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内嵌富勒烯,提升精准度的新材料(科技大观)

http://www.cn480.com时间:2016-04-25 10:18来源:科技时空网

  英国《卫报》近日报道,牛津大学的科研人员正在打造一种叫做内嵌富勒烯的材料,并以2.2万英镑(约合人民币20.4万元)的价格销售出了第一批重量为200微克的产品。这个重量仅相当于一根头发的1/3、一片雪花的1/15,售价却如此之高,堪称“世界上最昂贵的材料”。

  富勒烯是继石墨、钻石之后,人类发现的单质碳的第三种同素异形体。早在1985年,英国化学家克罗托和美国科学家斯莫利就制备出了第一种富勒烯,因为这一分子与美国建筑学家富勒的建筑作品很相似,就将其命名为富勒烯。富勒烯是由碳原子组成的笼状物质,内部为空腔结构,可以在里面嵌进某些特殊物质,譬如氮,由此形成的富勒烯被称为内嵌富勒烯。

  英国科学家研制的氮内嵌富勒烯之所以异常昂贵,是因为在生产、分离和保存等一系列环节都有极高难度。在生产环节,通常是用氮离子轰击富勒烯的方法制得,而大多数氮离子要么无法击破富勒烯碳笼,要么会把碳笼彻底击碎,只有极少数氮离子能表现得恰如其分,把握好准确的节奏和轰击角度,既成功击破碳笼,又刚好耗尽氮离子自身的能量。接着,碳笼自我修复完好,这样才得到氮内嵌富勒烯。在分离和提纯环节,需要要把生产出来的不足万分之一的氮内嵌富勒烯从其他富勒烯中分离出来,并得到合适的纯化。在储存环节,由于内嵌有氮原子的富勒烯不太稳定,不仅需要紧固的碳笼罩着,而且要做到绝对低温和避光。

  富勒烯内嵌氮原子时,拥有极长的电子自旋寿命,具有改变我们当下计时方式的潜力。一般的钟表,每年大约会有1分钟的误差。原子钟的精确度就高多了,它是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于电磁波具有非常稳定的特性,原子钟的计时可以做到极其精确,达到每100万年才出现1秒的误差。然而,这种原子钟有一个致命的问题,即过于庞大,甚至有一间屋子那么大。而如果使用内嵌富勒烯技术,原子钟的体积就能缩小到一个微芯片那么小。

  缩小了个头的原子钟在高精度定位方面将有不少革命性的应用。有分析说,“想象一个可以随身携带在智能手机里的微型原子钟,这是下一场手机革命”。微型电子钟如果被内置于手机,能提高手机定位的精度。而如果把内嵌富勒烯应用于车载定位系统,则GPS的精确度将大大改善,其误差将由目前的1米至5米,提高到1毫米以内。毫无疑问,这项技术还可以应用到自动驾驶车辆的控制方面。

  内嵌富勒烯技术的突破令人憧憬。不过,这种材料在实际应用上面临着成本太过高昂等“瓶颈”,同时,如何打破内嵌富勒烯怕光、怕热等“短板”,也是需要科学家下大力气加以解决的。



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