太赫兹通信技术迎来新突破 为开启6G的未来奠定基础

太赫兹通信技术迎来新突破 为开启6G的未来奠定基础 太赫兹频率电磁波为通信、扫描和成像技术的进步带来了巨大的希望。然而，利用它们的潜力却障碍重重。东北大学的一个研究小组取得了突破性进展，专门针对太赫兹频谱创建了一种新型可调滤波器。他们的研究成果发表在《光学快报》（Optics Letters）杂志上。太赫兹波属于电磁波谱中介于微波和红外线频率之间的一个区域。太赫兹波比无线电波频率高（波长短），但比可见光频率低。日益拥挤的无线电波频谱承载着 WiFi、蓝牙和当前移动电话（手机）通信系统传输的大量数据。所开发的可调滤波器的概念示意图。(a) 滤波器的横截面图；(b) 周期与折射率之间的关系；(c) 折射率变化引起的频率偏移。资料来源：Ying Huang 等人电磁频谱低频部分的信号拥塞是探索太赫兹区域的一个诱因。另一个原因是太赫兹具有支持超高数据传输速率的能力。不过，将太赫兹信号用于常规应用的一个关键挑战是，必须能够在特定频率上调整和过滤信号。需要进行滤波，以避免受到所需频段以外信号的干扰。太赫兹滤波技术的突破东北研究小组的 Yoshiaki Kanamori 说："我们构建并演示了太赫兹波频率可调滤波器，与传统系统相比，它实现了更高的传输速率和更好的信号质量，揭示了太赫兹无线通信的潜力。他补充说，这项工作还可以在太赫兹频段之外得到更广泛的应用。"机械折射率可变超材料。资料来源：Ying Huang et al.这种新型太赫兹滤波器基于一种名为法布里-珀罗干涉仪的装置，与所有干涉仪一样，它依赖于不同电磁辐射波在镜面间反弹时相互影响而产生的干涉图案。研究人员的版本使用结构精细的光栅作为镜面之间的材料，其间隙小于相互作用波的波长。光栅的可变拉伸允许对其折射率进行必要的精细控制，以调整干涉仪的滤波效果。这样就只能传输所需的频率。使用不同的光栅可以控制不同的选定频率范围。该团队已经展示了他们的系统在适用于下一代（6G）移动电话信号的频率上的应用。通过控制周期来调节折射率和频率。资料来源：Ying Huang et al.Kanamori说："除了我们的方法在通信系统中的应用外，我们还设想在医学和工业领域的扫描和成像技术中使用我们的方法。"太赫兹波在扫描和成像方面的一个优势是，它可以轻易穿透阻挡光线通过的材料，包括生物组织。除医疗应用外，这也为材料分析、安全系统和制造过程中的质量控制提供了机会。Kanamori总结说："总之，我们的工作提供了一种简单而经济有效的方法来过滤和主动控制太赫兹波，这将推动其在许多应用中的使用。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家创造出的新材料兼具玻璃聚合物的硬度和凝胶的拉伸性

