第一篇：我國首次用物理方法取得納米級(jí)別半導(dǎo)體材料

我國首次用物理方法取得納米級(jí)別半導(dǎo)體材料

來源：中國青年報(bào)更新時(shí)間：2013-08-26 08:35:33[我要投稿]

4年前實(shí)驗(yàn)室人員的一個(gè)疏忽，卻導(dǎo)致了一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)，最終成就了一個(gè)世界首創(chuàng)的工藝。最近，天津大學(xué)材料學(xué)院量子點(diǎn)材料與器件研究組開發(fā)出了環(huán)保高效的單分散量子點(diǎn)合成新工藝，成果發(fā)表在《Nature Communications》（《自然通信》）雜志上，這是世界上首次報(bào)道用物理方法合成單分散量子點(diǎn)，與化學(xué)方法相比更加高效。

論文通訊作者、天津大學(xué)材料學(xué)院教授杜希文說，當(dāng)半導(dǎo)體材料直徑在幾納米大小時(shí)，可表現(xiàn)出許多獨(dú)特的物理性質(zhì)。如大家熟知的硅，正常體積下將太陽能轉(zhuǎn)換電能的最高效率為33%，但是當(dāng)硅的體積為4納米左右時(shí)，效率可以提高到66%。有的材料則能發(fā)出特別光，如果在腫瘤的抗體藥物上攜帶納米級(jí)別的發(fā)光材料，可以非常準(zhǔn)確地標(biāo)記出腫瘤的位置，為醫(yī)生判斷病情、尋找病灶提供幫助。正是因?yàn)檫@些量子點(diǎn)（又稱為半導(dǎo)體納米晶）具備這樣神奇的能力，因此目前是各國科研人員研發(fā)的熱點(diǎn)。

杜希文說，傳統(tǒng)的機(jī)械工藝最多能將半導(dǎo)體材料粉碎到微米的程度，體積是納米級(jí)別的上千倍。過去一直通過濕化學(xué)方法，利用集中化學(xué)物品之間的反應(yīng)，制得量子點(diǎn)材料。但是這種方法耗時(shí)長(zhǎng)，少則幾個(gè)小時(shí)多則幾天，還會(huì)產(chǎn)生大量的污染物，對(duì)環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。

4年前，杜希文教授實(shí)驗(yàn)室的一名學(xué)生做用激光將金屬靶打碎成金屬粒的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)一般只需用激光照射金屬靶3分鐘左右，但學(xué)生中途離開，放任激光照射金屬靶達(dá)4個(gè)多小時(shí)。該團(tuán)隊(duì)隨后發(fā)現(xiàn)，金屬靶被打成了尺寸為幾納米的金屬粒子，這樣的結(jié)果比以前要理想多了。他們轉(zhuǎn)而把這一“奇怪”現(xiàn)象作為一項(xiàng)研究重點(diǎn)，探索如何利用激光把半導(dǎo)體材料 “敲成”納米大小的均勻顆粒。最終歷時(shí)4年，在這一領(lǐng)域探索出了合成單分散量子點(diǎn)的物理方法。

利用激光這把“錘子”，科學(xué)家們可以根據(jù)實(shí)際需要“變化”力度，精確控制半導(dǎo)體材料的具體尺寸。

相比濕化學(xué)方法，這種世界首創(chuàng)的方法耗時(shí)短，一次僅需20多分鐘，獲得的量子點(diǎn)大小更均勻，表面沒有化學(xué)藥物，非常潔凈。杜希文說，預(yù)計(jì)未來這一工藝可以幫助獲得更加廉價(jià)的量子點(diǎn)，使其在疾病診斷、水污染檢測(cè)、光電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域發(fā)揮更加顯著的作用。

第二篇：航天專家解讀我國首次太空授課物理原理

航天專家解讀我國首次太空授課物理原理新華網(wǎng)北京６月２０日電（記者白瑞雪、趙薇、任珂）２０日上午舉行的太空授課活動(dòng)中，我國第一位“太空教師”王亞平通過質(zhì)量測(cè)量、單擺運(yùn)動(dòng)、陀螺運(yùn)動(dòng)、水膜和水球等５個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，展示了失重環(huán)境下物體運(yùn)動(dòng)特性、液體表面張力特性等物理現(xiàn)象，并通過視頻通話與地面課堂師生進(jìn)行互動(dòng)交流。這些美妙的實(shí)驗(yàn)反映了什么樣的物理原理？天地物理特性的差別給航天飛行帶來什么影響，在航天活動(dòng)中有什么樣的應(yīng)用？清華大學(xué)航天學(xué)院副教授王兆魁對(duì)這些問題進(jìn)行了解讀。

