碳納米材料取得突破 工業化製成廉價自感材料有望
2020-11-28 前瞻網碳納米材料取得突破 工業化製成廉價自感材料有望
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碳納米材料在工業應用方面取得突破，斯科爾特科技公司實現在聚合物基體中添加碳納米顆粒製備可以自診斷監測多功能材料，研究成果發表在《複合材料結構》雜誌上。這是一個多階段項目的一部分，最終目標是創造可利用現有工業製造路線整合和生產的自感材料。
隨著全世界內對聚合物複合材料性能要求逐年提高，碳納米顆粒受到了越發廣泛的關注。研究表明，少量添加這種物質，就可以讓材料機械性能大幅提高，並使其自然具備壓阻導電性。然而，碳納米顆粒的大規模生產仍受限制，需要密集的設備升級。
新研究探討了碳納米顆粒的加入對聚合物基體導電性的改變，以及在機械加載過程中，這種導電性本身是如何因為材料受力形變而變化的。反過來說，這就不再需要複雜的監測技術，只需一個萬用表就行。
基本上，這種材料的使用有可能取代飛機等系統中的傳感器，而這種材料本身能夠提供測量結果。相同的材料和生產路線可用於製造用於電路印刷、電磁屏蔽和專用溫溼度傳感器等應用的導電材料。
碳納米材料是早前材料學領域比較火熱的項目，它指的是分散相尺度至少有一維小於100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子組成，也可以由異種原子(非碳原子)組成，甚至可以是納米孔。納米碳材料主要包括3種類型：碳納米管、碳納米纖維、納米碳球。
由於碳納米材料的尺寸較小，因此具有常規散裝材料無法比擬的性能，包括高強度重量比(即強度高但重量輕)以及卓越的電氣連接性。其具備獨特的強度和導電性，被認為有可能取代計算機晶片中的矽。
碳納米管電晶體的電氣功能和CMOS 電晶體很接近，同樣都有柵、源、漏極，其溝道則是由碳納米管構成。與CMOS電晶體類似，通過在碳納米管的柵源漏極加電壓可以改變碳納米管的電流，從而形成電路。
IBM目前就專門投入了大量資源，開發用於計算機晶片的碳納米管，還取得了數百項專利。
今年5月，北京大學研究團隊研發出了全新的提純和自組裝方法，可以製備高密度高純半導體陣列碳納米管材料，並且首次開發出了性能超越同等柵長矽基CMOS技術的電晶體和電路，展現出碳管電子學的優勢。相關研究發表在了《科學》上。
不過，大規模生產是一個至關重要的問題。
半導體行業已經在矽中投入了數萬億美元，相關企業不會離開這塊利潤豐厚的領域。
操縱碳納米管中數十億個微小結構是非常困難的，因為必須控制納米管的取向以利用其獨特性質。在廣泛採用之前，需要改進生產方法以提供均勻，無缺陷的碳納米管。
編譯/前瞻經濟學人APP資訊組
參考資料：
[1]https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-11/sios-cna112320.php
[2]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263822320331706
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