纳米工业革命取得了新的突破:日本创造了准商业化的纳米组装机器人,科学家们梦想的神奇材料将迎来高速自动化生产

来源:上海新型纳米材料 发布时间:2019-01-11 点击次数:


    
     1959年,理查德·费曼在加州理工学院美国物理年会上的讲话,在底部有足够的空间,提出了在原子尺度上进行纳米操纵和组装的可能性,并对21世纪各国所占据的高地纳米技术进行了极为远见的预测。
    
    
    
     著名科学家钱学森还表示,纳米技术是21世纪科技发展的重点,将是一场技术革命和工业革命。
    
     其中,纳米机器人是指由纳米级或分子级组成,尺寸为0.1-10微米的纳米机器人。另一种纳米机器人是指能够与纳米物体精确交互的纳米操纵机器人。今天,我们将介绍这种机器人。
    
     在上个月的《自然通讯》杂志上,我们终于看到了纳米操纵机器人的尊严,这种机器人可以被称为神奇的材料制造者。日本东京大学工业科学研究所(Institute of Industrial Science,University of Tokyo,Japan)的Satoru Masubuchi、Tomoki Machida及其同事开发了纳米组装机,机器人系统已接近商业化。
    
     上周的《自然纳米技术》杂志发表了一篇由马德里高级研究所(IMDEA)的研究人员Riccardo Frisenda和Andres Castellanos Gomez对这项研究的分析,他们认为纳米机器人系统不仅改写了纳米技术研究的游戏规则,而且还开创了大规模纳米制造的前景。锻炼。
    
    
    
     相信最近看过第三版的读者会对新的铁人长袍纳米装甲印象深刻。这种装甲的一个特点是它存储了大量的纳米机器人,可以随时修复装甲。虽然本文所研究的纳米机器人系统不能承担这一责任,但它们也承担着一个重要的任务——实现范德华(van der waals,VDW)异质结构的个性化制造。科学家梦寐以求的后摩尔时代的魔法材料,其效率远远高于人类的手动速度。
    
     这种准商业化的纳米机器人系统为复杂的VDW异质结构的个性化设计和自动装配提供了一种有效的技术。希望进一步发展VDW异质结构的电子多样性,实现新型功能微电子和光电器件的制造,揭示新的二维物理机制。
    
     简而言之,VDW异质结构是由不同二维材料的人工叠加而成,结构本身是一种新的人工材料,相当于原子尺度的乐高,这种按需设计和人工结构的叠加大大丰富了材料的性能,被认为是一种神奇的材料。不存在于自然界中,但性能优良的。
    
     早些时候,dt jun报道说,21岁的麻省理工学院中国科学家已经连续发表了两篇自然论文:室温超导有望取得重大突破,石墨烯发现了神奇的6550
    
    
    
     想象一下,将不同性质的二维材料叠加在一起,可以创造无限丰富的新材料和新物理性质,这使得VDW异质结构比二维材料本身更有吸引力。这项技术也使得材料的设计空前简单,甚至发现了许多新的物理现象:例如,第一次观测到的分形现象。Hof Stadter预测的分形Landau的量子化也观察到了分形量子霍尔效应、高质量量子振荡、共振隧穿效应等。这些都是只是原子层中乐高无限可能的冰山一角。
    
     然而,结构可控、复杂的VDW异质结构能否设计成低成本、高效率的批量生产,取决于它们是否具有足够的应用前景。
    
     目前,这种神奇材料的制造仍然严重依赖于实验仪器的人工操作,涉及到许多复杂的人工操作环节,因此,对VDW异质结构的研究处于一个难以突破的瓶颈状态:高复杂度要求和低制造可行性。很明显,解决这个问题需要技术上的突破。
    
     研究人员提出了一些自动化技术。然而,由于集成VDW异构结构制造、计算机视觉和机器人技术所面临的技术障碍,目前还没有真正的VDW异构结构自动化制造技术。
    
     为了解决这一问题,科学家们将重点放在纳米机器人上,日本研究人员开发的自动化纳米机器人系统的最大突破之一是能够有效地自动识别和分类二维晶体,并通过自动转移机械手和压印机实现复杂的超晶格组装。G技术。
    
    
    
     此外,纳米机器人系统每小时能自动识别400张石墨烯单张,误差最小(7%,原始识别算法的实际检测率小于50%)。它可以在每小时四个周期内组装二维晶体,每个周期仅需几分钟的人工干预。
    
