中国科学家研发出“神奇材料” 无需芯片和电池便可发光

中国科学家研发出“神奇材料” 无需芯片和电池便可发光 该研究提出了基于“人体耦合”的能量交互机制，并成功研发出集无线能量采集、信息感知与传输等功能于一体的新型智能纤维，由其编织制成的智能纺织品无需依赖芯片和电池便可实现发光显示、触控等人机交互功能，这一突破性成果为人与环境的智能交互开辟了新可能，具有广泛应用前景。图片来源：Science期刊插图据悉，这一突破性成果为人与环境的智能交互开辟了新可能。东华大学材料科学与工程学院博士研究生杨伟峰为论文第一作者，纤维材料改性国家重点实验室（东华大学）王宏志教授、侯成义研究员，以及东华大学材料科学与工程学院张青红研究员为论文通讯作者。该研究工作由东华大学作为唯一通讯单位主导完成，合作单位包括新加坡国立大学与安徽农业大学。随着科技不断发展，智能可穿戴设备正逐渐成为我们生活的一部分，并在健康监测、远程医疗和人机交互等领域发挥着越来越重要的作用。相较于传统刚性半导体元件或柔性薄膜器件等，由智能纤维编织而成的电子纺织品具有更好的透气性和柔软度，被视为理想的可穿戴设备载体。目前，智能纤维的开发多基于“冯·诺依曼架构”，即以硅基芯片作为信息处理核心开发各种电子纤维功能模块，如信号采集的传感纤维、信号传输的导电纤维、信息显示的发光纤维、能量供应的发电纤维等。尽管这些功能单元可组合制成织物形态，但这种复杂的多模块集成技术还面临着一系列挑战。现阶段的智能纺织品仍依赖于芯片和电池，体积、重量和刚性大，难以同时满足人们对纺织品功能性和舒适性的需求。“人体耦合”智能纤维的工作机制及其与传统电子织物的对比。图片来源：东华大学该研究中，东华大学科研团队开创性地提出了“非冯·诺依曼架构”的新型智能纤维，有效地简化了可穿戴设备和智能纺织品的硬件结构，优化了它们的可穿戴性。该工作实现了将能量采集、信息感知、信号传输等功能集成于单根纤维中，并通过编织制成不依赖芯片和电池的智能纺织品。“不插电”就能发光发电的纤维，其中到底有怎样的奥妙呢？在我们的日常生活中，电磁场和电磁波无处不在，散布在环境中的这些电磁能量就是这种新型纤维的无线驱动力。而这些能量又是如何“传递”到纤维上面的呢？答案就是我们的身体。该工作提出把人体作为能量交互的载体，开辟了一条便捷的能量“通道”，原本在大气中耗散的电磁能量优先进入纤维、人体、大地组成的回路，恰恰就是这一“日用而不觉”的原理，促成了“人体耦合”的新型能量交互机制。在添加特定功能材料以后，仅仅经过人体触碰，这种新型纤维就会展现发光发电的“神奇一幕”。人体耦合电磁能量收集示意图。图片来源：东华大学图片来源：东华大学“这款新型纤维具有三层鞘芯结构，所采用的均是市面上比较常见的原材料。芯层为感应交变电磁场的纤维天线（镀银尼龙纤维）、中间层为提高电磁能量耦合容量的介电层（BaTiO3复合树脂）、外层为电场敏感的发光层（ZnS复合树脂）。原材料成本低，纤维和织物的加工都能够用成熟的工艺实现，已具备量产能力。”杨伟峰说。该工作还展示了这种基于人体耦合原理的智能纤维的几种应用：在不使用芯片和电池的情况下，实现了纤维触控发光、织物显示以及无线指令传输等功能。侯成义研究员表示，“这种新型纤维能够运用到服装服饰、布艺装饰等日用纺织品中，当它们与人体接触时，通过发光进行可视化的传感、交互甚至高亮照明，同时它们还能对人体不同姿态动作产生独特的无线信号，进而对智能家电等电子产品进行无线遥控。这些新颖的功能有望拓展电子产品的应用场景，甚至改变人们智慧生活的方式。” ... PC版： 手机版：

