材料最前沿：激发石墨烯自身固有超导特性、微生物纳米线电子材料、头发韧性启迪防弹衣材料开发
英国研究人员发现
激发石墨烯自身固有超导特性的方法
【据剑桥大学网站2017年1月22日报道】 剑桥大学研究人员称已发现在不改变石墨烯化学结构的前提下激发其超导特性的方法。
石墨烯由轻薄、柔韧且坚固的单层碳原子组成，此前人们通过在其中掺入杂质，或将其附着于其他超导材料上的方式激发了这种碳原子表现的超导性，但以上两种方法皆可能破坏单层碳原子的独有性质。
在剑桥大学开展的最新一项研究中，科学家宣布，他们已经发现一种能激发石墨烯超导性的方法——将石墨烯与镨铈铜氧化物（Pr2−xCexCuO4）或PCCO材料耦合。PCCO是一种广泛存在的超导材料，此类超导材料又被称为铜氧化物（英文为cuprate，源于拉丁文copper），因其在高温超导电性领域的应用而闻名。
剑桥大学的研究人员称“很久以前人们就曾假设，石墨烯在适当条件下应可进行超导相变，但实际上它并不能，但这项实验的观点在于，如果我们能将石墨烯与超导体耦合，我们是否能转变其固有的超导性？那么这项问题就变成了，如何才能得知你所发现的超导性是来源于石墨烯本身，而非在其之下的超导体呢？”
由于在长期的超导研究中，研究人员已经对PCCO的性质十分了解，因此，使用PCCO，并通过扫描隧道显微镜观察各项反应，科学家便可区分PCCO中产生的超导性是来源于他们从石墨烯样本上观察到的超导性。
超导性产生成对超导电子，而电子对的自旋排列则取决于相关超导性的类型（和材料）。PCCO具有的自旋态电子对属于反平行自旋——称为“d波状态”。
但从石墨烯上测得的超导性不同于d状态波，因此该超导性一定属于其他类别，如此可证明石墨烯自身能产生超导性。
研究人员称，“换言之，我们在石墨烯上观察到的超导性与PCCO上的超导性属于完全不同的类别，这将是十分重要的一步，因为这意味着，我们证实了石墨烯的超导性并非来源于外部，且只需使用PCCO便可激发石墨烯的固有超导性。”
比这项事实更加吸引人的是，研究人员已经成功激发了石墨烯的固有超导性，但他们是使用这种新方法产生的波动。他们产生的可能是难以捉摸的“p波”——其中的电子表现出自旋三重态，可通过吸收辐射进行配对，激发高能量状态。这就是20多年来物理学家一直试图证明的现象。
然而，石墨烯产生的超导性类型目前尚不明确，但可以确定其确实能产生属于自身的现象形态。这种形态是否是难以捉摸的p波形态有待进一步实验的验证。
研究人员称，“如果石墨烯确实存在p波超导性，便可以石墨烯为基础，在基础和应用研究领域开拓全新的超导设备频谱。通过更好的理解p波超导性及其作用于不同设备和设置的方式，此类实验必将产生新科学。”
目前，人们已经能任意的持续触发石墨烯固有的超导性质，研究人员相信人们有望制成类电晶体设备，将其应用于超导电路、分子电子学以及高速量子计算的新型超导组件。
（来源：国防科技信息网，作者：程大树 中国船舶工业综合技术经济研究院）
美国海军研究室资助微生物纳米线电子材料开发并取得巨大突破
【据马萨诸塞大学安姆斯特分校2017年1月18日报道】马萨诸塞大学安姆斯特分校的微生物学家最近发现，细菌能够产生一种新型天然丝线，这种丝线将帮助研究人员尽早研制出适用于电子工业的可持续“绿色”导电材料。美国微生物学会重要杂志——mBio在本周报道了德里克·洛维利（Derek Lovley）及其同事所进行的研究。
研究人员研究了微生物纳米线，在自然条件下，细菌会使用这种蛋白丝与其他微生物或矿物质进行电连接。正如洛维利（Lovley）所说，微生物纳米线是一种革命性的电子材料，它具有远超人造材料的显着优点。在实验室中化学合成纳米线需要使用有毒化学品、高温和/或昂贵的金属。同时需要消耗巨大的能量。与此相反，天然微生物纳米线仅需要在室温生物反应器中使用廉价的可再生原料即可实现大批量生产，同时，能耗也显著降低。此外，最终产品不含有毒成分。
因此，微生物纳米线为开发新型多功能环保材料、电子设备和传感器提供了更大的可能。这是微生物纳米线技术中的重大突破。研究人员在论文中阐述的方法将有助于在自然界中快速找到更好的电子材料。
此前，洛维利（Lovley）的实验室一直仅使用一种细菌——硫还原地杆菌来研究纳米线。研究人员称，我们早期仅研究了一种地杆菌，因为我们想了解细菌产生如此细小的丝线后所隐藏的奥秘。而现在我们最感兴趣的是如何把纳米线用作电子材料，并希望更好地理解适合开展实践应用的性质。
