徐堅(jiān)教授:材料科學(xué)成為人類進(jìn)步的強(qiáng)大“引擎”
2010-02-04 來(lái)源:中國(guó)聚合物網(wǎng)
2009年材料科學(xué)最引人注目的事件莫過(guò)于瑞典皇家科學(xué)院因高錕等三人在“用于光學(xué)通信的光在纖維中傳輸?shù)耐黄菩猿删汀,將今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了他們。10月6日諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)如此形容高錕等在光學(xué)通訊上取得的開創(chuàng)性成就:“光流動(dòng)在細(xì)小如線的玻璃絲中,它攜帶著各種信息數(shù)據(jù)傳遞向每一個(gè)方向,文本、音樂、圖片和視頻因此能在瞬間傳遍全球。”實(shí)際上,早在上世紀(jì)30年代,已有用于內(nèi)窺鏡傳導(dǎo)光線的光纖,但由于光線在傳輸過(guò)程中損耗率過(guò)高,傳輸光信號(hào)的光導(dǎo)纖維一直沒有取得進(jìn)展。1966年7月,高錕領(lǐng)導(dǎo)的課題小組在深入研究了玻璃介質(zhì)傳輸損耗后,在《英國(guó)電機(jī)工程師學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)》上發(fā)表了研究論文——《介電波導(dǎo)管的光波傳送》,開創(chuàng)性地提出制造光導(dǎo)纖維主要材料的玻璃純度是減低光能損耗的關(guān)鍵,熔煉石英正是可以制造高純度玻璃的材料。
1971年首條1公里長(zhǎng)的光導(dǎo)纖維問世,第一個(gè)光纖通訊系統(tǒng)也在10年后投入應(yīng)用;在隨后短短幾十年間,全球光纖總長(zhǎng)度已超過(guò)10億公里,并以每小時(shí)增加數(shù)千公里的速度擴(kuò)展,這一技術(shù)發(fā)明標(biāo)志著通訊革命的晨曦,使人類真正地進(jìn)入了信息時(shí)代,從而改變了全球通訊的面貌。如今,人們可以在互聯(lián)網(wǎng)中暢游、欣賞高清晰電視轉(zhuǎn)播節(jié)目、與千里之外的友人通話,或者躺在病床上接受胃鏡檢查,這些徹底改變著人類的生活方式,主要?dú)w功于英籍華裔科學(xué)家高錕發(fā)明的“光導(dǎo)纖維”。
2009年的十大科技成就中,美國(guó)科學(xué)家用直線加速器相干光源在世界上首次制成超快X射線激光,這是一種強(qiáng)有力的研究工具,能對(duì)進(jìn)行中的化學(xué)反應(yīng)拍攝快照,改變材料的電子結(jié)構(gòu)。令人矚目的是,中國(guó)上海同步輻射光源在歷經(jīng)數(shù)年的建設(shè)后,2009年投入正式運(yùn)行,作為世界上第三代同步輻射裝置,為中國(guó)和世界材料科學(xué)和技術(shù)研究提供了強(qiáng)有力的手段和工具。
石墨烯(Graphene)被《科學(xué)》列為2009年十大科技進(jìn)展之一,這是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種新型碳材料,可成為構(gòu)建其他維度碳材料(如零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨等)的基本單元。石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能,有望在高性能納電子器件、復(fù)合材料、場(chǎng)發(fā)射材料、氣體傳感器、能量?jī)?chǔ)存等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,石墨烯正迅速成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一,其中包括制備大尺寸石墨烯薄膜、研制全新器件和石墨烯電子器件等。
隨著對(duì)其性質(zhì)研究的不斷深入,有可能成為電子行業(yè)硅材料升級(jí)換代的一類新材料。
美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校在甲烷和氫的混合氣中通過(guò)化學(xué)氣相沉積法在銅箔上制備出石墨烯,首次證明在平方厘米區(qū)域內(nèi)幾乎全被單層石墨烯覆蓋,開發(fā)出可以在一系列有機(jī)溶劑中制備分散的、化學(xué)改性的石墨烯薄片的新方法。美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校將氧化石墨紙置于純肼溶液中,將氧化石墨紙還原成單層石墨烯電導(dǎo)材料,面積達(dá)到20μm×40μm,產(chǎn)量是以前化學(xué)方法三倍以上。韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)在石墨烯層上規(guī)整排列ZnO納米棒,制備出一種新型的ZnO-石墨烯雜化結(jié)構(gòu),光透過(guò)率達(dá)70%~80%。IBM Thomas J. Watson研究中心研發(fā)出速度最快的石墨烯晶體管,工作頻率為26 GHz。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)通過(guò)對(duì)石墨烯進(jìn)行可逆加氫制備出一種全新的石墨烷材料(graphane)。
2008年2月,日本東京工業(yè)大學(xué)Hideo Hosono教授的研究小組發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)材料LaO1-xFxFeAs的臨界溫度可以達(dá)到26 K,這一突破性進(jìn)展開啟了科學(xué)界新一輪高溫超導(dǎo)研究的熱潮。隨后,科研人員在這一體系中展開了積極的實(shí)驗(yàn)和理論研究。中國(guó)的科研機(jī)構(gòu),特別是中國(guó)科學(xué)院迅速開展了卓有成效的研究工作,在這一輪的高溫超導(dǎo)研究中占據(jù)了重要位置。有關(guān)鐵基超導(dǎo)材料在2009年更多是側(cè)重于其性質(zhì)的基礎(chǔ)理論解釋。隨著超導(dǎo)溫度的不斷提高,對(duì)其背后隱藏的科學(xué)原理的深入探究是超導(dǎo)材料領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)展的推動(dòng)力之一。
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