超薄材料的超能力：在材料科学中，2D是新的3D

真空室，通过X射线光谱仪测量材料的特性-将不同颜色的微小正方形安装在铜支架

上。但是，一些研究人员认为“物联网”还不是很发达。

麻省理工学院电气工程师托马斯·帕拉西奥斯（Thomas Palacios）最近说：“如果我们可以将电子设备嵌入任何地方，该怎么办？” -如果我们可以从高速公路上安装的太阳能电池板中获取能量，并且可以在隧道和桥梁中安装称重传感器来监控混凝土的状况，该怎么办？如果我们可以向外看并在玻璃上看到天气预报怎么办？还是将追踪人体健康的电子设备嵌入夹克中？”

2019年1月，帕拉西奥斯和他的同事在《自然工作》杂志上发表了文章对本发明的描述，能够使这一未来更加接近：一种天线，可以越来越多地吸收其中的Wi-Fi，蓝牙和手机，并有效地将其转化为可用的电能。

这项技术的关键是一种有前途的材料：硫化钼 MoS ₂置于厚度仅为三个原子的平坦层中。在工程界，几乎不可能做得更好。

如此小的厚度是有用的。例如，使用MoS _2，您可以覆盖桌子的表面，将其变成不需要电线的笔记本电脑充电器。

从研究人员的角度来看，二维材料将成为“万物互联”的支柱。他们将“涂漆”桥并使它们成为监视载荷和裂缝的传感器。它们将被施加在具有透明层的窗口上，该透明层仅在显示信息时才可见。而且，如果该团队成功创建了一种吸收无线电波的设备，它将能够为无处不在的电子设备供电。未来看起来越来越平坦。

加州劳伦斯伯克利国家实验室分子工厂的二维材料研究员杰夫·厄本（Jeff Urban）说：“对该主题的兴趣正呈指数级增长。” “你不能这样说。”


Thomas Palacios认为电子的未来在于平面


麻省理工学院的工程师用石墨烯（二维碳型


Palacios 碳纳米管）制造了微小的电子电路，其中的气泡包含数千个微电子石墨烯电路


。Palacios实验室的研究员Yuxuan Lin正在准备使用二维电路的设备

平面设计可打开所有门

二维化学的时尚始于2004年，当时曼彻斯特研究所的两名研究人员使用胶带将石墨中的碳原子剥离成单个原子厚的膜以生产石墨烯。石墨烯的成分与石墨和金刚石相同，但其厚度较小，因此具有非常特殊的性能：它具有柔韧性，透明性，极强的强度，并且导电性能非常好。

研究人员立即开始用它制作各种新的和改进的小工具。几家公司已经发布了耳机，其中的振动膜（一种在音频设备中再现声音的振动膜）由石墨烯组成。一些油漆制造商在其配方中添加了石墨烯，以使涂层保持更长的时间。 10月，华为推出了功能强大的大型Mate 20 X手机，该手机使用石墨烯来冷却处理器。三星使用石墨烯来开发具有加速充电功能的电池，并且它可能会在不久的将来出现在手机上。

Urban使用二维材料来改善燃料电池的性能，这是“清洁”燃料用于“环境友好”运输的一种选择。大多数燃料电池都由氢气产生电能，但是即使在高压下，氢气所占的空间也要比能量含量相当的汽油多几倍，因此，在汽车中使用氢气变得不切实际。

相反，Urban将氢原子引入密度比气体密度高很多倍的固体材料中。 3月，他和他的同事宣布了一种新型的存储设备：微小的镁晶体包裹在窄条状的所谓石墨烯纳米带。他们发现，以这种方式存储的氢气产生的能量几乎与相同体积的汽油一样多，而重量却轻得多。

Urban将这一过程与烘焙带有巧克力片的饼干进行了比较，巧克力片的作用是保持氢的镁。他说：“我们需要包含尽可能多的巧克力片的饼干，”而石墨烯纳米带可以制成出色的饼干面团。纳米带还帮助氢快速进入和离开镁晶体，将氧气保持在外部，与氢争夺晶体内部的位置。

Urban在位于穹顶下的高级光源实验室中研究超薄材料的世界，该实验室可欣赏到旧金山市和海湾的全景。在这里，电子几乎以光速散布，产生强大的X射线，可用于精细感应材料的原子结构。

