麻省理工学院科学家发现极端条件下金属的“反直觉”行为

麻省理工学院科学家发现极端条件下金属的“反直觉”行为 麻省理工学院的科学家们发现，铜等金属在加热和高速撞击时会变得更坚固，这对传统观点提出了挑战，并有可能增强用于太空和高速制造等极端环境的材料。金属受热后会变得更软，这就是铁匠如何通过将铁加热至滚烫将其塑造成复杂形状的原因。任何人将铜线与钢衣架进行比较，都会很快发现铜比钢柔韧得多。但麻省理工学院的科学家们发现，当金属被超高速运动的物体撞击时，情况恰恰相反：金属温度越高，强度越大。在这些对金属造成极大压力的条件下，铜实际上和钢一样坚固。这一新发现可能为极端环境下的材料设计带来新的方法，例如保护宇宙飞船或高超音速飞机的防护罩，或高速制造工艺的设备。麻省理工学院研究生伊恩-道丁和麻省理工学院材料科学与工程系前系主任、现任西北大学工程学院院长兼麻省理工学院客座教授克里斯托弗-舒赫最近在《自然》杂志上发表的一篇论文中描述了这一发现。反直觉的结果和潜在应用作者写道，这一新发现"违背直觉，与几十年来在不太极端条件下进行的研究相悖"。这些意想不到的结果可能会影响各种应用，因为这些撞击所涉及的极端速度经常发生在陨石撞击轨道上的航天器，以及用于制造、喷砂和某些增材制造（3D 打印）工艺的高速加工操作中。研究人员用来发现这种效应的实验是将直径仅为百万分之一米的蓝宝石微粒射向平整的金属板。在激光束的推动下，这些微粒达到了每秒几百米的高速度。虽然其他研究人员偶尔也做过类似的高速实验，但他们往往使用更大的冲击器，即厘米或更大的冲击器。由于这些较大的撞击主要受到撞击冲击的影响，因此无法将机械效应和热效应区分开来。说明：麻省理工学院的科学家发现，当金属被高速运动的物体以极快的速度变形时，较高的温度会使金属变得更坚固，而不是更脆弱。图中，3 个粒子以大致相同的速度撞击金属表面。随着金属初始温度的升高，反弹速度更快，颗粒弹得更高，因为金属也变得更硬而不是更软。图片来源：研究人员提供研究小组使用超高速摄像机跟踪粒子。研究数据中的这个序列显示了一个粒子飞入并从表面反弹的过程。资料来源：麻省理工学院新研究中的微小粒子在撞击目标时不会产生明显的压力波。但麻省理工学院经过十年的研究，才开发出以如此高的速度推动这种微小粒子的方法。"我们利用了这一点，"舒赫说，同时还利用了其他新技术来观测高速撞击本身。观察和调查结果他说："研究小组使用了超高速摄像机来观察粒子的来去。当粒子从表面反弹时，进入和飞出速度之间的差异"告诉你有多少能量沉积"到目标中，这是表面强度的指标。"研究人员使用的微粒由氧化铝或蓝宝石制成，"非常坚硬"。这些微粒直径为 10 到 20 微米（百万分之一米），厚度为头发丝的十分之一到五分之一。当这些微粒背后的发射台被激光束击中时，部分材料会汽化，产生一股蒸汽，将微粒推向相反的方向。研究小组使用超高速摄像机跟踪粒子。研究数据中的这个序列显示了一个粒子飞入并从表面反弹的过程。资料来源：麻省理工学院研究人员将微粒射向铜、钛和金的样品，他们希望他们的结果也适用于其他金属。他们说，他们的数据首次为这种热量越大强度越高的反常热效应提供了直接的实验证据，尽管以前也有报道暗示过这种效应。根据研究人员的分析，这种令人惊讶的效应似乎是构成金属结晶结构的有序原子阵列在不同条件下移动的方式造成的。他们的研究表明，金属在应力作用下的变形受三种不同效应的支配，其中两种效应遵循预测的轨迹，即在温度越高时变形越大，而当变形率超过一定临界值时，第三种效应（即阻力强化）的作用会发生逆转。阻力增强效果超过这个交叉点后，较高的温度会增加材料内部声子（声波或热波）的活动，这些声子与晶格中的位错相互作用，限制了它们滑动和变形的能力。道丁说，这种效应随着撞击速度和温度的增加而增强，因此"速度越快，位错的反应能力就越弱"。当然，在某些时候，升高的温度会使金属开始熔化，这时，效果又会发生逆转，导致软化。道丁说，这种强化效应"会有一个极限"，"但我们不知道它是什么"。舒赫说，这些发现可能会促使人们在设计可能会遇到这种极端应力的设备时选择不同的材料。例如，在通常情况下可能弱得多，但成本较低或更容易加工的金属，可能会在以前没有人想到要使用它们的情况下派上用场。研究人员所研究的极端条件并不局限于航天器或极端制造方法。道丁说："如果你在沙尘暴中驾驶直升机，很多沙粒在撞击叶片时会达到很高的速度。"研究人员用来揭示这一现象的技术可以应用于其他各种材料和情况，包括其他金属和合金。他们说，简单地根据已知材料在不太极端条件下的特性来设计在极端条件下使用的材料，可能会导致人们对材料在极端应力下的行为产生严重的错误预期。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院研究人员利用压电纤维开发出主动降噪织物

