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材料50年进展 扫描式探针显微镜入选

本站速递中国仪表网2008年01月29日 08:58人气:571

  据《今日材料》杂志20日报道,过去50年来,材料科学领域取得了一系列重大突破,一些科研成果正在改变或者已经改变我们的生活。在所有这些进展中,究竟哪些才称得上最重要的呢?对于这样一个专业性极强的问题,《今日材料》杂志为我们提供了一个相当中肯的答案。在征询了编辑顾问团和业内专家的意见后,这家杂志评选出材料科学50年间十大进展排行榜,上榜者不但可以让人产生浓厚的兴趣,同时也会引发人们的思考。

  当然了,无论什么样的评选都会引发人们的争议,更何况对材料科学。为了尽可能将这种争议降到最低,《今日材料》在评选时采用了相对理性和平衡的做法,上榜的十大进展除了必不可少的研究成果外,也包含了一些相关的研发计划和指导方针。令人不得不吃惊的是,位列排行榜榜首的并不是某项具体的研究成果,而是一种优先选择研究方向和制定研发计划的方式——《国际半导体技术蓝图》。 
  必须提醒的是,如果你认为材料科学家不过是一群没有被赞颂过的英雄,《今日材料》评选的十大进展排行榜绝对不会受到应有的关注,更不会引发人们的欢呼声。说到底,这个榜单的含金量到底有多少,最终还要取决于你对材料科学的态度。但不管怎么说,《今日材料》的评选结果还是相当公平的,上榜的十大进展正在用自己的方式改变着我们这个世界。材料科学50年间十大进展排行榜榜单如下:
  1.《国际半导体技术蓝图》
  很显然,《国际半导体技术蓝图》(ITRS)并不是一项具体的研究发现,而是一种优先选择研究方向和制定研发计划的方式,但它仍旧是材料科学领域取得的最重要的成就。通过制定有关创新和技术需求的目标,ITRS迫使微电子行业展开激烈竞争,而竞争的结果只有一个,那就是进步。ITRS是科学、技术和经济学结合的产物,很难想象还有什么能比它更能推动材料科学的发展,无论是新材料的研发、产品的加工制造还是设备的设计都成为它的受益者。ITRS之所以成为《今日材料》的第一宠儿的原因在于:电子学在当今世界扮演着至关重要的角色,过去50年来,材料科学所取得的进展的最大体现就是半导体加工技术的不断升级。
  2. 扫描式探针显微镜