在ALS上，厄本和他的同事们弄清楚了石墨烯如何包裹镁并附着在镁上。两种材料的这种连接保证了复合材料在长时间内的稳定性-这是在实际条件下使用该化合物的重要属性。加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室分子工厂的二维材料研究员杰夫·厄本（Jeff Urban），


高级光源实验室





实验的燃料电池的帮助测量各种条件下（当暴露于气体，液体，太阳光，或化学品），使用软X射线辐射用X射线分析法下的超细材料的性能。辐射


专家，Y-盛流，城市的团队成员之一，使用控制器来设置将要照射X射线的材料样本的位置

其他研究人员将叠层中折叠的材料的超薄层堆叠起来，以获得三维块，其性质ichayutsya可以从常规材料的二维和三维中获取。

加州大学伯克利分校的化学家夸瓦纳·贝迪亚科（Kwabena Bedyako）去年在《自然》杂志上发表了一项研究，描述了她和她的同事如何将锂离子放置在包括石墨烯在内的二维二维材料之间。

她说：“我们先从一片面包开始，再撒上蛋黄酱，放到奶酪上，然后放到火腿上。” “您可以重复任意多次，然后得到一个三明治。”

通过改变电池堆的层数，研究人员能够微调锂的存储过程，这可以导致创建用于电子设备的新型大容量电池。

麻省理工学院材料科学博士学位的西宁Z博士最近发现了一种出乎意料的简单方法，即使用明胶来将二维材料彼此叠放，明胶是一种使果酱和棉花糖具有其结构的产品。他和他的同事们将明胶，金属离子和水混合在一起。明胶形成了多层结构（通常在形成果冻时发生），从而使金属离子形成了层状结构。明胶中的一部分碳与金属反应，生成二维的金属碳化物叶片；它们充当催化剂，帮助将水分离为氧气和氢气-此过程可用于燃料电池发电。

“我不能说这项技术是粗糙的，因为如果您考虑一下，结果证明它是相当优雅的，”以前在分子工厂工作的内特·霍奇曼说。“一切都出现在高科技与低端技术的交汇处。”

使材料更薄

如果二维材料正在蓬勃发展，那就是新加坡的南洋理工大学刘铮实验室。新加坡正努力成为一个“花园城市”，这个小国正在积极地用绿色植物填满其领土，其中包括大学，现代建筑的各个角落都种有花园。

郑认为他的研究是种植植物方法的变化。 “我是园丁，”他说。 -我有一个带有各种颜色的二维花园。他们都很漂亮。”

去年，Zheng及其同事大大扩展了他们的花园，用一种叫做过渡金属硫属化物的复合材料创建了数十种新的二维材料。（过渡金属硫属元素化物，TMC）。一个关键的发现是使用食盐降低金属的熔点。结果，可以蒸发金属，使其以薄膜形式沉积。


刘郑的南洋理工大学实验室中，两维材料的层被放置在硅衬底上并储存在容器中。


南洋理工大学在新加坡。


在郑的实验室，化学蒸汽通过在硅衬底上的二维层在石英管沉积。


仪器的仔细控制和监测气体流的进入石英管管

“一旦我的学生告诉我：我可以用盐水做TMC，”郑说。 - 我很惊讶。多年来一直是我的梦想。”

郑的填充实验室中的一个架子上塞满了透明的密闭容器。具有二维材料沉积物的硅衬底存储在此处。薄膜通常根据材料晶体的几何结构形成可见的三角形或六边形。

放完胶片后，Zheng的团队搬到附近的实验室来仔细研究所得的结构。整个房间的大部分空间都被一台四米高的透射电子显微镜所占据，重量为一吨半，是观察单个原子的巨大装置。

许多TMC，包括MoS ₂吸收无线电波的Palacios可能适用于各种工业应用。来自新加坡实验室的二维硒化铂硒可以用来生产更便宜的燃料电池，该燃料电池通常使用铂，铂将氢原子的质子与电子分开。郑说，改用二维硒化铂可以减少99％的铂用量。南洋理工大学已经在与制造商讨论技术的商业化。到目前为止，未来还不完全是二维的，但已经接近于此。

郑说：“我看到这种材料的巨大商业潜力。” “我们会严重影响市场。”


来自二维碳纳米片的Urban柔性热电器件。热电设备从环境中吸收能量并将其转化为可用电能。

Source: https://habr.com/ru/post/undefined/