麻省理工学院研究人员利用压电纤维开发出主动降噪织物 这项发表在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上的研究，是在早先研究的基础上，创造出一种可以充当麦克风并放大声音的丝绸织物。在研究过程中，研究小组意识到他们的材料还可以用来过滤声音。他们将后一个想法付诸实践。这种由压电纤维制成的特制织物几乎不比头发丝粗。当施加电压时，这种材料就会振动，如果调整得当，就能像降噪耳机一样抵消传入的声音。这种方法在狭小的空间内很有用，但在室内却不奏效。为了应对这一挑战，他们需要一种不同的方法。研究人员发现，通过使用电压使织物完全静止，可以使其变成一种声屏障，像镜子一样将声音反射回声源。在测试中，直接抑制模式（类似于降噪耳机）能够将音量降低 65 分贝。在"静止"模式下，声音传播降低了 75%。虽然前景广阔，但在考虑商业推广之前，仍有许多工作要做。该团队需要进行更多的测试，以了解纤维数量、缝合方向和电源电压等变量的变化对性能的影响。第一作者格蕾丝-杨（Grace Yang）说，这仅仅是个开始，要让这项技术真正有效，"我们还有很多旋钮可以转动"。他们还需要找出将其推向市场的最佳方法。这项研究的共同作者、麻省理工学院教授尤尔-芬克（Yoel Fink）告表示，这种材料现在还太新，他甚至不知道它的市场在哪里。 ... PC版： 手机版：

麻省理工学院发明防篡改 ID 标签：成本低、尺寸小、防伪强

麻省理工学院发明防篡改 ID 标签：成本低、尺寸小、防伪强 研究人员将微小的金属颗粒混合到粘贴标签的胶水中，然后使用太赫兹波检测这些颗粒在物体表面形成的独特图案。就像指纹一样，用于对物品进行身份验证。 商家可以在粘贴标签后进行初始读取，并将数据存储在云端，以后用于验证物品真伪。如果有人试图剥离标签并重新粘贴，就会破坏这种图案。 易碎贴 plus