环保技术新突破：科学家利用植物纤维素制成新型聚合物

环保技术新突破：科学家利用植物纤维素制成新型聚合物 科学家们设计出了一种利用纤维素生产可回收且稳定的聚合物的方法，为传统塑料提供了一种可持续的替代品。这一研究成果为生产环保材料提供了新的可能性。上图为本研究开发的新型可回收聚合物制成的透明薄膜。资料来源：Feng Li他们开发出了一种方便、多用途的方法，利用从植物纤维素中提取的化学物质制造各种聚合物；最重要的是，这些聚合物可以完全回收利用。该方法发表在《ACS Macro Letters》杂志上。纤维素是植物生物质中最丰富的成分之一，是所有植物细胞周围坚韧细胞壁的关键部分。纤维素很容易从稻草和锯末等植物废料中获取，因此，将纤维素用作聚合物生产的原料不会减少用于粮食生产的农业用地。纤维素是一种长链多糖聚合物，即由多个糖基（特别是葡萄糖）通过化学键连接而成。为了制造新型聚合物，北海道研究小组使用了两种市售的小分子，即由纤维素制成的左旋葡糖烯酮（LGO）和二氢左旋葡糖烯酮（Cyrene）。他们开发了新颖的化学工艺，将 LGO 和 Cyrene 转化为各种非天然多糖聚合物。通过改变聚合物的精确化学结构，可以生成不同的材料，用于各种可能的应用。"我们面临的最大挑战是控制将较小单体分子连接在一起的聚合反应，以及获得对普通应用足够稳定的多糖材料，同时还能在特定化学条件下被分解和回收。"左起研究小组的佐藤俊文、水上雄太、李锋和矶野拓也。图片来源：李锋李补充说，研究过程中最大的惊喜是他们制作的聚合物薄膜具有很高的透明度，这对于这些聚合物似乎最适合的专业应用来说可能至关重要。另一位通讯作者 Toshifumi Satoh 教授补充说：由于这些材料相当坚硬，可能难以用作塑料袋等柔性塑料材料，因此我认为它们更适合用作光学、电子和生物医学应用领域的高性能材料。世界各地的其他研究小组也在探索用植物制造塑料替代聚合物的潜力，其中一些"生物塑料"已经可以在市场上买到，但佐藤的研究小组为这一快速发展的领域增添了一个重要的新机会。研究小组现在计划探索更多的可能性，但可行的结构变化非常多，因此他们希望与计算化学、人工智能和自动合成方面的专家联手探索这些选择。"我们希望这项工作能开发出多种有用的非天然多糖聚合物，使其成为从生物质到高效回收的可持续合成闭环的一部分。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家设计出既坚硬又能隔热的新型混合材料

科学家设计出既坚硬又能隔热的新型混合材料 研究人员已经证明，他们有能力设计出既坚硬又能隔热的材料。这种特性的结合极为罕见，有望应用于一系列领域，如开发用于电子设备的新型隔热涂层。研究人员使用的是二维有机-无机混合包晶石材料的一个子集。这些薄膜由高度有序的晶体结构中的有机层和无机层交替组成，如图所示。资料来源：北卡罗来纳州立大学 Jun Liu"但在有些情况下，需要既坚硬又绝缘的材料。例如，你可能想制造隔热涂层，以保护电子产品免受高温影响。从历史上看，这一直是个难题。我们现在已经发现了一系列既坚硬又具有出色隔热性能的材料。更重要的是，我们可以根据需要设计这些材料，以控制它们的硬度和导热性。"Liu说：研究人员正在研究一种被称为二维有机-无机混合包晶石（2D HOIP）的材料。本文共同通讯作者、北卡罗来纳大学教堂山分校化学与应用物理科学教授 Wei You 说："这些薄膜由高度有序的晶体结构中的有机层和无机层交替组成。我们可以调整无机层或有机层的成分。"本文共同通讯作者、德克萨斯农工大学材料科学与工程系助理教授 Qing Tu 说："我们发现，通过用苯环取代有机层中的部分碳-碳链，可以控制某些二维 HOIP 的弹性模量和导热性。基本上，在这个特定的层状材料子集中，我们添加的苯环越多，材料就越硬，隔热性能就越好。"Liu说："虽然发现这些材料本身就蕴含着一系列应用的巨大潜力，但作为研究人员，我们感到特别兴奋，因为我们已经确定了造成这些特性的机制，即苯环发挥的关键作用。"在实验中，研究人员至少发现了三种不同的二维 HOIP 材料，它们的导热性能越差，硬度越高。Liu说："这项工作令人兴奋，因为它为具有理想性能组合的工程材料提供了一条新的途径。"研究人员还发现了二维 HOIP 材料的另一个有趣现象。具体来说，他们发现，通过在有机层中引入手性（即使有机层中的碳链不对称），即使有机层的成分发生了重大变化，也能有效地保持相同的硬度和导热性。这提出了一些有趣的问题，即是否能够优化这些材料的其他特性，而不必担心这些变化会影响材料的刚度或导热性。论文发表在《ACS Nano》杂志上。曾在北卡罗来纳州立大学攻读博士学位的 Ankit Negi 是该论文的第一作者。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

