2026年7月16日——亚利桑那大学的研究人员证明了一种名为石墨烯纳米带（GNR）的纳米级半导体材料具有前景广阔的新应用，该材料有潜力耐受极端环境。研究团队的发现可能有助于扫清将聚变能源接入电网的关键障碍。

在这项发表于《ACS应用材料与界面》期刊的概念验证研究中，研究人员将这种被称为GNR的纳米带集成到半导体器件中，并使其暴露于伽马辐射。结果表明，这些纳米带可以用作聚变反应堆及深空环境中的辐射传感器。在深空中，强烈的辐射对现有技术构成挑战，而对材料退化过程的密切监控有助于确保关键系统稳定运行。

“这些器件在暴露后仍能存活并产生响应，但其电学性能发生了显著变化，”首席研究员、亚利桑那大学工程学院材料科学与工程系助理教授Zafer Mutlu表示，“这正是我们从传感器中期望得到的行为。”

基于GNR的传感器有望通过改善工程师监测反应堆第一壁状况的方式，助力解锁聚变能这一清洁、近乎无限的能源。第一壁是最内层的屏障，将超高温燃料与反应堆结构隔离开来，并在强烈辐射下逐渐退化，需要定期检查和更换。工程师目前已可追踪这种损坏，但当今的硅基传感器无法在第一壁内部存活，因此必须安装在屏障外部，从而迫使工程人员在运行中依赖间接测量，并在停机后进行物理检查。

由于伽马辐射在保持纳米带原子结构完整的同时，产生了强烈且可测量的电响应，研究人员认为，未来可以设计基于GNR的传感器，使其在比现有电子设备所能承受的更靠近反应堆核心的位置运行——这有可能减少因检查和维护而导致的昂贵停机时间，并延长聚变发电厂的可运行时间。

“实时监控是我们对这个项目的愿景，”Mutlu说道。

发现背后

尽管这是首次针对GNR对伽马辐射响应的研究，但GNR作为推动芯片技术超越硅极限的领先候选材料，已被广泛研究。它们的微小尺寸和耐用性可以提高从人工智能系统到智能手机等各种设备中芯片的速度和能效。

Mutlu和来自亚利桑那大学的另外八位研究合著者从分子层面合成了这些纳米带，然后将其嵌入常见的半导体器件中。他们使用了Mutlu参与开发的新兴制造技术，使纳米带的宽度精确为九个原子、厚度为一个原子，平均长度约为45纳米——比人类头发丝细数万倍。

Mutlu表示，这些微小的纳米带遵循量子物理而非经典物理的规则。在没有辐射的情况下，电流在研究中使用的GNR中以明确的方式流动。研究人员的测量表明，穿过周围空气的伽马辐射会产生反应性分子，这些分子在不改变整体结构的情况下，微妙地改变纳米带的边缘。在这个尺度上，量子效应放大了微小变化对通过材料的电信号传输的影响。

研究人员提出，这些变化会触发一种称为安德森局域化的量子效应，将载流的电子束缚在特定位置，电流急剧减少，从而产生辐射暴露的信号，这可能为反应堆维护规划提供更精确的数据。

长期以来，聚变一直被认为是一种有前景的大规模、无碳电力来源，它已在实验室达到关键里程碑，包括自2022年以来的实验产出了比激光输送到消耗燃料更多的能量，但仍面临重大工程障碍。亚利桑那大学的研究人员正与业界合作，努力将相关技术规模化，并将聚变电力接入电网。

与这一聚变应用类似，GNR传感器可以为空间系统——包括通信卫星、地球观测卫星和深空探测器——提供健康状态数据，并在故障发生前识别出与辐射相关的早期磨损迹象。

推动纳米尺度的材料设计

对于Mutlu和合作者来说，下一步是在不同辐射剂量下测试同一器件。他们还计划探索不同尺寸的GNR。在完成这些研究后，Mutlu相信研究中使用的合成方法将使研究人员能够定制新型纳米带。

“你可以逐个原子、逐个分子地设计材料。你可以让它不那么敏感、更敏感，或者完全不敏感，”Mutlu说道，他十多年来的研究一直专注于量子材料和半导体器件。

这种程度的控制对于未来的空间系统至关重要，因为电子元件和监控设备都必须在持续辐射暴露下长期运行。在原子层面定制材料的相同能力，既可以支持耐辐射半导体芯片，也可以支持长期追踪系统性能的传感器。

该论文的共同第一作者是博士后研究员Kentaro Yumigeta和博士生Muhammed Yusufoglu。理学院化学与生物化学系的大学杰出教授Jon T. Njardarson的研究小组合成了纳米带的分子构建单元。Mutlu的研究小组负责纳米带合成、器件制造和电学表征，伽马辐照实验由材料科学与工程教授Barrett G. Potter和电气与计算机工程系大学杰出推广教授Kelly Simmons-Potter主导。