麻省理工学院的微观超材料可抵御超音速撞击

麻省理工学院的微观超材料可抵御超音速撞击 这就是麻省理工学院工程师在微观超材料实验中的发现这些材料是有意打印、组装或以其他方式设计的，其微观结构赋予了材料整体特殊的性能。在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，工程师们报告了一种快速测试超材料结构阵列及其对超音速撞击的适应性的新方法。通过以超音速发射微粒子，麻省理工学院的工程师们可以测试各种超材料的弹性，这些超材料是由小到一个红血球的结构制成的。图为微粒子撞击超材料结构的四段视频截图。图片来源：研究人员提供在实验中，研究小组将印刷好的微小超材料晶格悬挂在微观支撑结构之间，然后以超音速向材料发射更微小的粒子。然后，研究小组利用高速摄像机以纳秒级的精度捕捉每次撞击及其后果的图像。他们的研究发现了一些超材料结构，与完全固态、非结构化的同类材料相比，它们更能抵御超音速撞击。研究人员说，他们在微观层面观察到的结果可以推广到类似的宏观冲击，从而预测新材料结构在不同长度尺度上如何抵御现实世界中的冲击。研究人员打印出错综复杂的蜂窝状材料，悬浮在相同材料的支撑柱之间（如图）。这种微观结构的高度相当于人类三根头发的宽度。图片来源：研究人员提供"我们正在学习的是，材料的微观结构很重要，即使在高速变形的情况下也是如此，"研究报告的作者、麻省理工学院机械工程系教授卡洛斯-波特拉（Carlos Portela）说。"我们希望找出抗冲击结构，将其制成涂层或面板，用于航天器、车辆、头盔以及任何需要轻质和保护的物体。"该研究的其他作者包括第一作者、麻省理工学院研究生托马斯-布特鲁伊尔（Thomas Butruille）和DEVCOM陆军研究实验室的约书亚-克龙（Joshua Crone）。纯粹的影响团队的新高速实验建立在之前工作的基础上，工程师们在实验中测试了一种超轻碳基材料的韧性。这种材料比人的头发丝还细，由微小的碳支柱和碳束制成，研究小组打印了这些碳支柱和碳束，并将其放置在玻璃载玻片上。然后，他们以超过音速的速度向材料发射微粒子。这些超音速实验表明，微结构材料能够承受高速撞击，有时能使微粒子偏转，有时则能捕获它们。Portela说："但有许多问题我们无法回答，因为我们是在基底上测试材料，这可能会影响它们的行为。"麻省理工学院的工程师们捕捉到了微粒子通过精确设计的超材料发射的视频，其测量厚度比人的头发丝还细。图片来源：研究人员提供在他们的新研究中，研究人员开发了一种测试独立超材料的方法，以观察材料在没有背衬或支撑基底的情况下，自身如何承受撞击。在目前的设置中，研究人员将感兴趣的超材料悬挂在两根由相同基础材料制成的微型支柱之间。根据被测试超材料的尺寸，研究人员计算出两根支柱必须相距多远，才能在两端支撑材料，同时让材料对任何冲击做出反应，而不受支柱本身的影响，这样就能确保我们测量的是材料特性，而不是结构特性。研究小组确定了支柱支撑设计后，便开始测试各种超材料架构。对于每种结构，研究人员首先在一个小型硅芯片上打印出支撑柱，然后继续打印超材料作为柱子之间的悬浮层，在一个芯片上打印和测试数百个这样的结构。穿孔和裂缝研究小组打印出的悬浮超材料类似于错综复杂的蜂巢状截面。每种材料都印有特定的三维微观结构，如重复八面体或多面体多边形的精确支架。每个重复单元的大小与一个红血球相当。由此产生的超材料比人的头发丝还要细。随后，研究人员以每秒 900 米（每小时 2000 多英里）的速度 - 完全在超音速范围内向这些结构发射玻璃微粒子，测试每种超材料的抗冲击能力。他们用相机捕捉了每次撞击，并逐帧研究了生成的图像，以了解射弹是如何穿透每种材料的。接下来，他们在显微镜下检查了这些材料，并比较了每次撞击的物理后果。波特拉说："在建筑材料中，我们看到了撞击后小圆柱形弹坑的形态。但在固体材料中，我们看到了许多径向裂缝和被刨出的大块材料"。总之，研究小组观察到，发射的粒子在晶格超材料上造成了小的穿孔，而材料却保持完好无损。与此相反，当以相同的速度将相同的粒子发射到质量相等的非晶格固体材料中时，它们会产生大裂缝，并迅速扩散，导致材料破碎。因此，微结构材料能更有效地抵御超音速撞击以及多重撞击。尤其是印有重复八面体的材料似乎最坚硬。意见和未来方向"在相同的速度下，我们看到八面体结构更难断裂，这意味着单位质量的超材料能够承受的冲击力是块状材料的两倍，"波特拉说。"这告诉我们，有一些结构可以使材料变得更坚硬，从而提供更好的冲击保护"。展望未来，该团队计划利用新的快速测试和分析方法来确定新的超材料设计，希望能标记出可升级为更坚固、更轻便的防护装备、服装、涂层和镶板的架构。波特拉说："最让我兴奋的是，我们可以在台式机上进行大量这些极端实验。这将大大加快我们验证新型高性能弹性材料的速度。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