     目前,该机器人系统可生产由石墨烯和六角氮化硼组成的29层G/HBN(石墨/六角氮化硼)超晶格结构,打破了F.威瑟斯团队2015年创下的13层超晶格记录。
    
    
    
     其中,自动光学显微镜负责对材料进行分类和识别,结合高效的计算机视觉算法,自动显微镜系统每小时可分析12000张光学图像(每秒3张以上图像),对机械剥皮的二维材料片进行搜索和识别,C根据二维材料片的厚度对其进行分类,并将识别出的二维晶体的位置坐标和形态特征存储在后台数据库中,供用户访问,系统还允许用户对材料的堆放顺序和方向进行个性化设计。
    
     值得一提的是,作者提出了一种改进的图像处理算法,根据颜色对比度和信息熵阈值这两条路径来搜索和识别光学图像,大大降低了识别错误率。
    
    
    
     识别后,系统开始装配,在装配过程中,机器人系统通过搜索数据库,在机器视觉算法的引导下,按照特定的顺序选择不同的二维晶圆片,并通过芯片操纵器进行传递。
    
    
    
    
    
     然后,在压花设备上,用聚合物密封沿特定方向将二维晶体片堆叠成复杂的VDW异质结构,同时重复最后两个步骤,即可获得多层VDW异质结构的制造。
    
    
    
     本周对这项研究的自然纳米技术分析通过一个简单的数学计算证明了纳米机器人系统的商业潜力:研究人员需要几天的时间来手动组装13层VDW异质结构,而组装29层VDW异质结构只需要32小时,这只是一个小的外观。泽尔。
    
    
    
     Castellanos-Gomez说:这个机器人系统所消耗的时间还有很大的改进空间,目前限制速度的主要原因之一是每一个传输步骤都需要中断,以请求人类主管的许可。这个手动监控步骤的主要目的是校准产生的10微米误差。在机器人的自动对准过程中,如果我们与市场上现有的高精度移动平台合作(这项技术是可行的),我们可以省略这一手动监控步骤,我相信这将大大加快装配过程。
    
     Castellanos-Gomez认为,该系统是原子分子机械组装的雏形,与制造业常用的自上而下的方法不同,通过光刻和其他工艺,将大块材料减少到生产小型器件,如硅工业中的宏晶圆的微晶体管。在日本研究人员开发的机器人系统中,他们使用自下而上的方法,通过堆叠原子层厚度的二维材料来形成纳米器件。
    
     当然,也有一些自组装方法可以在不需要人工参与的情况下形成分层的VDW异质结构,但是这些自组装方法只能产生具有A-B-A-B-A-B交叉层的简单异质结构,相比之下,机器人很容易产生用户定义的任意、更复杂和个性化的异质结构。物件。
    
     因此,这项工作的意义不仅在于发明一种能减轻研究人员的人力负担的工具,而且为制造复杂的叠层异质结构和研究目前人工操作无法实现的新物理现象提供了可能,而且有利于纳米器件的大规模集成,包括准确和可重复的二维材料片的自动识别和堆叠。
    
     该系统还面临着许多亟待解决的问题:如何取消人工监控和校准步骤,实现传输过程的完全自动化当前的二维材料剥离和最终产品如何转移到目标基板,或暴露在空气中,使整个过程处于环境可控的大气中此外,尽管作者对系统的运行和所用软件的开源提供了非常全面的描述,但仍有必要考虑进一步降低系统运行的复杂性,以便于潜在用户的使用。
    
    
    
     然而,尽管有许多挑战,机器人系统是实现基于二维材料的任意复杂纳米器件的重要一步。
    
     目前,为了使这种纳米机器人系统不仅能替代廉价的实验室劳动力,而且能在大规模纳米制造中实现飞跃,研究人员必须通过化学气相沉积(CVD)证明其与二维材料大规模增长的相容性。n适用于机械剥离的二维材料片的堆垛,虽然仍限于实验室使用,但我认为在不久的将来用于CVD材料并不难。
    
     目前,二维VDW材料的研究正处于升温阶段。随着纳米操纵机器人自动装配技术的普及,越来越多的VDW材料有望进入我们的视觉领域。预计将出现更多具有新颖性和优良性能的材料。
    
     https://spectrum.ieee.org /nanoclast /半导体/纳米技术/机器人系统导致纳米结构的大规模组装
    
    


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