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2017年8月15日

将纳米

将纳米 Caroline McNiel的故事插图

从纳米火箭到纳米笼,好的科学可以是小包装的——所有这些都是为了解决真正的大问题。

作者:加布里埃尔·波普金

1959年,著名物理学家理查德·费曼做了一个题为底部有很多空间费曼给他的同行们传达的信息是,纳米世界——在十亿分之一米的尺度上创造和控制物质——几乎没有被探索过。

50多年后,纳米科学出现了爆炸式发展。世界各地的大学都启动了纳米科学中心和计划;美国每年为国家纳米技术计划提供超过10亿美元的资金。爱游戏提现客服超过1600种基于纳米技术的消费产品已经投放市场从高科技涂料和防晒霜到催化剂和人造组织成分。

然而,用费曼的题目来做演讲仍然是合适的。从电子、数据存储到医学,许多科学家认为纳米技术的潜力才刚刚开始被认识到。

“这是一个广阔的领域,仍有新的基础研究出现,”国家高磁场实验室的物理学家维维安·扎夫(Vivien Zapf)说。爱游戏体育是什么爱游戏提现客服“尤其是感知和操纵单个原子的能力是另一个领域。”

科学家们并不是一直都有能够精确研究小尺度物质的工具。具有讽刺意味的是,研究世界上最小的成分往往需要一些最大和最复杂的硬件。(想想看,发现亚原子希格斯玻色子需要27公里,耗资100亿美元的大型强子对撞机。)

纳米科学也是如此。该领域最尖端的一些工作现在正在世界各地的强磁场实验室中完成,在那里,巧妙地利用世界上最强的磁场,正在梳理微观物质的秘密。

纳米笼分压器

纳米笼可能是促进健康和能源发展的关键

1985年,休斯顿莱斯大学的化学家哈里·克罗托和同事们用激光照射一堆石墨,发现了一种奇怪的新分子。它由60个碳原子组成,排列方式与足球相似。

他们将这种新材料命名为巴克敏斯特富勒烯,以富有远见的建筑师巴克敏斯特富勒的测地线圆顶命名;其他人则给它起了一个更吸引人的名字“巴克球”。

这一发现激发了人们对分子独特的机械和电学性质的大量研究,并为其发现者赢得了1996年的诺贝尔化学奖。

今天,佛罗里达州塔拉哈西国家磁实验室的化学家保罗·唐克(Paul Du爱游戏提现客服nk)正在帮助使这些特性变得有用,他一直与克罗托共事,直到他于2016年去世。解析:选C60但当他用激光轰击石墨、金属和其他元素时,会出现其他奇怪而奇妙的形态。

早在1999年,科学家们就意外地发现碳分子由80个原子组成,而不是60个。像C60C80稳定,健壮,对称。但这些更大的巴基球带来了惊喜。在每个分子的内部都有三个叫做钪的金属原子和一个氮原子。C80事实证明,它可以封装其他原子。

纳米扣篮

左图:邓克的研究阐明了石墨、金属和氮在激光作用下蒸发时如何形成碳纳米笼。(资料来源:保罗·邓克);右:保罗·邓克。(资料来源:斯蒂芬·比兰基)

这些“纳米笼子”的发现为使用巴基球运输微小货物提供了可能。例如,钆是一种很好的造影剂,用于医学上常用的磁共振成像(MRI)技术,但它也是有毒的。然而,纳米笼中的钆可以安全地穿过身体到达需要它的地方。

但这里有一个障碍:没有人知道这些纳米笼产生的剧烈、混乱的反应,更不用说如何持续而廉价地制造它们了。

Dunk及其在德克萨斯州和西班牙的合作者正试图改变这一现状。他们将混合了不同金属和其他元素的石墨混合物汽化,并在实验室中研究得到的纳米笼离子回旋共振质谱仪这是一种围绕一块强大的磁铁建造的设备,可以对分子进行称重。在这个机器中,每个分子循环的频率略有不同,这取决于它的质量和电荷。Dunk和他的同事们用这种设备研究了元素周期表中的几乎所有元素,以显示哪些金属原子可以在富勒烯内部定居。

“多样性是惊人的,”他说。

随着磁场强度的增加,质谱法中频率之间的差异变得更加明显,因此国家磁实验室的世界纪录仪器帮助邓克分离和识别他在实验室中产生的巨大的分子多样性。爱游戏提现客服

“使用其他不使用高磁场的质谱法,你无法获得超高分辨率,所以大多数纳米笼基本上是看不见的,也无法检测到,”邓克说。“这种高磁场使我们能够首次探测许多自组装过程,并开发新的纳米笼。它填补了纳米科学的一个巨大空白。”

