星空电竞 通过实现基于纳米材料的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激发光的新特性
超材料是人造结构，例如电极，其电路设计规模大于原子和分子，但小于电磁波。它们具有普通材料无法达到的特性和功能。碳纳米管因其出色的电学和光学特性而成为超材料的有前途的组成部分。此前，主流的纳米技术是通过加工材料来生产精细图案的自上而下的过程。这引发了对自下而上方法的积极研究，其中原子和分子自发形成更高维度的有序结构。
只需向沉积在基材上的催化剂纳米粒子提供碳源气体，碳纳米管就可以像植物一样生长。由于这种“自组织生长过程”，碳纳米管有望轻松自下而上地制造超材料所必需的精细图案、复杂结构。
我们在自然界中随处可见自组织模式。例如，蜗牛壳表面的复杂清洗功能和蜥蜴脚趾上生长的鬃毛的粘合功能。许多生物体都采用通过自组织构建的纳米技术。通过模仿自然界中观察到的自组织现象，Furuta 教授使用碳纳米管生产了各种纳米结构，并确定了在超材料中具有潜在应用的独特功能。
垂直于基材沿同一方向排列的高密度碳纳米管被称为“碳纳米管森林”，因为它们看起来像树木的森林。这种材料作为“所有物质中最黑的”而受到关注，能够以高灵敏度吸收所有波长的光。在利用碳纳米管森林制造超材料的过程中，Furuta 教授和他的同事开发了一种技术，通过使用聚焦离子束 (FIB) 对催化剂微粒进行图案化，形成裂环谐振器 (SRR)（超材料的一种形式）形状的微粒阵列。对采用该技术制造的具有SRR结构的CNT森林的性能进行评估表明，电路中的谐振现象降低了红外光的反射强度，从而展现了超材料性能。该成果是全球首例利用碳纳米管制造超材料的案例，并在权威期刊上发表文章并获得高度评价。
教授。古田还注意到碳膜下低密度碳纳米管森林通过自组织形成的结构，并成功控制了结构厚度。他是第一个发现这些结构突出的光学特性的人，由于它们与霜柱的相似性，他将它们命名为“霜柱状碳纳米管森林”。他证明，霜柱状碳纳米管森林呈鱼网状，薄膜上开有碳周期孔，与未处理的结构相比，增加了对红外光的吸收，从而得出了它们的超材料特性。
在这些成就的基础上，Furuta 教授和他的团队正在开拓“碳纳米管森林超材料”领域。
大面积碳纳米管森林超材料制造技术的开发
将碳纳米管森林超材料应用于能源设备需要更大的面积。然而，使用 FIB 处理技术时，增加面积被认为是技术上的困难。因此，Futura 教授及其同事开发了一种通过自组织建立碳纳米管森林的新技术。该技术使用对半导体集成至关重要的干法蚀刻方法作为替代方法。他们能够利用通过这种技术生产的碳纳米管森林来控制特定波长的吸收和反射——这是超材料的标志。通过利用自组织技术制造更大面积的碳纳米管森林，并发现其超材料特性，他们可能找到了实现大面积碳纳米管森林超材料的关键。
教授。 Furuta 还在开发高效太阳能热水器，利用碳纳米管将这些研究成果与实际应用联系起来。到目前为止，他的调查重点是提高绩效。例如，他比较了商业材料和碳纳米管作为光吸收剂的温度升高，发现碳纳米管的温度更容易升高。
古田教授希望通过这种研发，利用纳米材料帮助解决全球能源问题。他的目标是创造低成本、环保的能源设备，帮助解决农村地区和发展中国家的能源挑战。
联合国 2030 年可持续发展目标 (SDG) 之一是确保全世界所有人都能获得安全且负担得起的饮用水。就此而言，古田教授表示：“我们还在考虑利用技术来回收发展中国家从海水中生产蒸馏水的过程中未使用的热能。” Furuta教授展示了碳纳米管在从基础研究到应用的各个领域的潜力。展望未来，他将继续跳出框框思考，从大自然中汲取灵感，发展纳米技术，为人类的可持续发展做出贡献。
发布日期：2024 年 1 月/采访日期：2022 年 4 月