介观科学,材料制造的新机遇

《介观科学,材料制造的新机遇》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、介观科学，材料制造的新机遇叶晓劼/编译●世间物质，传统的观察视角是原子层面或者宏观层面，但科学家们提出，介于两者之间的一个状态，介观，是物质更值得注意并且对材料制造技术将会有极大影响的一种状态。乔治•克拉布特里，美国材料学家跨越宏观-微观之间的鸿沟，世界上任何材料只要通过两个不同的镜头就可以进行检查——一个是可以观察到物质纳米级结构的镜头，另一个则是可以观察到该物质在日常生活中常规表现的镜头。材料研究人员和其他所谓的“还原主义论者”都渴望观察到原子排列、晶体点阵，以及物质生成所依赖的分子轨道。工程师和“建构主义者”则渴望发现相关材料在现实世界中所定义

2、的属性，从而了解材料之间是如何做到结合、传导、变形、压缩，和毁灭。这两个镜头可以为大家带来未来应用中所需要的新型材料，包括绿色能源生产，新型医疗设备，和消费类电子产品等。也许不是。乔治·克拉布特里（GeorgeCrabtree）说道，同时借助两个极端来观察物质仍有很长的一段路要走，这就是所谓的介观世界。它既不是原子层面也不是宏观层面，而是介于两者之间的一个状态。这几年来自阿贡国家实验室和伊利诺大学芝加哥分校的克拉布特里一直倡导要通过介观世界来发现生产和科研中材料的相关性。在作为第60届加州长滩会议一部分的2013物理论坛上，克拉布特里向与会者抛出了这

3、个议题。如何定义介观科学克拉布特里说道，介观世界的难度在于我们无法通过传统方法进行理解。如何通过第三种滤镜来检查物质状态是最大的挑战。最近几十年，研究人员越来越深入研究材料的微米和纳米特性，通过对分子和原子间相互作用的测试来了解这些反应，从而做到更好地提高材料的整体性能。微米科学家和纳米科学家主要研究两个因素：1）如何通过化学键来将原子的属性和排列进行组合从而构成此种材料和2）如何大规模地定义周期性晶格。“这两种类型几乎囊括了我们所发现的所有材料。”克拉布特里说。理论上即使是非常小的宏观性质上的变化都会从根本上改变物质的性质。一个例子就是由甲烷和四氟

4、化碳。两者都是由一个中心碳原子和外围四个原子包围所构成四面体，外围四个原子每个都绑定单个共价键；区别在于前者是氢共价键;后者是氟共价键。理论上，无论是H还是F原子，围绕中心碳原子四周的外围原子应是相同的。但这两种材料之间的区别还是非常巨大的。甲烷（CH4）在室温下是高度易燃气体，而四氟化碳（CF4）则是液体溶剂，不易燃。在构建大块物质结构中，两者之间的差异也是很明显的。当甲烷碳氢化合物连接到长链聚合物上后，我们得到的是矿物燃料和蜡。将氟与代烃连接在一起，我们得到的是聚四氟乙烯，这是一种非常惰性物质，常应用于不粘锅涂层。克拉布特里说对于晶格也是如此。周

5、期性晶格是纳米级的主要设计主题之一，但材料特性很大取决于晶格本身性质。例如固体材料中带隙的大小，可以决定该材料的属性到底是导体，半导体还是绝缘体。晶格本身的属性——无论是完美，纯静亦或是不连续或参杂，都构成了材料的基本属性。例如，添加微量碳后的铁就会生成钢。添加铬后的钢可以生产出防锈的不锈钢。克拉布特里表示介观世界的困难与挑战，与通常那种对真实世界中宏观物质原子和分子结构的深挖研究是不同的。“介观世界则意味着另一种方法，”他说。“这要通过我们才开始了解的原子和分子层面知识，来对其反应进行控制，而这并不是该物质本身所具有的特性。”介观物质的制造从某种意

6、义上说，解决这些挑战听起来似乎非常简单：那就是只需把所有的纳米粒子、量子点、聚合物块和化学物质，在我们所认识的原子水平层面对其整合，这样设计出的材料就具有我们所需要的新特性。但这不是那么容易的，Crabtree敲醒了人们。对于材料纳米层面的理解，预测和最终控制并不会对介观层面的科研和制造给予多少的便利，因为很多材质的定义属性只有在介观层面才会出现。对于介观世界的科研，克拉布特里预言这需要我们在材料科学问题处理上的根本性转变。为此，美国能源部基础能源科学计划特别成立了一个委员会，并任命克拉布特里为其委员会主席。去年，该委员会对科学和生产上出现的介观状况

7、出具了一份报告。对于出席长滩会议的观众们来说，克拉布特里在报告中为大家介绍了介观中的“六大特点”：1．原子间间距的减少。如果我们将某分子中的单个原子随意移动，那将对物质属性产生巨大的影响。但是，“如果一把沙子中只有一个原子格格不入，那么它的影响非常微小。”克拉布特里说道。2．能量量子化的程度。量化能量可以在纳米级决定该物质材料的基本属性，但增加该材料的长度尺寸也会增大其能级密度，以及与外部环境相互作用的数量和种类。对于大于1000nm的材料块而言，能量电平之间的间距将变得几乎可以忽略不计，这就会酝酿出令人意外的现象。3.集合行为。物质中原子集合行为将

8、与同样材料中单个原子的表现不同。而介观世界就是材料中出现集和行为的地方。4．相互作用自由度。在介观世界中，粒