Varje tidsålder i den mänskliga civilisationens historia har ett signaturmaterial, från stenåldern, till brons- och järnåldern. Vi kan till och med kalla dagens informationsdrivna samhälle för kiselåldern.

Sedan 1960 -talet har kisel nanostrukturer, byggstenarna för mikrochips, har ökat utvecklingen av elektronik, kommunikation, tillverkning, medicin, och mer.

Hur små är dessa nanostrukturer? Mycket, mycket liten - du kan passa minst tre, 000 kiseltransistorer på spetsen av ett människohår. Men det finns en gräns:under cirka 5 nanometer (5 miljoner miljondelar), det är svårt att förbättra prestanda för kiselanordningar ytterligare.

Så om vi ska uttömma potentialen för kiselnanomaterial, vad blir vårt nästa signaturmaterial? Det är där "atom" kommer in.

Vad är atomämnen?

"Atomaterial" är en förkortning för "atommaterial, "så kallat eftersom deras egenskaper beror på deras atomers exakta konfiguration. Det är ett nytt men snabbt utvecklande område.

Ett exempel är grafen, som är gjord av kolatomer. Till skillnad från diamant, där kolatomerna bildar en styv tredimensionell struktur, grafen är gjord av ett skikt kolatomer, sammanfogade i ett tvådimensionellt bikakegitter.

Diamantens styva struktur är orsaken till dess berömda hårdhet och livslängd, vilket gör det till det perfekta materialet för avancerade borrbitar och dyra smycken. I kontrast, den tvådimensionella formen av kolatomer i grafen gör att elektronen kan resa friktionsfritt vid hög hastighet vilket ger ultrahög ledningsförmåga och enastående i plan mekanisk hållfasthet. Således, grafen har breda tillämpningar inom läkemedel, elektronik, energilagring, ljusbearbetning, och vattenfiltrering.

Med hjälp av lasrar, vi kan forma dessa atomstrukturer till miniatyriserade enheter med exceptionell prestanda.

Med hjälp av atomämnen, vårt labb har arbetat med en rad innovationer, i olika utvecklingsstadier. De inkluderar:

• En magisk kylfilm . Denna film kan kyla miljön med upp till 10 ℃ utan att använda någon elektricitet. Genom att integrera en sådan film i en byggnad, elen som används för luftkonditionering kan minskas med 35%, och sommarens strömavbrott upphörde effektivt. Detta kommer inte bara att spara elräkningar utan också minska växthusutsläppen.
• Värmeabsorberande film . Ungefär 97% av jordens vatten finns i haven, och är salt och oanvändbar utan dyr bearbetning. Att effektivt ta bort salt från havsvatten kan vara en långsiktig lösning på den växande globala sötvattenbristen. Med en soldriven grafenfilm, denna process kan göras mycket effektiv.

Filmen absorberar nästan allt solljus som lyser på den och omvandlar den till värme. Temperaturen kan höjas till 160 ℃ inom 30 sekunder. Denna värme kan sedan destillera havsvatten med en verkningsgrad större än 95%, och destillerat vatten är renare än kranvatten. Denna billiga teknik kan vara lämplig för hushålls- och industriapplikationer.

• Smart avkänningsfilm . Dessa flexibla atommaterialfilmer kan innehålla ett brett spektrum av funktioner, inklusive miljöavkänning, kommunikation, och energilagring. De har ett brett spektrum av tillämpningar inom vården, sporter, avancerad tillverkning, jordbruk, och andra. Till exempel, smarta filmer kan övervaka jordfuktigheten nära växternas rötter, på så sätt bidra till att göra jordbruket mer vatteneffektivt.
• Ultratunna, ultralätta linser . Den största delen av en mobiltelefonkamera är objektivet, eftersom den måste vara gjord av tjockt glas med särskilda optiska egenskaper. Men linser gjorda med grafen kan bara vara miljontedelar av en millimeter tjocka, och levererar fortfarande enastående bildkvalitet. Sådana linser kan kraftigt minska vikten och kostnaden för allt från telefoner till rymdsatelliter.
• Nästan omedelbar strömförsörjning . Vi har utvecklat en miljövänlig superkondensator från grafen som laddar enheter på några sekunder, och har en livstid på miljontals laddningscykler. Genom att fästa den på baksidan av en solcell, den kan lagra och leverera solgenererad energi när och var som helst. Du kommer att vara gratis och verkligen mobil.

Vart nästa?

Det kan ta år innan några av dessa laboratorieteknologier når resultat. För att försöka påskynda processen, vi etablerade CTAM Global OpenLab för att interagera med industrin, akademin, regeringen och det bredare samhället och för att främja delning och samarbete. Labbet lanserades tidigare den här månaden vid den internationella konferensen om nanomaterial och atomvetenskap och applikationer (ICNASA2020).

Världen står inför stora utmaningar, från klimatförändringar, till energi- och resursbrist, för vår hälsa och vårt välbefinnande.

Materialinnovation är viktigare än någonsin och måste vara mer effektiv, design-driven and environmentally friendly. But these challenges can only be solved by joint effort from worldwide researchers, enterprise, industry and government with a sharing and open mindset.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.