Elk tijdperk in de geschiedenis van de menselijke beschaving heeft een kenmerkend materiaal, uit het stenen tijdperk, tot de brons- en ijzertijd. We zouden de huidige informatiegestuurde samenleving zelfs het siliciumtijdperk kunnen noemen.

Sinds de jaren zestig, silicium nanostructuren, de bouwstenen van microchips, hebben de ontwikkeling van elektronica gestimuleerd, communicatie, productie, medicijn, en meer.

Hoe klein zijn deze nanostructuren? Heel, erg klein - je zou er minstens 3 kunnen passen, 000 siliciumtransistors op de punt van een mensenhaar. Maar er is een grens:onder ongeveer 5 nanometer (5 miljoenste van een millimeter), het is moeilijk om de prestaties van siliciumapparaten verder te verbeteren.

Dus als we op het punt staan ​​het potentieel van silicium nanomaterialen uit te putten, wat wordt ons volgende signatuurmateriaal? Dat is waar "atomaterialen" binnenkomen.

Wat zijn atomaterialen?

"Atomaterials" is een afkorting voor "atomaire materialen, " zo genoemd omdat hun eigenschappen afhangen van de precieze configuratie van hun atomen. Het is een nieuw maar zich snel ontwikkelend veld.

Een voorbeeld is grafeen, die is gemaakt van koolstofatomen. In tegenstelling tot diamant, waarin de koolstofatomen een starre driedimensionale structuur vormen, grafeen is gemaakt van een enkele laag koolstofatomen, aan elkaar gebonden in een tweedimensionaal honingraatrooster.

De stijve structuur van diamant is de reden voor zijn gevierde hardheid en lange levensduur, waardoor het het perfecte materiaal is voor hoogwaardige boren en dure sieraden. In tegenstelling tot, de tweedimensionale vorm van koolstofatomen in grafeen maakt het mogelijk dat elektronen met hoge snelheid wrijvingsloos reizen, wat zorgt voor een ultrahoge geleidbaarheid en de uitstekende mechanische sterkte in het vlak. Dus, grafeen heeft brede toepassingen in medicijnen, elektronica, energie opslag, lichte verwerking, en waterfiltratie.

Met behulp van lasers, we kunnen deze atomaire structuren omvormen tot geminiaturiseerde apparaten met uitzonderlijke prestaties.

Met behulp van atomaterialen, ons lab heeft gewerkt aan een reeks innovaties, in verschillende stadia van ontwikkeling. Ze bevatten:

• Een magische koelfilm . Deze film kan de omgeving tot 10℃ koelen zonder elektriciteit te gebruiken. Door zo'n film in een gebouw te integreren, de elektriciteit die wordt gebruikt voor airconditioning kan met 35% worden verminderd, en stroomuitval in de zomer effectief gestopt. Dit bespaart niet alleen de elektriciteitsrekening, maar vermindert ook de uitstoot van broeikasgassen.
• Warmte-absorberende film . Ongeveer 97% van het water op aarde bevindt zich in de oceanen, en is zout en onbruikbaar zonder dure verwerking. Het efficiënt verwijderen van zout uit zeewater kan een langetermijnoplossing zijn voor de groeiende wereldwijde zoetwaterschaarste. Met een grafeenfilm op zonne-energie, dit proces kan zeer efficiënt worden gemaakt.

De film absorbeert bijna al het zonlicht dat erop schijnt en zet het om in warmte. De temperatuur kan binnen 30 seconden worden verhoogd tot 160℃. Deze warmte kan vervolgens zeewater destilleren met een rendement van meer dan 95%, en het gedestilleerde water is schoner dan kraanwater. Deze goedkope technologie kan geschikt zijn voor huishoudelijke en industriële toepassingen.

• Smart sensing film . Deze flexibele atomateriaalfilms kunnen een breed scala aan functies bevatten, waaronder omgevingsdetectie, communicatie, en energieopslag. Ze hebben een breed scala aan toepassingen in de gezondheidszorg, sport, geavanceerde productie, landbouw, en anderen. Bijvoorbeeld, slimme films kunnen de bodemvochtigheid in de buurt van plantenwortels volgen, en zo de landbouw waterefficiënter te maken.
• Ultradun, ultralichte lenzen . Het grootste deel van een camera voor een mobiele telefoon is de lens, omdat het gemaakt moet zijn van dik glas met bijzondere optische eigenschappen. Maar lenzen gemaakt met grafeen kunnen slechts een miljoenste millimeter dik zijn, en toch een uitstekende beeldkwaliteit leveren. Dergelijke lenzen kunnen het gewicht en de kosten van alles, van telefoons tot ruimtesatellieten, aanzienlijk verminderen.
• Bijna onmiddellijke voeding . We hebben een milieuvriendelijke supercondensator ontwikkeld van grafeen die apparaten in seconden oplaadt, en heeft een levensduur van miljoenen oplaadcycli. Door hem aan de achterkant van een zonnecel te bevestigen, het kan zonne-energie opslaan en leveren waar en wanneer nodig. Je bent vrij en echt mobiel.

Waar nu heen?

Het kan jaren duren voordat sommige van deze laboratoriumtechnologieën tot bloei komen. Om het proces te proberen te versnellen, we hebben het CTAM Global OpenLab opgericht om samen te werken met de industrie, academische wereld, overheid en de bredere gemeenschap en om delen en samenwerken te bevorderen. The lab was launched earlier this month at the International Conference on Nanomaterial and Atomaterial Sciences and Applications (ICNASA2020).

The world is facing pressing challenges, from climate change, to energy and resource scarcity, to our health and well-being.

Material innovation is more vital than ever and needs to be more efficient, design-driven and environmentally friendly. But these challenges can only be solved by joint effort from worldwide researchers, enterprise, industry and government with a sharing and open mindset.

This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Read the original article.