明尼苏达大学

明尼苏达大学双城分校的一个研究小组研究了一种生产铁（钢铁的主要成分）的新方法。研究人员首次能够在纳米尺度上实时观察化学反应和铁的形成。

这一突破有望通过提高能源效率和降低成本来改变全球钢铁生产行业。该研究最近发表在《自然通讯》杂志上。

论文指出，钢铁行业是最大的二氧化碳排放行业，约占全球二氧化碳排放总量的7%。传统的炼铁方法污染严重，依靠焦炭（一种煤炭）去除铁矿石中的氧气——这一工艺几个世纪以来基本保持不变。

这种方法消除了传统室温炼铁过程中产生的二氧化碳排放。这使得其效率更高，更受工业界青睐，并为美国制造业的创新开辟了新的途径。

新工艺采用氢气等离子体，这是一种电离气体，能够分解氢气，产生大量高活性氢原子。当铁暴露在这种等离子体中时，高活性氢原子会剥离矿石中的氧气，生成纯铁和水蒸气。

“我们开发了一种新技术，使我们能够在纳米尺度上监测等离子体与材料的相互作用，这是以前从未做过的，”该论文的第一作者、明尼苏达大学机械工程系博士生 Jae Hyun Nam 说道。

该团队与专门生产电子、X 射线和离子显微镜产品的公司 Hummingbird Scientific 合作，创造了一种适合透射电子显微镜的专用支架。

“克服这项研究的技术挑战是我们做过的最困难的实验之一，”论文资深作者、明尼苏达大学机械工程系杰出麦克奈特大学教授彼得·布鲁格曼（Peter Bruggeman）说道。“为了获得纳米级分辨率，需要产生相当于人类头发丝大小的等离子体，这带来了巨大的工程挑战，我们与蜂鸟科学公司（Hummingbird Scientific）合作解决了这一难题。”

之前的光学方法只能观测几百纳米的物体——大约比人类头发直径小一千倍。而这种新方法将使研究人员能够以纳米分辨率观察物体，这比之前的研究结果高出一百倍。

“从能量角度来看，产生等离子体可能比加热材料更高效，”论文资深作者、明尼苏达大学化学工程与材料科学系教授兼Ray D.和Mary T. Johnson系主任Andre Mkhoyan说道。“这项创新有望以更低的能耗改造材料，最终使工艺流程更具经济效益。”