【联邦银行和麻省理工学院DCI加入CBDC隐私研究】

【联邦银行和麻省理工学院DCI加入CBDC隐私研究】 德国联邦银行（Bundesbank）与麻省理工学院数字货币倡议（DCI）合作研究中央银行数字货币（CBDC）的隐私问题。双方致力于解决数字支付客户数据的安全问题，确保用户隐私权得到保护。德意志联邦银行行长约阿希姆·纳格尔强调，在CBDC发展过程中，保护隐私至关重要。该研究旨在制定一种减少用户侵犯隐私机会的方法。合作有助于实现欧元区内部直接转账的高效性。麻省理工学院DCI拥有与多家中央银行合作的丰富经验，包括美联储和英格兰银行，使其成为推进CBDC研究的重要合作伙伴。 快讯/广告 联系 @xingkong888885

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度 麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子（用箭头表示的球体）排列得比以前更紧密，最小可达 50 纳米。该研究小组计划利用这种方法将原子操纵到可以产生第一个纯磁性量子门的配置中这是新型量子计算机的关键构件。在这张图片中，磁相互作用由彩色线条表示。图片来源：研究人员提供；麻省理工学院新闻他们通常的做法是将原子冷却到静止状态，然后用激光将粒子排列到相距 500 纳米的位置这个限制是由光波长决定的。现在，麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子排列得更近，最小仅为 50 纳米。一个红血球的宽度约为 1000 纳米。物理学家在镝实验中展示了这种新方法，镝是自然界中磁性最强的原子。他们利用新方法操纵了两层镝原子，并将两层原子精确定位在 50 纳米之间。在这种极端接近的情况下，磁相互作用的强度是相隔 500 纳米的两层原子的 1000 倍。不同颜色的激光用于冷却和捕获镝原子。图片来源：研究人员提供更重要的是，科学家们能够测量原子接近所产生的两种新效应。它们增强的磁力导致了"热化"，即热量从一层传递到另一层，以及层间的同步振荡。当原子层之间的距离越远，这些效应就越弱。麻省理工学院约翰-麦克阿瑟物理学教授沃尔夫冈-凯特尔（Wolfgang Ketterle）说："我们已经把原子的间距从 500 纳米提高到 50 纳米，可以利用这一点做很多事情。在 50 纳米处，原子的行为有了很大的不同，我们正在进入一个新的领域。"凯特尔和他的同事说，这种新方法可以应用于许多其他原子，以研究量子现象。该研究小组计划利用这种技术将原子操纵成可以产生第一个纯磁性量子门的构型这是新型量子计算机的关键构件。研究小组于5月2日在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。该研究的共同作者包括第一作者、物理系研究生杜力，以及皮埃尔-巴拉尔、迈克尔-坎塔拉、朱利叶斯-德-洪德和卢宇坤他们都是麻省理工学院-哈佛超冷原子中心、物理系和电子研究实验室的成员。研究人员调整激光系统的控制电子装置。图片来源：研究人员提供为了操纵和排列原子，物理学家通常首先将原子云冷却到接近绝对零度的温度，然后使用激光束系统将原子集中到一个光学陷阱中。激光是一种具有特定波长（电场最大值之间的距离）和频率的电磁波。