XK星空官网 利用纳米材料实现高效能源设备来解决本地和全球问题
通过纳米级电路设计展现光的新特性
纳米技术在观察技术和制造工艺方面的最新进展使我们能够获得纳米材料新颖的电学和光子特性，而这些特性直接源自其尺寸和物质结构。在纳米材料中，以碳纳米管和石墨烯为代表的纳米碳材料是纳米技术领域最受关注的材料之一。除了相对于尺寸而言表面积较大之外，它们的导电性、导热性、机械强度和其他性能也已被证明显着超过现有材料。它们有望用作电子、光学和能源材料。
Hiroshi Furuta教授对碳纳米管和其他纳米材料的结构控制进行了研究，并将这些纳米管应用于能源器件，例如染料敏化太阳能电池的电极、散热器和太阳能集热器材料以及电子发射源材料。他特别致力于利用“超材料”原理在光学领域的应用。
（碳纳米管，由石墨烯制成的纳米级同心圆柱形碳结构）
超材料是人造结构，例如电极，其设计尺寸大于原子和分子，小于电磁波，它们表现出天然材料无法实现的物理特性和功能。
碳纳米管具有优异的电学和光学特性，有望作为超材料的组成材料来实现超小型光学器件。
碳纳米管在超材料中如此有前景的因素之一是它们具有自组织的生长过程。传统上，自上而下的工艺用于创建纳米级物体，其中通过减小大物体的尺寸来创建小物体。然而，随着该过程达到其尺寸下限，人们的注意力现在转向使用自下而上过程的想法，其中功能形态和物理性质是由自排列和自组织原子衍生的。需要一种技术来基于复杂的电路设计自发地构建复杂的结构，而不依赖于人工操作（即“处理”）。
碳纳米管具有单个纳米管自发形成结构并通过自下而上过程生长的特性。有可能通过简单的工艺来实现对超材料应用至关重要的精致而复杂的结构的制造。
“碳纳米管是由卷曲成圆柱形的石墨烯片制成的电线。它具有可以控制长度的纳米级直径。通过向像种子一样种植在硅基板上的催化剂纳米颗粒提供碳原料气体，碳纳米管可以像植物一样生长。通过使用自下而上的过程，可以以自组织的方式形成布线，并且将来我们有可能能够形成东西就像预期的纳米级电路布线图案一样。”
（通过调整合成时间精确控制高度的碳纳米管的SEM（扫描电子显微镜）图像，以及学生组装的碳纳米管合成设备）
（构成材料为碳纳米管的超材料电极的内部结构。通过复杂的电路设计提高了光吸收功能[1]）
[1] A Pander、K Takano、A Hatta、M Nakajima、H Furuta，Optics Express，28(1) (2020)，第 606-625 页。
“在传统上以化学和机械知识为基础的纳米材料研究领域，我们的优势在于通过电路设计提取光学特性的能力。在能源资源匮乏的情况下，采用添加稀有元素以呈现特定特性等传统技术来实现高效电子和光子器件。然而，也可以通过进行电路设计和吸收特定类型的光来构建对环境影响较小的系统。这这确实是一种范式转变，我们非常高兴能够将电路设计应用于材料特性。”
对于能源资源匮乏的日本来说，利用电路设计来展现材料新特性的能力将极其重要。
电路设计是人类擅长的领域之一，但在大规模创建设计时会出现限制。古田教授表示：“为了大规模创造纳米级结构并使其发挥作用，我们需要向大自然学习。”我们在自然界随处可见自组织模式形成的现象。
“蜗牛壳的表面就是一个例子。如果用电子显微镜观察，表面有纳米尺寸的凹凸和凹痕，它们具有复杂的清洁功能。其他功能结构也是通过自然界中的自组织现象形成的，例如美丽的雪花和石英晶体。到目前为止，人类必须从头开始设计和构建纳米级结构才能实现特定功能。我们已经迈出了一步从这个层面来看，通过利用碳纳米管的自组织生长过程，并创造模仿自然界中自组织的结构，我们正在尝试创造新的超材料，它可以反射光，并吸收变化的颜色。”