当实验室开始研究其他地杆菌物种的蛋白质细丝时，他们惊讶地发现广泛存在导电性。例如，从铀污染的土壤中回收的一类物种能够产生较弱的导电丝。然而，另一钟生物——金属还原地杆菌——正好是第一种分离的地杆菌，产生的纳米线的导电性比硫还原地杆菌高5000倍。
在美国海军研究办公室资助的新研究中，他们没有直接研究金属还原地杆菌株。相反，他们从中提取了组成微生物纳米线的蛋白质基因。并将其植入硫还原地杆菌。最终，他们更改了硫还原地杆菌的遗传性质，使其产生金属还原地杆菌的蛋白质，同时其产生的丝线的导电性远远超过硫还原地杆菌自然产生的纳米线。
此外，洛维利（Lovley）还表示，他们已经发现硫还原地杆菌携带有不同类型细菌的丝线基因。这使得在相同微生物体内产生多样性的细丝，以及在类似条件下研究其性质变得更加简单。
他补充说，我们按照这种方法在微生物世界中探索有用的导电材料。在微生物世界中存在大量的细丝基因，现在，即使使用之前从没培养过的微生物，我们也可以研究其基因产生的细丝。
研究人员将金属还原地杆菌纳米线的超高导电性归因于其更大丰度的芳香族氨基酸。紧密堆积的芳香环似乎是微生物纳米线导电性的关键，这意味着，芳香环越多，电子就能够更好地沿着蛋白质丝转移。
金属还原地杆菌纳米线的高导电性表明，它们可能是制造医疗或环境领域内导电材料、电子器件和传感器的良好材料。作者表示，进一步了解纳米线导电机制能够让外我们更加明确如何利用改良的基因制造更好的丝线。
（来源：国防科技信息网，作者：程大树 中国船舶工业综合技术经济研究院）
英媒：头发韧性启迪防弹衣材料开发
强度堪比钢铁
【核心提示】头发的比强度可以同钢铁相比拟。它可以拉长到原来长度的1.5倍才会断裂。
1月24日报道 英国物理科学新闻网站1月17日发表了题为《头发的韧性启迪防弹衣新材料的开发》的文章，编译如下：
在一项新研究中，加利福尼亚大学圣迭戈分校的研究人员调查了头发为什么异乎寻常地强韧和不易断裂的问题。有关发现可能带来防弹衣新材料的开发，并帮助化妆品制造商生产更好的头发护理产品。
头发的比强度可以同钢铁相比拟。它可以拉长到原来长度的1.5倍才会断裂。加利福尼亚大学圣迭戈分校纳米工程专业的博士生于洋（音译）说：“我们希望理解这一不同寻常的特性背后的机制。”于是该研究的第一作者。
加州大学圣迭戈分校机械工程学教授马克·迈耶斯说：“自然以非常巧妙的方式制造了多种有趣的材料和结构。我们感兴趣的是，理解生物材料的结构和特性之间的联系，以开发比现有人造材料更好的合成材料。”迈耶斯是该研究的主要作者之一。
在去年12月《材料科学与工程C辑》杂志上发表的一项研究中，研究人员从纳米水平考察了人类头发在变形或拉长的时候的表现。该团队发现，根据拉伸头发的速度快慢，头发的表现存在差别。以越快的速度拉伸头发，它就表现得越强韧。迈耶斯解释说：“想想蜂蜜那样高黏度的物质。如果迅速改变它的形状，它就会变得强硬，但如果慢慢改变它的形状，它就容易倾倒出来。”
头发有两个主要组成部分。一个是皮层，由平行纤维构成。另一个是有着无定形结构的基质。基质对头发变形的速度敏感，而皮层对此不敏感。于解释说，这2种成分的组合让头发有能力经受较高的压力和拉力。
当把头发拉长，它的结构会以特定方式改变。在纳米层次上，头发中的每根皮层纤维都是由数千个盘卷的螺旋形分子链构成的，这种分子链叫做“α螺旋链”。当头发出现变形，α螺旋链会展开，并变成折叠片结构，称为“β折叠片”。这种结构上的改变使得头发能承受较大的变形而不断裂。
这种结构变化部分可逆。如果头发受到的拉力较小，它能恢复原形。如果进一步拉伸，这种结构变化会变得不可逆。该研究的作者之一王斌（音译）说：“头发是常见的材料，却有着很多令人入迷的特性。”
该团队还在不同的湿度和温度下对头发进行了拉伸测试。在较高湿度的情况下，头发在断裂前能承受70%至80%的变形。水会“软化”头发。它会进入基质，打破连接一根头发中各个细丝的硫键。研究人员还发现，在60摄氏度时，头发开始出现永久性损伤。超过这个温度，头发会在较低的压力和拉力下更快断裂。
目前，这个团队正在就水对人类头发特性的影响作进一步研究。此后，该团队将研究清洗头发如何促使它恢复原有形状的详细机制。
资料图片：头发的比强度可以同钢铁相比拟。（图片来源于网络）
参考军事，编译：朱捷）
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