米颗粒物产品的应用与发展具有重要意义。（科技日报）

宁波材料所纳米硅基负极材料研究取得进展

据报道，中国科学院宁波材料技术与工程研究所动力锂电池工程实验室自2011年开展硅基负极材料的研究开发，已取得系列进展。2012年报道了一种三维多孔的纳米硅/石墨烯复合负极材料。近日，又报道了一种新型二维纳米硅/二氧化硅复合负极材料。

该工作利用层状结构CaSi2的拓扑转变，在酸性溶液中化学剥离Ca原子，留下单原子层褶皱状硅烯，由于Si原子只存在sp3杂化，硅烯极不稳定，在水溶液中氧化得到亚稳态二维硅氧烯，二维硅氧烯经过合适的热处理条件脱水歧化得到二维纳米硅/二氧化硅复合负极材料，其中纳米硅均匀分散于无定型硅氧化物。二维结构可有效减少锂离子迁移路程，纳米硅和硅氧化物可有效降低了体积膨胀率，因此采用该方法制备的二维纳米硅/二氧化硅复合负极材料表现出优异的循环稳定性和倍率性能。（中国科学院）

披上纳米外衣玄武岩也能导电

“点石成金”的故事，如今在中国科学院新疆理化技术研究所（以下简称“中科院新疆理化所”）的实验室里变成现实。该所研究人员以绝缘材料玄武岩纤维为基底，采用化学气相沉积技术，实现了不同碳纳米材料在玄武岩纤维表面的沉积和生长，使其具备导体特性。

这一实验由中科院新疆理化所和德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所共同合作进行。近日，该研究结果发表在材料领域权威杂志《复合材料A：应用科学与制造》上。

玄武岩纤维是一种以玄武岩为原料，通过熔融拉丝工艺制成的纤维材料。因在强度、耐温范围、生产成本、抗腐蚀性和生产过程环保等方面表现突出，被广泛地应用在过滤材料、建筑材料、纤维增强复合材料等领域。玄武岩矿石属于绝缘材料，这一属性限制了相应的纤维材料在导电领域的应用。

在国家自然科学基金、国家“千人计划”和中德科研合作计划（PPP）等项目的支持下，中德研究团队尝试以玄武岩纤维为基底，利用其本身含有的金属元素并采用化学气相沉积技术，实现了不同碳纳米材料在玄武岩纤维表面的沉积和生长。在最近的实验里，他们通过控制实验条件，高效、可控地在玄武岩表面“生长”出高温裂解碳纳米颗粒涂层或碳纳米管，实现了纤维由绝缘体向导体的转变。

中科院新疆理化所研究员马鹏程介绍，这一研究成果颠覆了传统玄武岩纤维是绝缘材料的概念，实现了导电玄武岩纤维的制备；有望增加玄武岩纤维的功能价值，进一步拓展其应用领域，增加产品附加值。此外，通过对导电玄武岩纤维材料制备方法的一系列研究，已经形成了一种实现层级结构纤维材料制备的新技术，可以对复合材料界面强度进行调节，增强纤维强度。（科技日报）