除了创造新的金属富勒烯,Dunk和他的同事们还通过寻找原始反应物和最终产物之间的假设中间分子来测试这些化合物如何形成的理论。他们已经证明,与许多科学家认为的不同,笼子不会因为更大的碳球而收缩或断裂,而是一个碳原子一个碳原子地在金属周围形成核。他们写的描述这一过程的论文定于今年晚些时候出版。

随着这一认识的提高,研究人员希望为从新型光基电子(或光伏)到分子电子等技术制造集群纳米笼的更可控和更有效的方法铺平道路。

“有很多新的结构,具有独特的性质,还没有被发现,”邓克说。“我们希望加快这一进程。”

Dunk补充说:“如果(集群纳米笼)能够以适当的价格形成足够的数量,那么解决人类健康和能源问题的应用可能会立即成为现实。”

纳米火箭分压器

给药是火箭科学

把它想象成在细胞水平上挨家挨户地给药。

荷兰奈梅亨(Nijmegen)强磁场实验室的物理学家彼得·克里斯蒂安(Peter Christianen)设想有一天,微型火箭可以穿过病人的静脉,将药物直接送到需要药物的地方。

从技术上讲,这些“火箭”是口腔细胞,一种具有口状开口的人造细胞。类似于你体内的细胞或囊泡,口细胞有由长碳链组成的膜,每个碳链都有求水和排斥水的一端。这些链条相互压在一起,形成了内外分隔的水密边界。

克里斯蒂安和他的合作者最近在这一领域的研究是一个很好的例子,说明意外发现可以将科学发现引向意想不到但非常有前途的方向。

几年前,克里斯蒂安的一些同事将铂和过氧化氢放入一个微小的口腔细胞中。他们发现,随后发生的化学反应——液体过氧化氢“燃料”分裂成水和氧气,从细胞中喷射出来——使囊泡变成了一个微型火箭。

克里斯蒂安和他的团队怀疑他们可以利用磁场来重塑和控制“纳米火箭”。但当放置在一个20特斯拉的强磁铁中时,气孔细胞没有发生太大变形。

纳米阿尔伯斯

左上:囊泡开始闭合,没有任何磁场。然后,在施加磁场后,嘴就会张开。最后,在装载货物并关闭电场后,装满的胶囊关闭。当再次施加磁场时(图中未显示),囊泡将打开并释放其货物。(资料来源:彼得·阿尔伯斯);左下:囊泡的电子显微镜图像。在左边的图像中,它们处于磁场之外,只有一个小开口。在右边的图像中,在20特斯拉的磁场下拍摄,囊泡变形,导致一个大的开口。(资料来源:内梅亨大学);右:Peter Christianen。 (Credit: Radboud University)

然而,磁场做了导致一个关键的变化:囊泡的嘴张开了。研究小组立即有了一个新想法:可以将口腔细胞装载药物,运送到身体的特定部位,并用磁场刺激它们,迫使它们吐出药物。科学家们称之为磁阀。

克里斯蒂安说:“我们想,‘好吧,我们可以把它用作药物输送的捕获和释放装置。’”“这是完全可复制和可逆的。”

研制纳米火箭只是第一步。接下来是学习如何塑造它们,这个过程也涉及到一些科学上的意外发现。

克里斯蒂安了解到渗透压(由囊泡内外有机溶剂的浓度决定)影响囊泡的形状。所以他和他的同事们尝试了一个新的实验。首先,他们向溶解在有机溶剂中的长碳链混合物中加水;这些链形成球形囊泡。然后,研究人员通过稀释囊泡外的溶剂来改变渗透压;它们的反应是弯曲成各种形状,每种形状都有不同的用途。

克里斯蒂安说,圆盘状结构可能具有不同的流动特性,或更有利于细胞粘附,而球形囊泡可以用作化学反应的纳米反应器,而气孔细胞可以用作药物传递载体。

“所以不同的形状具有不同的功能,”他说。

然后克里斯蒂安的团队再次转向磁场——这一次是为了确定它们究竟创造了什么形状。他们采用了一种叫做磁双折射的技术,这种技术使用偏振激光来成像物体在磁场中的方向。这使得他们能够精确地绘制出囊泡形状随着渗透压的变化而变化的地图。