科学家创造出的新材料兼具玻璃聚合物的硬度和凝胶的拉伸性 研究人员创造了一种名为"玻璃凝胶"的新型材料，这种材料与玻璃聚合物一样坚硬，但如果施加足够的力，它可以拉伸到原长度的五倍，而不会断裂。玻璃态凝胶的一个关键特点是，它们的液体含量超过 50%，这使得它们比具有类似物理特性的普通塑料更能有效导电。资料来源：北卡罗来纳州立大学王美香科学家们发明了一种名为"玻璃凝胶"的新型材料，这种材料尽管含有 50% 以上的液体，但却非常坚硬且不易破裂。加上玻璃凝胶易于生产，这种材料有望应用于多种领域。凝胶体和玻璃态聚合物是历来被视为截然不同的两类材料。玻璃态聚合物质地坚硬，通常比较脆。它们用于制造水瓶或飞机窗户等物品。凝胶（如隐形眼镜）含有液体，柔软而有弹性。"我们创造了一类被称为玻璃凝胶的材料，这种材料和玻璃聚合物一样坚硬，但如果施加足够的力，它可以拉伸到原来长度的五倍，而不会断裂，"这项研究论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程系卡米尔和亨利-德雷福斯教授迈克尔-迪基（Michael Dickey）说。"更重要的是，一旦材料被拉伸，你就可以通过加热使其恢复原状。此外，玻璃凝胶的表面具有很强的粘性，这在硬质材料中并不多见。"该论文的共同第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后研究员王美香说："玻璃凝胶的一个关键特点是，它们的液体含量超过 50%，这使得它们比物理特性相当的普通塑料更能高效导电。考虑到这些材料所具有的许多独特性质，我们对它们的用途感到乐观。"玻璃态凝胶，顾名思义，实际上是一种结合了玻璃态聚合物和凝胶最诱人特性的材料。为了制造玻璃态凝胶，研究人员首先将玻璃态聚合物的液态前体与离子液体混合。将这种混合液体倒入模具中，暴露在紫外线下，使材料"固化"。然后移除模具，留下玻璃状凝胶。"离子液体是一种溶剂，就像水一样，但完全由离子组成，"Dickey 说。"通常在聚合物中添加溶剂时，溶剂会推开聚合物链，使聚合物变得柔软、可伸展。这就是为什么湿隐形眼镜柔软，而干隐形眼镜不柔软的原因。在玻璃态凝胶中，溶剂会将聚合物分子链推开，使其像凝胶一样具有拉伸性。然而，溶剂中的离子会强烈吸引聚合物，从而阻止聚合物链移动。链条无法移动就使其成为玻璃状。最终的结果是，由于吸引力的作用，材料变得坚硬，但由于额外的间距，材料仍然能够拉伸。"研究人员发现，玻璃凝胶可以用各种不同的聚合物和离子液体制成，但并非所有类别的聚合物都能用于制造玻璃凝胶。Dickey说："带电或极性的聚合物有望用于玻璃凝胶，因为它们会被离子液体吸引。也许玻璃凝胶最吸引人的特点就是它们的粘性，因为虽然我们知道是什么让它们变得坚硬和可拉伸，但我们只能猜测是什么让它们如此具有粘性。"在测试中，研究人员发现，玻璃状凝胶即使含有 50-60% 的液体，也不会蒸发或变干。他们还认为，玻璃凝胶易于制造，因此有望得到实际应用。Dickey 说："制造玻璃态凝胶是一个简单的过程，可以通过在任何类型的模具中固化或 3D 打印来实现。大多数具有类似机械性能的塑料都要求制造商将聚合物作为原料进行生产，然后将聚合物运输到另一个工厂，在那里聚合物被熔化并形成最终产品。我们很高兴看到如何使用玻璃凝胶，并愿意与合作者一起确定这些材料的应用"。这篇题为"由溶剂增韧的玻璃凝胶"的论文于 6 月 19 日发表在《自然》杂志上。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新型"玻璃凝胶"材料具有奇特的强度、伸缩性和粘性