波长将光所能形成的最小图案限制在 500 纳米，即所谓的光学分辨率极限。由于原子会被特定频率的激光吸引，因此原子会被定位在激光强度的峰值点上。因此，现有技术对原子粒子的定位距离有限，无法用于探索更短距离内发生的现象。凯特尔解释说："传统技术止步于 500 纳米，受限的不是原子，而是光的波长。我们现在发现了一种新的光技巧，可以突破这一限制。"该团队的新方法与当前的技术一样，首先冷却原子云在这种情况下，冷却到大约 1 微开尔文，仅比绝对零度高出一线此时，原子接近静止。然后，物理学家可以使用激光将冻结的粒子移动到所需的构型中。然后，杜和他的合作者使用了两束激光，每束激光都有不同的频率（即颜色）和圆偏振（即激光电场的方向）。当这两束激光穿过超冷原子云时，原子会沿着两束激光中任何一束的偏振，向相反的方向自旋。结果，两束激光产生了两组相同的原子，只是自旋方向相反。每束激光都形成了一个驻波，即空间周期为 500 纳米的电场强度周期性模式。由于它们的偏振不同，每个驻波都能根据原子的自旋吸引和俘获两组原子中的一组。激光可以叠加和调整，使其各自峰值之间的距离小到 50 纳米，这意味着被引力吸引到各自激光峰值的原子将被同样的 50 纳米分开。但要做到这一点，激光器必须非常稳定，不受任何外部噪音的影响，例如实验中的震动甚至呼吸声。研究小组意识到，他们可以通过一根光纤来引导这两束激光，从而使它们保持稳定。杜力说："通过光纤发送两束激光的想法意味着整台机器可能会剧烈晃动，但两束激光彼此保持绝对稳定。"作为对新技术的首次测试，研究小组使用了镝原子一种稀土金属，它是元素周期表中磁性最强的元素之一，尤其是在超低温条件下。然而，在原子尺度上，该元素的磁相互作用在 500 纳米的距离上也相对较弱。就像普通冰箱磁铁一样，原子之间的磁吸引力会随着距离的增加而增加，科学家们怀疑，如果他们的新技术能将镝原子间隔到 50 纳米的距离，就可能观察到磁性原子之间原本微弱的相互作用。坎塔拉说："我们可能会突然产生磁相互作用，这种作用过去几乎可以忽略不计，但现在却非常强大。"研究小组将他们的技术应用于镝，首先对原子进行过冷处理，然后通过两束激光将原子分成两个自旋组或自旋层。他们发现，两层镝原子确实向各自的激光峰引力，这实际上将原子层分开了 50 纳米这是任何超冷原子实验所能达到的最近距离。在这种极度接近的情况下，原子的自然磁性相互作用得到了显著增强，比相距 500 纳米的原子强 1000 倍。研究小组观察到，这些相互作用产生了两种新的量子现象：集体振荡，即一层的振动导致另一层同步振动；热化，即一层纯粹通过原子的磁波动将热量传递给另一层。杜指出："到目前为止，只有当原子处于同一物理空间并发生碰撞时，它们之间才能交换热量。现在，我们看到了被真空隔开的原子层，它们通过波动的磁场交换热量。"该团队的研究成果引入了一种新技术，可用于将多种类型的原子靠近放置。他们还表明，原子放置得足够近时，会表现出有趣的量子现象，可以利用这些现象来制造新的量子材料，并有可能制造出用于量子计算机的磁驱动原子系统。坎塔拉说："我们将超分辨率方法带入了这一领域，它将成为进行量子模拟的通用工具。可能有许多变体，我们正在研究这些变体"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：