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芝加哥大學(xué)化學(xué)家的一項(xiàng)新突破有望被用來(lái)產(chǎn)生未來(lái)的設(shè)備，如下一代顯示器和太陽(yáng)能電池。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，技術(shù)構(gòu)件已經(jīng)變得越來(lái)越小了。但是，為了創(chuàng)造未來(lái)幾代的電子產(chǎn)品--如更強(qiáng)大的手機(jī)，更高效的太陽(yáng)能電池，甚至是量子計(jì)算機(jī)--科學(xué)家們將需要在最微小的尺度上提出全新的技術(shù)。
一個(gè)感興趣的領(lǐng)域是納米晶體。這些微小的晶體可以將自己組裝成許多配置，但是科學(xué)家們一直難以弄清楚如何使它們相互“交談”。
一項(xiàng)新研究介紹了使納米晶體在電子方面共同運(yùn)作的一個(gè)突破。這項(xiàng)研究于3月24日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，可能為未來(lái)具有新能力的設(shè)備打開大門。
論文的通訊作者、芝加哥大學(xué)教授德 Dmitri Talapin說(shuō)：“我們稱這些為超級(jí)原子構(gòu)件，因?yàn)樗鼈兛梢再x予新的能力--例如，讓相機(jī)看到紅外線范圍。但是直到現(xiàn)在，要把它們組裝成結(jié)構(gòu)并讓它們相互‘交談’是非常困難的。現(xiàn)在，我們第一次不必再做選擇。這是一個(gè)變革性的改進(jìn)。”
化學(xué)博士生、該研究的第一作者之一Josh Portner說(shuō)，在他們的論文中，科學(xué)家們提出了設(shè)計(jì)規(guī)則，這應(yīng)該允許創(chuàng)造許多不同類型的材料。
科學(xué)家們可以從許多不同的材料中生長(zhǎng)出納米晶體：金屬、半導(dǎo)體和磁體將各自產(chǎn)生不同的特性。但問(wèn)題是，每當(dāng)他們?cè)噲D將這些納米晶體組裝成陣列時(shí)，新的超級(jí)晶體會(huì)在周圍長(zhǎng)出長(zhǎng)長(zhǎng)的“毛發(fā)”。
這些“毛發(fā)”使得電子很難從一個(gè)納米晶體跳到另一個(gè)。電子是電子通信的信使；它們輕松移動(dòng)的能力是任何電子設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵部分。
研究人員需要一種方法來(lái)減少每個(gè)納米晶體周圍的“毛發(fā)”，這樣他們就可以把它們包得更緊，并減少中間的空隙。芝加哥大學(xué)化學(xué)和分子工程系歐內(nèi)斯特-德威特-伯頓杰出服務(wù)教授、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室高級(jí)科學(xué)家 Talapin說(shuō)：“當(dāng)這些空隙只有原來(lái)的三分之一時(shí)，電子跳過(guò)的概率就會(huì)高出10億倍左右。它隨距離的變化非常強(qiáng)烈。”
為了剃掉這些“毛發(fā)”，他們?cè)噲D了解在原子水平上發(fā)生了什么。為此，他們需要阿貢的納米材料中心和SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的斯坦福同步輻射光源的強(qiáng)大X射線的幫助，以及強(qiáng)大的模擬和化學(xué)和物理學(xué)的模型。所有這些使他們能夠了解在表面發(fā)生了什么，并找到利用其生產(chǎn)的關(guān)鍵。
生長(zhǎng)超級(jí)晶體的部分過(guò)程是在溶液中完成的，也就是說(shuō)，在液體中。事實(shí)證明，隨著晶體的生長(zhǎng)，它們經(jīng)歷了一個(gè)不尋常的轉(zhuǎn)變，其中氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)相全部共存。通過(guò)精確控制該階段的化學(xué)反應(yīng)，他們可以創(chuàng)造出具有更硬、更細(xì)的外表的晶體，這些晶體可以更緊密地?cái)D在一起。 Portner說(shuō)：“了解它們的相行為對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的飛躍。”
完整的應(yīng)用范圍仍不清楚，但科學(xué)家們可以想到該技術(shù)可能導(dǎo)致的多個(gè)領(lǐng)域。Talapin說(shuō)：“例如，也許每個(gè)晶體可以成為量子計(jì)算機(jī)中的一個(gè)量子比特；將量子比特耦合成陣列是目前量子技術(shù)的基本挑戰(zhàn)之一。”
Portner還對(duì)探索超級(jí)晶體生長(zhǎng)過(guò)程中看到的不尋常的中間物質(zhì)狀態(tài)感興趣。“像這樣的三相共存是非常罕見(jiàn)的，以至于思考如何利用這種化學(xué)特性并構(gòu)建新材料是非常有趣的。”
這項(xiàng)研究包括來(lái)自芝加哥大學(xué)、德累斯頓工業(yè)大學(xué)、西北大學(xué)、亞利桑那州立大學(xué)、SLAC、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家。
該研究部分是在美國(guó)能源部的能源-水系統(tǒng)先進(jìn)材料中心、中西部計(jì)算材料綜合中心、阿貢的納米材料中心和SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的斯坦福同步輻射光源進(jìn)行。
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