新型"玻璃凝胶"材料具有奇特的强度、伸缩性和粘性 玻璃聚合物是一种塑料，具有类似玻璃的特性强度高、硬度大、刚度高，但通常也比较脆，如果试图弯曲或拉伸就会断裂。凝胶则柔软而有弹性，但也很脆弱。现在，北卡罗来纳大学的研究小组开发出了一种新材料，它结合了这两种材料的优点。该研究的通讯作者迈克尔-迪基（Michael Dickey）说："我们创造了一类被称为玻璃凝胶的材料，这种材料和玻璃聚合物一样坚硬，但如果施加足够的力，它可以拉伸到原来长度的五倍，而不会断裂。更重要的是，一旦材料被拉伸，你可以通过加热使其恢复原状。此外，玻璃凝胶的表面具有很强的粘附性，这在硬质材料中并不多见。"为了制造玻璃状凝胶，研究小组将玻璃状聚合物的液态前体分子与离子液体结合在一起。然后将混合物倒入模具中，暴露在紫外线下使其固化，最后从模具中取出。这种离子液体起着溶剂的作用，使材料同时具有玻璃和凝胶的功能。迪基说："通常情况下，当你在聚合物中加入溶剂时，溶剂会推开聚合物链，使聚合物变得柔软、可拉伸。在玻璃凝胶中，溶剂会将聚合物分子链推开，使其像凝胶一样可拉伸。然而，溶剂中的离子会强烈吸引聚合物，从而阻止聚合物链移动。链条无法移动就使其成为玻璃状。最终的结果是，由于吸引力的作用，材料变得坚硬，但由于额外的间距，材料仍然能够拉伸。"尽管按重量计算，这些玻璃凝胶的液体含量超过 54%，但它们的断裂强度达到 42 兆帕、韧性达到 110 兆焦耳/立方米、屈服强度达到 73 兆帕、杨氏模量达到 1 千兆帕。研究小组说，这些数据与聚乙烯等热塑性塑料相似，但与这些材料不同的是，它们还能被拉伸至原始长度的五倍。一种名为玻璃凝胶的新型材料样品玻璃凝胶的其他优点还包括能够自我修复，只要稍微加热就能恢复原状。它们的高液体含量也使它们成为更有效的导电体，而且它们的表面还具有粘合性，但研究小组并不完全清楚其中的原因。最有用的是，这些玻璃凝胶相当容易制造。"制造玻璃态凝胶是一个简单的过程，可以通过在任何类型的模具中固化或 3D 打印来完成，"迪基说。"大多数具有类似机械性能的塑料都需要制造商将聚合物作为原料进行生产，然后将聚合物运输到另一个工厂，在那里聚合物被熔化并形成最终产品。"到目前为止，研究人员还不确定这些玻璃凝胶可能会有哪些应用，但他们相信，这种新材料具有一系列令人感兴趣的特性，最终可能会被证明非常有用。这项研究发表在《自然》杂志上。研究小组在下面的视频中展示了玻璃凝胶。 ... PC版： 手机版：

新技术实现太赫兹波“绕障”传输 或将彻底改变未来无线通信

新技术实现太赫兹波“绕障”传输 或将彻底改变未来无线通信 大多数用户可能使用Wi-Fi基站，让整个房间充满无线信号。无论用户移动到哪里，他们都能保持连接。但在更高频率下，信号将是定向光束。如果用户四处移动，该光束必须跟随才能保持连接。一旦移到光束之外或有物体阻挡，用户就不会收到任何信号。研究人员通过创建太赫兹信号来规避这个问题。该信号可沿着障碍物周围的弯曲轨迹行进，而不是被障碍物阻挡。研究团队引入了自加速梁的概念。这些光束是电磁波的特殊配置，当它们穿过空间时会自然地向一侧弯曲。团队设计了发射器，以便系统操纵电磁波的强度和时间。凭借这种操纵光的能力，研究人员可使波更有效地协同工作，以便在固体物体阻挡部分光束时维持信号。光束沿着发射器中的模式重新排列数据来适应阻挡。当一种模式被阻止时，数据传输将切换到下一种模式，从而保持信号链路完好无损。通过使用这些弯曲光束，研究人员希望未来能使无线网络更加可靠，即使在拥挤或有阻碍的环境中也是如此。未来在办公室或城市等经常出现物理障碍的地方，将可实现更快、更稳定的互联网连接。 ... PC版： 手机版：