實(shí)驗(yàn)一：質(zhì)量測(cè)量——牛頓第二定律

實(shí)驗(yàn)過程：王亞平首先展示兩支完全一樣的彈簧，它們分別固定了兩個(gè)不同質(zhì)量的物體。畫面顯示，兩個(gè)彈簧平衡在同一位置，無法測(cè)量出物體的質(zhì)量差別。隨后，鏡頭轉(zhuǎn)向天宮一號(hào)中用于測(cè)量質(zhì)量的“質(zhì)量測(cè)量?jī)x”。聶海勝把自己固定在支架一端，王亞平輕輕拉開支架，一放手，支架在彈簧的作用下回復(fù)原位。ＬＥＤ屏顯示出聶海勝的質(zhì)量：７４公斤。王亞平解釋說，質(zhì)量測(cè)量?jī)x通過彈簧產(chǎn)生力并測(cè)出力的加速度，然后根據(jù)牛頓第二定律就可以算出質(zhì)量。

專家解讀：這個(gè)實(shí)驗(yàn)生動(dòng)地說明了牛頓第二定律的基本原理——“物體加速度的大小跟物體受到的作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比?！边@是一個(gè)在一切慣性空間內(nèi)普遍適用的基本物理定律，不因物體的引力環(huán)境、運(yùn)動(dòng)速度而改變，因此在太空和地面都是成立的。

在地球表面，由于受到地球引力的作用，物體的質(zhì)量體現(xiàn)為重量。物體懸掛在彈簧秤上時(shí)，彈簧的拉力和物體受到的地球引力達(dá)到平衡，因此可以從彈簧秤的讀數(shù)中得到物體的重量。而在繞地球高速運(yùn)動(dòng)的飛船里，地球引力被飛 1

船的離心力所平衡，飛船內(nèi)部不再有地球引力的影響，也就沒有了重量的概念，因此彈簧秤就沒有讀數(shù)。

天宮一號(hào)里的“質(zhì)量測(cè)量?jī)x”直接運(yùn)用了牛頓第二定律，利用作用力和物體加速度的關(guān)系確定物體的質(zhì)量。這個(gè)原理在航天活動(dòng)中有著廣泛的應(yīng)用。例如，航天器的燃料消耗一段時(shí)間后，總質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化，可能影響軌道控制的精確度。這時(shí)就可以開啟推力器并同時(shí)測(cè)量航天器的加速度，從而計(jì)算出航天器的質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)二：?jiǎn)螖[運(yùn)動(dòng)——太空失重

實(shí)驗(yàn)過程：Ｔ形支架上，細(xì)繩拴著一顆小鋼球。這是物理課上常見的實(shí)驗(yàn)裝置——單擺。王亞平把小球拉升到一定高度后放手，小球并沒有像在地面那樣往復(fù)擺動(dòng)，而是懸停在了半空中。王亞平用手指輕推小球，小球開始繞著Ｔ形支架的軸心做圓周運(yùn)動(dòng)。

專家解讀：實(shí)驗(yàn)中小球沒有來回?cái)[動(dòng)、而是懸浮或者做圓周運(yùn)動(dòng)，是太空中的失重現(xiàn)象導(dǎo)致的。在地面上，一旦松手，在地球重力的作用下，小球會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，而由于小球被細(xì)繩連接在支架上，它就會(huì)被細(xì)繩牽著來回?cái)[動(dòng)。但太空中沒有重力作用，小球只會(huì)在原地懸浮。同樣因?yàn)橹亓Νh(huán)境的不同，在太空中輕輕推小球一下，小球會(huì)在細(xì)繩的牽引下做圓周運(yùn)動(dòng)。而在地面上，需要給小球足夠大的初速度，才能使它克服地球重力的阻礙，實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)。

失重是空間與地面環(huán)境最重要的差別之一。它雖然給飛行生活帶來很多有趣的體驗(yàn)，但也會(huì)妨礙航天員在艙內(nèi)的操作，同時(shí)對(duì)航天員的心血管系統(tǒng)和肌肉、骨骼系統(tǒng)帶來不利影響。針對(duì)這個(gè)問題，航天醫(yī)學(xué)專家研究出很多醫(yī)學(xué)防護(hù)措施，航天員也會(huì)在航天器中通過主動(dòng)鍛煉來增強(qiáng)心血管和肌肉功能。實(shí)驗(yàn)三：陀螺運(yùn)動(dòng)——角動(dòng)量守恒

