納米結(jié)構(gòu)讓電池增壽
目前，許多高能效的鋰離子電池都存在一個(gè)致命缺陷，即在多次充電后便會(huì)失效。這種缺陷嚴(yán)重限制了電池在電動(dòng)汽車和插入式混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用效果。日前，斯坦福大學(xué)的研究人員利用設(shè)計(jì)出的新納米結(jié)構(gòu)，極大地增加了鋰離子電池的可充電次數(shù)。
據(jù)了解，傳統(tǒng)的鋰硫電池平均可以充電150次。而利用新的納米結(jié)構(gòu)可以解決傳統(tǒng)鋰硫電池的兩個(gè)缺陷。
當(dāng)鋰硫電池放電的時(shí)候，硫和鋰會(huì)結(jié)合形成硫化鋰；當(dāng)充電的時(shí)候，又會(huì)再次形成獨(dú)立的硫。但在這個(gè)反應(yīng)過(guò)程中也會(huì)形成許多其他的多硫化合物。如果這些多硫化合物流出電極之外，反應(yīng)就無(wú)法循環(huán)完成，也就限制了電池可以儲(chǔ)存的電量。經(jīng)過(guò)幾次充電循環(huán)以后，這些多硫化合物會(huì)積累起來(lái)，進(jìn)一步降低電池容量。
研究人員發(fā)現(xiàn)，多種納米結(jié)構(gòu)可以將多硫化合物限制在電極里。但這些設(shè)計(jì)在鋰硫電池中會(huì)遇到第二個(gè)問(wèn)題：硫的膨脹會(huì)破壞納米結(jié)構(gòu)，讓多硫化合物逃逸出來(lái)。
研究人員首先造出球形硫納米顆粒，并用氧化鈦外殼包裹它們。氧化鈦外殼的設(shè)計(jì)是為了固定住多硫化合物，不讓它們離開(kāi)電極。隨后溶解部分的硫，在外殼內(nèi)部留出空間。這些空間可以讓硫在膨脹的時(shí)候不破壞氧化鈦外殼。
利用這種設(shè)計(jì)方法可以讓電池在500次循環(huán)后還有81%的容量，循環(huán)1000次以后還有67%的容量。斯坦福大學(xué)材料科學(xué)和工程學(xué)教授崔屹（音譯）表示，在這種電池中的納米材料制造方法簡(jiǎn)單，可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)制造。而且這種電池的商業(yè)版本也許可以把鋰離子電池的容量再增加大約一倍。
盡管這樣的設(shè)計(jì)對(duì)某些應(yīng)用項(xiàng)目來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠好了，但是理想的電動(dòng)汽車電池需要在多至3000次充電循環(huán)以后還有80%的容量，也就是說(shuō)在汽車的使用壽命里可以達(dá)到每天充一次電。為此研究人員還在繼續(xù)尋找可增加充電次數(shù)和電池容量的方法。
在納米水平上研究減排水泥
據(jù)悉，瑞士國(guó)家科學(xué)基金會(huì)日前正資助研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行有關(guān)“綠色”水泥的研究。
目前，最常見(jiàn)的水泥是碳酸鹽水泥，在其制造過(guò)程中需要燃燒碳酸鈣，這會(huì)釋放大量的二氧化碳。以印度為例，在2007年，印度全國(guó)二氧化碳排放量的5%就來(lái)自于國(guó)內(nèi)的水泥生產(chǎn)企業(yè)。然而，水泥作為基礎(chǔ)建筑材料還需要滿足兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：極好的硬度和組成元素的易得性。
至今為止，所有試圖取代或部分取代碳酸鈣燃燒方法生產(chǎn)出來(lái)的水泥都在硬度上表現(xiàn)欠佳。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院建筑材料研究所教授埃伊曼紐拉提出了在納米水平上對(duì)水泥的機(jī)理進(jìn)行更好的理解，以確定物理和化學(xué)參數(shù)并改進(jìn)水泥生產(chǎn)的碳排放而不降低其硬度。
早些時(shí)候，麻省理工學(xué)院的研究人員曾在實(shí)驗(yàn)中使用了一種可以在亞微米級(jí)別上施加機(jī)械壓力的儀器，在亞微米水平上發(fā)現(xiàn)了水泥的密度變化，但卻無(wú)法解釋原因。埃伊曼紐拉在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了一種組成成分十分無(wú)序的非晶態(tài)材料，并將研究集中在納米水平上。她認(rèn)為：“只有在納米水平上，某些材料的性質(zhì)才能被揭示出來(lái)。這也適用于水化硅酸鈣，一種水泥的主要成分，在和水混合變硬的過(guò)程中起到重要的作用。”
據(jù)了解，研究人員首先設(shè)計(jì)了一個(gè)水化硅酸鈣納米顆粒的包裝模型。隨后用數(shù)值模擬方法來(lái)觀察模型。實(shí)驗(yàn)證明，水泥在納米水平上不同的密度分布可以用納米顆粒大小的相異性來(lái)解釋。在這樣一個(gè)關(guān)鍵的水平上，納米顆粒大小不同的材料比納米顆粒相同的材料硬度更大。這一發(fā)現(xiàn)或許可以應(yīng)用到硅酸鹽水泥的生產(chǎn)中。
納米發(fā)電機(jī)利用摩擦充電
佐治亞理工學(xué)院的研究人員日前開(kāi)發(fā)出一種能利用手機(jī)在口袋中的晃動(dòng)所產(chǎn)生的靜電給手機(jī)充電的產(chǎn)品。
從理論上講，人們行走和呼吸所產(chǎn)生的動(dòng)能都可以給植入體內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備，或其他電子產(chǎn)品充電。佐治亞理工材料科學(xué)專業(yè)教授王中林（音譯）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用納米技術(shù)來(lái)制造壓電材料，并放大壓電效應(yīng)。
在干燥的天氣使用塑料梳子梳頭就很容易產(chǎn)生靜電。研究人員發(fā)現(xiàn)，使用一片聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯材料和一片金屬材料，這種靜電充電現(xiàn)象，或稱作“摩擦起電”效應(yīng)，能產(chǎn)生足夠的能量。當(dāng)彎曲時(shí)，兩片薄膜之間將產(chǎn)生電流，從而實(shí)現(xiàn)充電。而如果采用納米技術(shù)來(lái)制造兩種表面，那么有效面積將更大，從而提供更強(qiáng)的摩擦和更多的電能。
據(jù)了解，這種納米發(fā)電機(jī)能將機(jī)械運(yùn)動(dòng)能量的10%至15%轉(zhuǎn)換為電能，而更薄的材料轉(zhuǎn)換率甚至可以達(dá)到40%。指甲蓋大小的摩擦電納米材料在彎曲時(shí)能產(chǎn)生8毫瓦電力，足以驅(qū)動(dòng)心臟起搏器。而一塊25平方厘米的材料能同時(shí)點(diǎn)亮600盞LED燈泡，或是為手機(jī)電池充電。
不過(guò)到目前為止，基于壓電效應(yīng)的納米發(fā)電機(jī)還沒(méi)有產(chǎn)生較大的電力輸出。所以，目前還不清楚這樣的納米發(fā)電機(jī)是否能在實(shí)驗(yàn)室之外得到應(yīng)用。不過(guò)，有約50種普通塑料、金屬和其他材料在配對(duì)時(shí)都可以產(chǎn)生同樣的發(fā)電效果。
