- 石墨烯納米帶能在極端環境中生存，對核聚變能源發展有潛力。
- 基於GNR的傳感器可改善反應堆內部監控，提升安全性。
- 納米帶在伽馬輻射下保持完整，並產生可測量的電氣反應。
- 量子效應使GNR對微小變化的電氣信號反應更加敏感。
美國的研究人員展示了一種能夠在極端環境中生存的納米級半導體材料。這種名為石墨烯納米帶（graphene nanoribbons，簡稱 GNRs）的材料，根據亞利桑那大學的研究者所述，可能有助於克服將核聚變能量引入電網的關鍵障礙。研究人員將這些納米帶整合進半導體器件中，並將其暴露於伽馬輻射下。他們的結果顯示，這些納米帶能夠作為核聚變反應堆和深空中的輻射傳感器，因為在強烈輻射的挑戰下，現有技術面臨困難，而對材料劣化的密切監測可幫助保持關鍵系統可靠運作。
GNR在核聚變中的應用
負責該研究的主要研究員扎法·穆特魯（Zafer Mutlu）表示：「這些器件在暴露後仍能存活並作出反應，但其電氣性能卻劇烈變化。這正是我們希望從傳感器中看到的行為。」基於 GNR 的傳感器有助於將核聚變能量解鎖為一種清潔且幾乎無限的能源，藉此改善工程師對反應堆內部第一道牆的監控。這道最內層的屏障將超熱燃料與反應堆結構分隔開，並在強烈輻射下逐漸劣化，因此需要定期檢查和更換。
工程師們追蹤這種損壞，但當前的硅基傳感器無法在第一道牆內部生存。因此，它們必須安裝在屏障外部，這使得在運行期間依賴間接測量，而在停止運行後則需要進行實體檢查。由於伽馬輻射使納米帶的原子框架保持完整，同時產生強而可測量的電氣反應，研究人員建議基於 GNR 的傳感器最終可以工程化，使其能夠在比當前電子設備更靠近反應堆核心的地方運行，從而減少檢查和維護所需的昂貴停機時間，並增加核聚變電廠的運行時間。
量子效應對電氣信號的影響
該研究發表於《ACS 應用材料與界面》期刊，探討了原子精確的 GNR 對伽馬輻射的結構和電子響應。研究人員通過自下而上的表面方法合成了九原子寬的手扶 GNR（9-AGNRs），這些納米帶被整合到場效應晶體管（FETs）中，並在暴露前後使用拉曼光譜和電學傳輸測量進行表徵。拉曼光譜顯示，主要的 GNR 晶格結構得以保留，並伴隨著微妙的光譜變化，暗示著輻射引起的氧化或局部晶格擾動。
穆特魯透露，這些微小的納米帶根據量子物理的規則行為，而非經典物理。在沒有輻射的情況下，電流通過 GNR 流動的方式非常明確。研究人員的測量表明，通過周圍空氣的伽馬輻射產生反應性分子，這些分子微妙地改變了納米帶的邊緣，而不改變其整體結構。在這一尺度下，量子效應放大了小變化對電氣信號傳輸的影響。研究人員提出，這些變化觸發了一種名為安德森局域化（Anderson localization）的量子效應，這會將帶電電子固定在原位，並大幅減少電流，從而產生輻射暴露的信號，這可能為反應堆維護計劃提供更精確的數據。
石墨烯納米帶如何推動核聚變技術
石墨烯納米帶的研究凸顯了在極端環境中材料的潛力，特別是在核聚變能源的應用上。由於當前技術在強輻射下的局限性，GNR的出現可能為反應堆內部的監控提供更可靠的解決方案。這不僅能提高核電廠的運行效率，還能降低維護成本，這對於推動清潔能源的發展至關重要。此外，量子效應的研究也為未來的材料科學提供了新的思路，顯示了微觀結構如何影響宏觀性能。