从木浆中提取的新型水凝胶有望用来修补破碎的心脏组织

从木浆中提取的新型水凝胶有望用来修补破碎的心脏组织 普林斯说："癌症是一种多种多样的疾病，两名患有相同类型癌症的患者对同一种治疗方法的反应往往大相径庭。肿瘤器官组织本质上是患者肿瘤的微型化，可用于药物测试，这可以让研究人员为特定患者开发个性化疗法"。作为普林斯聚合物材料实验室的主任，普林斯为生物医学应用设计合成仿生物水凝胶。这些水凝胶具有纳米纤维结构，并有大孔用于营养物质和废物的运输，从而影响机械性能和细胞相互作用。滑铁卢大学化学工程系教授普林斯利用这些人体组织模拟水凝胶促进了来自捐赠肿瘤组织的小规模肿瘤复制品的生长。她的目标是在对患者进行治疗之前，在微型肿瘤器官组织上测试癌症治疗的有效性，从而有可能实现个性化的癌症治疗。这项研究是与玛格丽特公主癌症中心的戴维-塞斯康（David Cescon）教授合作进行的。滑铁卢大学的普林斯研究小组正在开发类似的生物仿生水凝胶，以用于注射给药和再生医学应用，滑铁卢大学的研究人员将继续引领加拿大的健康创新。她的研究旨在利用注入的丝状水凝胶材料重新生长心脏病发作后受损的心脏组织。她利用纳米纤维作为支架，促进受损心脏组织的再生和愈合。普林斯说："我们正在我博士期间开始的工作的基础上设计人体组织仿生水凝胶，这种水凝胶可以注入人体，在病人心脏病发作时输送治疗药物并修复对心脏造成的损伤。"Prince 的研究是独一无二的，因为目前用于组织工程或三维细胞培养的大多数凝胶都不具备这种纳米纤维结构。普林斯的研究小组使用纳米粒子和聚合物作为材料的构件，并开发出了能准确模拟人体组织的纳米结构化学。普林斯研究的下一步是利用导电纳米粒子制造导电纳米纤维凝胶，用于治疗心脏和骨骼肌组织。这项创新有望推动再生医学和个性化疗法的发展，为健康创新做出重大贡献。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

