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直接用原子制造出新材料

导读: 事实上,在接近原子尺度上,材料具有的独特和潜在的电气、光学和可拉长性质,在使用常规的工艺方法制造成毫米级或厘米级材料和系统后,往往会消失。如何将原子尺度所具有的极具应用价值的材料特性保留下来,是目前材料科学界攻关的难点。

  研究发现,材料在纳米水平(接近原子尺度)上所表现出的特性很难保留和开发。事实上,在接近原子尺度上,材料具有的独特和潜在的电气、光学和可拉长性质,在使用常规的工艺方法制造成毫米级或厘米级材料和系统后,往往会消失。如何将原子尺度所具有的极具应用价值的材料特性保留下来,是目前材料科学界攻关的难点。

  美国国防部先进研究计划局(DARPA)最为重要的组成机构——国防科学办公室(DSO)近日宣称,该局已经设立一系列研究项目,以期尽快实现将原子尺度所具有材料特性保留下来这一目标。从下面这些具体研究项目中,或可见未来新材料研究方向转变的端倪。

  原子到产品(A2P)

  “原子到产品”研究项目的目标是,研制出一种装配方法,使制造出的大尺度材料、组件和系统能够保留纳米级材料的性能。

  目前,科学家在研制新材料时大多使用不同的“混合、加热和组合”方法,DARPA项目经理迈因说:“现在我们正使用一种完全不同的方法,即从单个原子开始,直接将它们装配成纳米结构,然后再将这种纳米结构组装成更大的微器件。”他指出,“原子到产品”项目组已拥有控制纳米尺度组装的新方法,可以非常快速地生产建造出具有经济价值的先进微器件。

  具有可控微结构架构材料(MCMA)

  DARPA还在研究另一种方法,以制造出具有特殊功能的新材料,该项目名为“具有可控微结构架构材料”。MCMA正在寻求控制材料微结构架构的方法,以改善结构效能,实现那些传统上在单一物质中难以同时获得的功能,如钢的力度和塑料的重量。

  材料转换(MATRIX)

  控制材料内部纳米构架的一个潜在好处是,可以使材料自己实现催化反应或能量转化,并有效转变成器件,这也是DSO“材料转换”项目的最终目标。与A2P类似,它是为转换开发出一种新材料,实现从一种形态到另一种形态的能量转换,以便在器件和系统水平实现新材料的有用功能。材料转换对于海陆空和太空军事能力的提高非常重要,但目前许多材料在实验室中的功能均难以在现实需要中发挥出来。MATRIX的目标就是把实验室中的功能转化尽快在现实环境下实现。

  MATRIX目前集中了建模、设计和制造领域的科研人员,正在开发一种统一的研发方法,希望在材料与器件领域架设起一座桥梁。研究成果将改善能量采集、热处理和冷冻设备的效率,使传感器、引动装置和无线电设备更加高效。

  延伸固体(XSolids)

  “延伸固体”项目致力于特殊材料的研制,通常这类材料只能在超高压(百万大气压)状态下制造和存在。由于在不同的压力下,许多材料的物理、机械和功能特性等将发生巨大改变,因此,新材料的发现和制造多基于高温的应用,而高压化学(或称气压化学)的发展为新材料的发现和制造开启了一个新时代。

  DARPA在50年前就建立起多学科实验室,把器件和材料相关领域的专家集中到一起。DSO负责人汤普金斯认为,这些研究项目反映出未来新材料研究方向的根本改变,即从大块头处理(bulk-process)转变为构架材料,这种改变表明材料开发新的“设计师时代

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