Furuta 教授成功设计了以自组织方式形成纳米级电极的电路。古田教授研究的独特之处在于他渴望在光学工程中向自然世界学习——试图通过使用纳米级电路设计和自然、自组织的图案形成来展现光的新特性。
提出世界首创的概念：将碳纳米管森林应用于超材料
大量垂直于基板表面排列的碳纳米管被称为“碳纳米管森林”，因为它看起来像树木的森林。碳纳米管森林具有任何其他材料都没有的出色的光吸收光学特性。
2013年，Furuta教授的研究小组重点研究了在碳膜下以自组织方式形成低密度碳纳米管森林的结构。他们成功地控制了这些结构的厚度，并首次发现了它们出色的光学特性。它们的结构类似于自然界中存在的霜柱，因此被称为“霜柱状碳纳米管森林”
“鱼网型”超材料的制造已经被证明，其中在霜柱状碳纳米管森林的碳膜表面上以规则的方式开有微小的孔。评估了光吸收率，结果表明，霜柱状碳纳米管森林成鱼网状后，光吸收率有所增加[2]。
“我们惊讶地发现，当在碳膜上开小孔时，光不会穿过，而是被吸收。光穿过小孔时产生的电流呈螺旋状并吸收能量。这种类似天线的结构在纳米尺度上得以实现。通过大量的实验和模拟，现在正在实现吸收光的超材料。”
霜柱状碳纳米管森林超材料的实现，具有独特的中空结构和鱼网式图案，有望拓宽碳纳米管设计的范围，并将其应用于高精度光探测和光学滤波器等新型光学器件。这项研究的结果作为在超材料（即碳纳米管森林超材料）中使用碳纳米管的世界首创概念而受到关注。
“碳纳米管森林超材料是一个令人兴奋的跨学科领域，通过电路设计的控制可以创造出显着的新特性。通过允许碳（一种常见的纳米级电极材料）的自排列，可以存储以前被丢弃的红外线等光能，并将其回收为电能。”
此外，古田教授还发现霜柱状碳纳米管森林与变色龙皮肤表面的结构相似，他正试图将其与新特性的实现联系起来。
“在变色龙的皮肤表面，周期性排列霜柱状晶体结构，通过改变皮肤不同折射率的纳米光子晶体的间距，可以自由改变颜色。就像变色龙通过控制其纳米尺寸结构改变颜色一样，我们希望创建霜柱状碳纳米管森林结构，通过控制碳膜之间的距离，可以像变色龙一样自由改变颜色和基材。”
(左为霜柱状碳纳米管林，右为常规型[2])
[2] H Miyaji、A Pander、K Takano、H Kohno、A Hatta、M Nakajima、H Furuta、Dia。相对。马特。 83（2018）第196-203页。
渴望帮助解决全球能源问题，特别是在农村地区和发展中国家
作为碳纳米管应用研究的一部分，Furuta 教授与企业合作伙伴合作开发了一种电子发射器，创造了“6 年稳定性”的世界纪录。这是通过利用碳纳米管尖端的锋利度和化学稳定性来实现的。这引起了各行业的关注，并且正在寻找一种将其用作不参与价格竞争的特殊场电子发射源的方法。
就这样，古田教授通过基础研究、应用和开发展示了碳纳米管的潜力。他想通过这些研究实现什么样的未来？他说：“我想利用纳米材料解决全球能源问题。这是我的最终目标。”
他说他的目标是开发对环境影响较小的低成本能源设备，以帮助解决能源问题，特别是在农村地区和发展中国家，同时商定通过将纳米材料应用于高效能源和通信设备来解决全球能源问题的主题。
“在不久的将来，我们可能会从一个在一个地方生产大量能源然后分配到不同地点的社会，转变为一个个人可以管理自己能源的分散能源社会。将需要小型能源设备，使个人能够产生和存储自己所需的能源，并仅转换每个家庭所需的量。纳米材料具有很大的表面积，因此它们可以轻松存储能源，并有效地将光转化为能源。我相信，通过使用纳米材料，我们将能够实现个人和家庭规模能源设备的开发。”
随着出生率下降和人口老龄化趋势的迅速发展，高知县拥有许多人口稀少、全是老年人的村庄，有潜力成为分散式能源社会的前沿。古田教授将在解决我们面临的特定社区和全球能源问题的探索中取得深入进展。