这种对口腔细胞纳米火箭的测量和控制使克里斯蒂安的团队离医学的圣杯之一更近了一步:精确给药。这项技术特别有前途,因为它只需要一台普通的核磁共振成像仪。

通过更加努力的工作——也许再加上更多的意外发现——这一愿景似乎注定会实现。

MNIII分配器

磁性微型化

小型化不仅仅发生在医学领域。在物理学方面,研究人员正在探索不同种类的分子,以寻找下一代电子产品,甚至是量子计算机的特性。

例如,在自旋电子学的热门领域,科学家们正在寻找使用电子的“自旋状态”(或电子是向上还是向下)作为二进制代码的1和0的方法。

在国家磁实验室爱游戏提现客服的脉冲场设施,物理学家Vivien Zapf带领一个团队沿着一条不同的道路走向纳米级电子:多铁性。

在多铁材料中,一种行为可以用来控制另一种行为,类似于电可以产生磁,反之亦然。但在多铁性材料中,这种耦合存在于磁性和铁电性之间。一些物理学家相信,就像磁和电使现代世界运转一样,磁和铁电的结合也将帮助未来的世界运转。

在铁电分子中,电荷的分布是不均匀的——一边是正电荷,另一边是负电荷。如果你对它施加电场,极性就会翻转。铁电性是一种移动电荷的方式,在这个意义上就像电。然而,铁电性要环保得多。

纳米Zapf

上图:Zapf的研究是在这个破世界纪录的100特斯拉脉冲磁场磁体中进行的。(资料来源:戴夫·巴菲尔德);下图:维维安·扎夫。(资料来源:理查德·桑德伯格)

“与自旋电子学不同的是,你使用的是电压而不是电流,所以你减少了功耗,”Zapf说。

这意味着,当铁电性与多铁性的磁性相结合时,可以为更小、更强大的电子设备铺平道路,这些电子设备比自旋电子学实现的节能得多。

为此,Zapf和她的合作者,包括国家磁实验室的物理学家Shalinee Chikara,试图创造多铁分爱游戏提现客服子。他们相信他们已经找到了一个有希望的候选人:一种分子磁铁,它的特征是一个锰原子,周围环绕着含有碳和氮的环——或者MnIII(pyrol)3(trenn),如果你想更专业的话。

通过将分子置于高达65特斯拉的非常强的磁场中,科学家们使电子自旋跃迁到另一种状态。

这是研究多铁材料的新方法。

Zapf说:“你实际上改变了它们的大小,而不是考虑自旋指向哪个方向。”“这意味着你正在改变一个原子内电子的构型,因此,总的来说,原子最终具有与以前不同的磁性。”磁性的变化触发了铁电性,使材料成为多铁性材料。

Zapf的分子还有一些特别之处:虽然多铁性的大部分工作都集中在无机材料(它们不含碳)上,但Zapf的团队是少数几个研究含有有机分子的材料的人之一,有机分子确实含有碳。Zapf说,他们的成功为以前未开发的多铁效应开辟了数十万种类似的有机材料。

“这让我们非常兴奋,”Zapf说。“这些无机-有机混合材料是设计磁性的新途径。”

如果几年前Zapf没有决定跳出自己的学科,参加一个化学会议,她可能永远也不会从事这个有前途的研究方向。在那里,她学到了自旋态跃迁——一个大多数物理学家不太了解的领域。

Zapf说:“通过让物理和化学交叉,我们获得了研究多铁性的新方法。”

与来自世界各地的化学家同事一起,Zapf正在打开一系列可能应用的大门。多铁性材料可能会带来新的、高灵敏度的磁传感器,以及用于天线、电力变压器或MRI磁体等小规模、高频设备的新设计。

但她说,弄清楚这一点是别人的工作。

“有些人专门研究应用程序。我更喜欢,‘让我们设计疯狂的新方法,让铁电体与铁磁体对话,’”她说。“我是向他们灌输新思想和新方法的人之一。”

Zapf最新论文的同事包括国家磁实验室的物理学家Shalinee Chikara和John 爱游戏提现客服Singleton,洛斯阿拉莫斯国家实验室的化学家Nathan Smythe和Brian Scott,田纳西大学的理论家Shizeng Lin和Cristian Batista,以及Harvey Mudd学院Jim Eckert和Elizabeth Krenkel的一个学生项目。

最后修改于2020年6月24日