哈佛大学开发的水凝胶粘合方法有望带来新型生物材料解决方案

哈佛大学开发的水凝胶粘合方法有望带来新型生物材料解决方案 这幅插图重点展示了两种水凝胶（蓝色显示）如何通过壳聚糖薄膜（橙色显示）以不同方式结合在一起。形成的粘结异常牢固，可以抵抗高张力。资料来源：Peter Allen、Ryan Allen 和 James C. Weaver。在临床实践中，水凝胶已被用于抗病原体的治疗性给药，眼科中的眼内镜、隐形眼镜和角膜假体，组织工程和再生中的骨水泥、伤口敷料、凝血绷带和三维支架。然而，水凝胶聚合物之间的快速强力粘附仍是一项尚未解决的需求，因为传统方法往往会在粘附时间超过预期后导致粘附力减弱，而且依赖于复杂的程序。实现聚合物的快速粘合可以带来许多新的应用，例如，可以对水凝胶的硬度进行微调，使其更好地贴合特定组织；按需封装用于医疗诊断的柔性电子器件；或为身体难以包扎的部位制作自粘性组织包裹。现在，哈佛大学维斯生物启发工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）和哈佛大学约翰-保尔森工程与应用科学学院（John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，SEAS）的科学家们利用壳聚糖薄膜创造出了一种简单而多用途的方法，可以立即有效地粘合由相同或不同类型的水凝胶和其他聚合物材料制成的层。他们成功地将新方法应用于几个尚未解决的医学问题，包括组织的局部保护性冷却、血管损伤的密封，以及防止本不应相互粘连的身体内部表面发生不必要的"手术粘连"。研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。"壳聚糖薄膜具有在体内和体外有效组装、微调和保护水凝胶的能力，为创造再生医学和外科护理设备提供了许多新机会，"该研究的资深作者、Wyss 研究所创始核心成员 David Mooney 博士说，"壳聚糖薄膜的应用速度快、简便、有效，使其成为用途广泛的工具和组件，可在手术过程中通常很短的时间内完成体内组装过程，并可在制造设施中简单地制造复杂的生物材料结构。"穆尼还是 SEAS 的罗伯特-平卡斯家族生物工程学教授。工程学的新纽带过去几年来，穆尼在威斯研究所和SEAS的团队开发出了"强韧粘合剂"，这是一系列再生医学方法，使用可拉伸水凝胶，通过强力粘附在湿组织表面并符合组织的机械特性，促进伤口愈合和组织再生。"精确配制的韧性粘合剂和非粘性水凝胶为我们和其他研究人员提供了改善病人护理的新机会。但是，为了将它们的功能更进一步甚至更多步，我们希望能够将两种或更多水凝胶组合成更复杂的组合体，并以简单的过程快速、安全地实现这一目标，"共同第一作者、前 Wyss 研究助理 Benjamin Freedman 博士说，他与穆尼一起带头开发了几种强韧粘合剂。现有的即时粘合水凝胶或弹性体的方法有明显的缺点，因为它们依赖于有毒胶水、表面化学功能化或其他复杂的程序。通过生物材料筛选方法，研究小组确定了完全由壳聚糖制成的桥接薄膜。壳聚糖是一种含糖聚合物，可以很容易地从贝类的甲壳素外壳中提取出来，目前已被广泛应用于商业领域。例如，它目前被用于处理种子和农业生物杀虫剂、防止酿酒过程中的腐败、自愈合涂料以及医疗伤口管理。研究小组发现，壳聚糖薄膜通过与传统水凝胶粘合方法不同的化学和物理相互作用，实现了水凝胶快速而牢固的粘合。壳聚糖的糖链不是通过单个原子之间的电子共享（共价键）来产生新的化学键，而是通过静电作用和氢键（非共价键）迅速吸收水凝胶层之间的水分，并与水凝胶的聚合物支架缠结在一起，形成多个键。这使得水凝胶之间的粘合力大大超过传统的水凝胶粘合方法。首次应用为了证明他们的新方法具有广泛的潜力，研究人员把重点放在了非常不同的医疗挑战上。他们的研究表明，用壳聚糖薄膜改性的韧性粘合剂现在可以很容易地缠绕在受伤手指等圆柱形物体上，作为自粘绷带提供更好的伤口护理。由于壳聚糖键合水凝胶的含水量高，因此应用这种水凝胶还可以局部冷却下层人体皮肤，这在未来可能会成为烧伤治疗的替代疗法。研究人员还将表面经过壳聚糖薄膜修饰的水凝胶（坚韧的凝胶）无缝地包裹在肠道、肌腱和周围神经组织上，而不与组织本身粘合。"这种方法为在手术过程中有效隔离组织提供了可能，否则会形成'纤维粘连'，有时会造成破坏性后果。"Freedman 解释说："预防纤维粘连是一项尚未满足的临床需求，而商业技术还无法充分满足这一需求。"在另一项应用中，他们在一种坚韧的凝胶上铺设了一层薄薄的壳聚糖薄膜，这种凝胶已经作为伤口密封剂置于受伤的猪主动脉上，以增加绷带的整体强度，因为绷带暴露在血管中血液搏动的周期性机械力之下。"戴夫-穆尼研究小组的这项研究为生物医学水凝胶设备的工程设计增添了一个新的维度，它可以为再生医学和外科医学中尚未解决的紧迫问题提供优雅的解决方案，让许多病人从中受益，"Wyss 创始董事、医学博士唐纳德-英格伯（Donald Ingber）说，他同时也是哈佛医学院和波士顿儿童医院血管生物学朱达-福克曼（Judah Folkman）教授和 SEAS 生物启发工程汉斯约格-威斯（Hansjörg Wyss）教授。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：