“纳米拉曼”加速推进纳米复合材料研究

随着纳米技术日新月异的发展，科学家们发现在塑料聚合物中加入纳米颗粒，能够增加材料的牢固性。此类纳米复合材料几乎渗透了人类日常生活的方方面面，波音787梦幻客机就是一个典型例子。这架飞机的机翼和大部分机身由纳米复合塑料构成，总重量比铝制的飞机轻得多，但强度却与其不相上下。这意味着此类新型飞机消耗的燃料更少，飞得更远，还能携带更多的货物和乘客。

这项堪称颠覆性的变革，要归功于近年来在材料研发工作中发挥重要作用的光谱技术。其中，利用针尖增强拉曼光谱（TERS）将原子力显微共焦拉曼光谱（AFM-Raman）实现侧向激发耦合，更为科研项目关键模型构建与理论设定提供了强有力的支持。这项技术将拉曼光谱分析从亚微米级别成功提升到了纳米级别，然而该光谱分析技术诞生之初却经受了一番质疑。

我们知道大多数纳米材料的基底通常是不透明的，比如硅、某些金属等，甚至有些样品也是不透明的。这种情况下，传统的TERS技术无法将激光从底部激发耦合，而从顶部激发又会有针尖遮挡。面对这一难题，田纳西大学和橡树岭国家实验室（ORNL）州长主席 Alexei Sokolov 为我们介绍了侧向激发耦合的研发之路。

"当时，侧向激发似乎是唯一的方法了，" Alexei Sokolov 回忆道："当我们成功实现侧向激发耦合的时候是在21世纪初，当时人们的质疑声四起，因为这太不寻常了。用普通的显微镜，你不是从下看就是从上看，而我们做了大量模拟和分析，最终证明侧向看也是可行的。这项技术初步兴起后，得到了 HORIBA 等公司的深入开发。我们也幸运地获得了国家科学基金会的资助，最终成功实现了激光侧向激发耦合！ "

当人们终于得以从侧向观察纳米级材料时，仿佛打开了新世界的大门。化学、晶体等许多其他材料的结构参数，都能借助拉曼和荧光光谱技术清晰地展示。

TERS技术揭秘固体电解质膜（SEI）

Sokolov 主席和他的团队利用针尖增强拉曼光谱（TERS）技术进行研究，揭开了锂离子电池固体电解质膜（SEI）的神秘面纱，为设计开发更高效率的电池奠定了坚实的基础。

锂离子电池在充放电过程中，会在电极表面形成极薄的电化学反应层，阻止其他电化学反应发生。研究人员认为此类SEI是由异质性区域构成的，且具有不同的化学成分，甚至推测这正是电池稳定供电的关键所在。但人们对异质性的大小不得而知，更无法测量其尺寸。

通过 TERS 技术，科学家们终于证实了 SEI 的异质性，并得以推测其厚度范围在10-30纳米。Sokolov 在随后发表的论文中揭示了这一结果，同时也证明了 AFM-Raman/TERS 技术在纳米级异质性测量分析方面的强大力量。

固体电解质膜（SEI）的研究，无疑加速推进了高效固态电池的研发。传统电池使用的是液态电解质，它易燃、有毒而且存在泄漏风险，安全隐患诸多。与之相反，固态电池用固体电解质，能提供更安全、更高的能量密度，其重要意义不言而喻。

Sokolov 团队已经具备了技术雏形，专家估计商用固态电解质电池很快就可以面世。 Sokolov 说，“每公斤电池可以多存储两倍的能量，这意味着电动汽车每次充电可以多跑两倍的时间，且更具安全性。”

在聚合物中添加纳米颗粒，可以极大地改善其机械性能。它们变得可以与传统的金属强度相媲美，同时大大减轻了重量。这一创造性的发现不仅被用来制造 “塑料飞机”，也是研发汽车轮胎和零件等纳米复合材料的主要思路和方法。专家团队正集中精力开发一种碳纤维增强塑料，并且试图使它们能回收利用，以尽量减少对地球的污染。"

像这样，纳米复合材料刷新日常的例子还有很多。

风力涡轮机就是另一个典型。传统涡轮机的叶片由金属制成的，重量大，效率低，导致风力发电始终无法成为主力能源。用纳米塑料制成的涡轮机叶片不但强度大，重量轻，且发电效率也大大增强。

Sokolov 使用 AFM-Raman 来分析此类纳米结构和纳米复合材料的异质性。"长期以来，有一种讨论认为纳米层在聚合物基体内厚度可以达到100纳米甚至更多。而我们的研究清楚地表明，它只有几纳米厚。" Sokolov 说：“人们也总是很好奇，这些颗粒如何排列，如何改变聚合物材料属性的。这也是我们的核心任务。现在凭借 AFM-Raman 技术，我们已经能清楚预判，当纳米填充物加入到聚合物中时，材料的特性会发生何种改变。”

纳米技术正在为人类带来翻天覆地的变化，无论是更高效能的发电、供电装置，还是更轻更便捷的交通工具，都预示着低碳环保的清洁能源与先进材料才是未来可持续发展的全新趋势。急速发展的纳米技术已成为当前科学发展的主流，给我们带来了很多福祉，而全新的侧向激发耦合拉曼技术也将伴随着纳米材料研发一路高歌猛进，它一定会使我们的生活和生存环境变得更加美好。让我们翘首期盼！