  这种扫描隧道显微镜是由IBM苏黎世研究实验室的海因里奇-罗雷尔和格尔德-宾宁发明的,由于这项发明,二人曾在1986年获得诺贝尔物理学奖。扫描式探针显微镜是一种新型显微镜技术,虽然单凭这一点,它就拥有上榜的足够资格,但更为重要的是,这种显微镜的解析度精确到纳米。扫描式探针显微镜问世后不久,原子力显微镜便横空出世,它的出现为人们走进纳米世界打开了另一扇门,对于当前纳米技术的不断普及,它也是功不可没。
  3. 巨磁电阻效应
  2007年,法国科学家艾伯特-费尔和德国科学家彼得-格林贝格尔因在1988年发现巨磁电阻效应荣获诺贝尔物理学奖,因此,将它列入十大进展排行榜一点也不令人惊讶。所谓的巨磁电阻效应是指:当外磁场发生改变时,磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层(几个纳米厚)中的电阻会发生巨大变化。由于IBM研究实验室的努力,巨磁电阻效应最终让硬盘读取磁头发生了革命性变化——使用巨磁电阻技术的读取磁头能够通过电流变化读取存储在硬盘上的磁信息。由于对微磁场高度敏感,巨磁电阻效应让硬盘磁片实现了“大瘦身”。这样一来,硬盘的体积得以不断缩小,但容量却不断变大。
  4. 半导体激光器和发光二极管
  半导体激光器和发光二极管于1962年问世,它的出现是材料科学史上的一个重要事件。如果没有这个家伙,远距离通讯、CD和DVD播放器、激光打印机、条形码阅读器以及固态照明装置只能是一个梦想。不得不提的是,固态照明装置的出现能够为降低能耗作出重要贡献。
  5. 美国国家纳米技术计划
  2000年,克林顿总统揭开了国家纳米技术计划的神秘面纱。这一计划产生了巨大影响,它巩固了纳米技术这一新兴领域的重要性,同时也让这一技术成为物理学最令人兴奋的一个所在。国家纳米技术计划为发展纳米技术提供了巨额资金,同时也为跨学科研究资金筹集方式打开了一扇门,对于世界其它国家来说,这无疑是一个不小的刺激和影响。国家纳米技术计划由26个独立机构参与,2008年的研究预算估计在15美元左右。它是世界上纳米技术研究领域最大的“单一投资者”,过去7年来共投入了70多亿美元。眼下,已有65个国家制定了类似的纳米技术研究计划,业内纳米技术的研发也已走在政府的前面。2007年,全球与纳米技术相关的研发经费已超过120亿美元。
  6. 碳纤维强化塑料
  眼下,现代合成材料已经应用到生活的方方面面,在航空航天、交通运输、包装和土木工程领域,我们随处可以看到它们的身影。在所有合成材料中,碳纤维强化塑料无疑扮演着领导者的角色。碳纤维强化塑料是由高强度、高硬度碳纤维形成的聚合无基体,不但具有较高的坚固性,而且重量较轻。早在上世纪60年代初,科学家便用人造丝、聚丙烯腈和沥青基前体制造碳纤维。而长定向芳香族化合物分子链则赋予碳纤维更高的强度和硬度。基于碳纤维技术不断发展,以及在设计、制造和建模等方面取得的进步,合成材料得以拥有可控制的特性。尽管造价较高,并且在设计、制造和回收方面遇到不小的麻烦,但由于拥有这种特性,碳纤维强化塑料还是得到了越来越多的使用,新波音787年客机的机翼和机身便采用了这种材料。
  7. 锂离子电池材料
  很难想象,如果没有锂离子电池,笔记本电脑和手机将变成什么样子——利用水电解液的充电电池绝不能与拥有更高能量密度的锂电池相提并论。锂电池是在可以满足多方面要求的新型电极材料的基础上出现的,为了提高使用的灵活性,它的阴极采用了中空结构以减少重量。锂电池材料的研究涉及化学和电气化学,上世纪80年代,牛津大学的约翰-古迪纳夫和同事经过不懈的努力,最终研制出负极材料LiCoO2,1991年,索尼公司又研制出碳正极材料,将两种材料组合在一起,我们便得到让便携式设备成为可能的锂离子电池。眼下,锂离子电池负极材料的研发工作仍在继续,为了保护环境并提高能量密度,研究人员放弃了有毒的Co,而采用类似LiFeO4的三维结构。
  8. 碳纳米管
  1991年碳纳米管的发现要归功于日本电气公司的Sumio Iijima,但在此之前,科学家便对它进行过观察。1985年,科学家在一次实验中发现了一种新形态的碳——C60巴基球,虽然兴奋劲儿还没有散去,但Sumio Iijima对新富勒烯管的观察还是引发了科学家浓厚的兴趣。由于拥有独一无二的特性,这些纳米尺度的碳结构已经成为材料科学界最热门的话题。之所以将碳纳米管排在第八位是因为:我们仍需进行大量努力才能实现它的合成、净化、大规模生产并最终组装成相关设备。除此之外,我们尚不能制造拥有相同特性的碳纳米管的统一样品。
  9. 软刻蚀
  软刻蚀技术实际上利用于一个简单的老办法——基于一个重复使用的印章印制图案。这种技术可以应用到很多不同的基片上面,无论是扁平的、弯曲的还是柔软的。更为重要的是,这种技术成本便宜,分辨率可精确到纳米,而且能够被运用到生物工艺学等新兴领域。最初的微接触印刷技术是1993年在哈佛大学乔治-怀特赛德斯的实验室问世的。利用这种技术,我们可以印制出确定的分子图案——组成部分的大小只有30纳米——同时也可实现有机分子的转移。此外,微接触印刷技术也可直接印制固态材料,进而将触角延伸到纳米加工领域。自1993年以来,微接触印刷已经发展成一整套的印刷、制模和压花手段,被形象地称之为“软刻蚀”。所有这些手段都要使用一个弹性印章,以重复印制母板的图案。
  10. 超材料
  新千年之初一个令人兴奋的消息便是,具有负折射率的材料实际上是存在的,它就是我们所说的“超材料”。上世纪60年代,前苏联科学家菲斯拉格便预言,同时具备负渗透率和负电容率的材料便可拥有负折射率。时下,这一预言已成为现实:在穿过超材料时,光线或者微波会朝着“错误的方向”弯曲。第一种超材料是安装在印刷电路板格构上由金属线和开口环构成的一个合成物,这是一种人造的由重复微型元件组成的结构,在设计上拥有特殊性质。至关重要的是,如果超材料的结构在很大程度上小于光的波长,我们仍可以用麦克斯韦的电磁理论描述它的电磁反应:细金属线结构产生千兆赫频率的负电反应;开口环结构产生负磁反应。2000年,加州大学圣地亚哥分校的大卫-史密斯、威利-帕蒂拉和谢丽-斯库特兹第一次将这些结构组合在一起,制造出拥有负折射率的超材料。
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