實(shí)驗(yàn)過程：王亞平取出一個(gè)紅黃相間的陀螺懸放在空中。用手輕推陀螺頂部，陀螺翻滾著飛向遠(yuǎn)處。緊接著，她又取出一個(gè)一模一樣的陀螺，讓它旋轉(zhuǎn)起來，懸浮在半空中，再用手輕輕一推，旋轉(zhuǎn)的陀螺不再翻滾，而是保持著固定的軸向向前飛去。

專家解讀：轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺具有定軸性，定軸性遵守角動(dòng)量守恒原理——在沒有外力矩作用的情況下，物體的角動(dòng)量會(huì)保持恒定。航天員瞬時(shí)施加的干擾力不能產(chǎn)生持續(xù)的力矩，由于角動(dòng)量守恒，旋轉(zhuǎn)陀螺的旋轉(zhuǎn)軸就不會(huì)發(fā)生很大改變。而這一點(diǎn)在地面上之所以很難實(shí)現(xiàn)，并不是因?yàn)榻莿?dòng)量守恒定理不成立，而是因?yàn)橥勇菖c地面摩擦產(chǎn)生的干擾力矩等因素改變了陀螺的角動(dòng)量，使其旋轉(zhuǎn)速度逐漸降低，不能很好地保持旋轉(zhuǎn)方向。

利用角動(dòng)量守恒定律，我們可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的定向控制?；谕勇葜赶蚍€(wěn)定性特點(diǎn)制成的陀螺儀，還被廣泛用于不同領(lǐng)域各種平臺(tái)的穩(wěn)定控制。雪鐵龍Ｃ６轎車上就安裝了測(cè)量車身縱向和橫向擺動(dòng)的陀螺傳感器，可以實(shí)現(xiàn)車身穩(wěn)定度的控制。

實(shí)驗(yàn)四五：制作水膜、水球——液體表面張力

實(shí)驗(yàn)過程：王亞平把一個(gè)金屬圈插入飲用水袋中，慢慢抽出金屬圈，形成了一個(gè)水膜?；蝿?dòng)金屬圈，水膜也沒有破裂；往水膜表面貼上一片畫有中國結(jié)圖案的塑料片，水膜依然完好。她接著做了第二個(gè)水膜，用飲水袋慢慢往水膜上注水，水膜很快變成一個(gè)亮晶晶的大水球。再向水球內(nèi)注入空氣，水球內(nèi)形成兩個(gè)球形氣泡，既沒有被擠出水球，也沒有融合到一起。最后，王亞平注入紅色液體，紅色慢慢擴(kuò)散開來，把水球變成了一枚美麗的“紅燈籠”。

專家解讀：這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均展示了液體表面張力的作用。受到內(nèi)部分子的吸引，液體表面分子有被拉入內(nèi)部的趨勢(shì)，導(dǎo)致表面就像一張繃緊的橡皮膜，這種促使液體表面收縮的繃緊的力，就是表面張力。

表面張力現(xiàn)象在日常生活中非常普遍，比如草葉上的露珠、空氣中吹出的肥皂泡等。地球引力使得肥皂泡上方變薄破裂而無法長(zhǎng)久存在，而太空中的液體處于失重狀態(tài)，表面張力不僅大顯身手，還決定了液體表面的形狀。水膜實(shí)驗(yàn)中，表面張力使水膜像橡皮膜一樣搭在金屬環(huán)里，并且比地面上形成的水膜面積更大、存在時(shí)間更長(zhǎng)。同樣，由于沒有重力影響，航天員向水膜上不斷注入水時(shí)，這些水就能夠均勻分布在水膜周圍，逐漸形成水球。

液體表面張力在航天活動(dòng)中有重要應(yīng)用。失重環(huán)境下，航天器推進(jìn)劑貯箱中的液體燃料界面和氣體界面不再是穩(wěn)定的，可能產(chǎn)生液體遷移、氣液混合等現(xiàn)象，導(dǎo)致推進(jìn)劑無法正常供應(yīng)。因此，科學(xué)家們制造了表面張力貯箱，利用表面張力推動(dòng)液體推進(jìn)劑流動(dòng)，為動(dòng)力系統(tǒng)提供滿足要求的推進(jìn)劑。