科学家发现新型锂离子导体 可用于强化电动汽车电池

科学家发现新型锂离子导体 可用于强化电动汽车电池 利物浦大学的一个团队开发出了一种新型固态锂离子导体，可以取代电池中的液态电解质，从而提高安全性和效率。图片表示锂离子（蓝色）在结构上移动。资料来源：利物浦大学这种新材料由无毒的地球富集元素组成，具有足够高的锂离子传导性，可以取代目前锂离子电池技术中的液态电解质，提高安全性和能量容量。该大学的跨学科研究团队采用变革性科学方法来设计这种材料，他们在实验室中合成了这种材料，确定了它的结构（原子在空间中的排列），并在电池中进行了演示。这种新材料是极少数能达到足以取代液态电解质的高锂离子电导率的固体材料之一，并且由于其结构而能以一种新的方式工作。这一发现是通过合作计算和实验工作流程实现的，该流程利用人工智能和基于物理学的计算来支持大学化学专家的决策。这种新材料为化学优化提供了一个平台，以进一步提高材料本身的性能，并根据研究提供的新认识来确定其他材料。利物浦大学化学系马特-罗森斯基（Matt Rosseinsky）教授说："这项研究展示了一种新型功能材料的设计和发现。这种材料的结构改变了人们以往对高性能固态电解质的理解。具体来说，具有多种不同移动离子环境的固体可以表现出很好的性能，而不仅仅是离子环境范围很窄的少数固体。这极大地开拓了进一步发现的化学空间。"最近的报道和媒体报道预示着人工智能工具已被用于寻找潜在的新材料。在这种情况下，人工智能工具是独立工作的，因此很可能会以各种方式重现它们接受过的训练，生成的材料可能与已知材料非常相似。"这篇发现研究论文表明，人工智能和由专家调配的计算机可以解决现实世界材料发现的复杂问题，在这个问题上，我们寻求的是成分和结构上有意义的差异，其对性能的影响要根据理解来评估，我们的颠覆性设计方法为发现这些以及其他依赖离子在固体中快速运动的高性能材料提供了一条新的途径"。这项研究由利物浦大学化学系、材料创新工厂、利弗胡尔姆功能材料设计研究中心、史蒂芬森可再生能源研究所、阿尔伯特-克鲁中心和工程学院的研究人员共同努力完成。并得到了工程与物理科学研究理事会（EPSRC）、勒弗胡尔姆信托基金会（Leverhulme Trust）和法拉第研究所（Faraday Institution）的资助。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国科学家研发出弹性铁电材料

中国科学家研发出弹性铁电材料 据中国科学院宁波材料技术与工程研究所网站介绍，该研究所的研究团队研发出了兼具弹性回复与铁电性的新型高分子铁电材料，有效解决了传统铁电材料在可穿戴领域难以在大形变下保持稳定性能的难题。该成果于8月4日在国际顶尖学术期刊《科学》上发表。 铁电材料是一种神奇的绝缘性功能材料，有记忆能力，可用在计算机存储器、高精度电机、超敏感传感器和声纳设备等电子产品中，也是日常使用的手机、平板电脑等电子设备中必不可少的材料之一。 用该材料做成的传感器将更随和，具有更高测量精度、更好的穿戴舒适性，未来或能实现手机柔软贴身，可任意弯折。这种材料的拉伸率高达125%，不但能保持原有的铁电性，还能在外力撤除后迅速恢复原状。 来自：雷锋 频道：@kejiqu 群组：@kejiquchat 投稿：@kejiqubot

能源科学家解释了导致金薄膜光致发光的量子力学效应

能源科学家解释了导致金薄膜光致发光的量子力学效应 1969 年，科学家们发现所有金属都会在一定程度上发光，但在这之后的数年中，人们一直未能清楚地了解这种现象是如何发生的。在纳米级温度测绘和光化学应用的推动下，人们对这种发光现象重新产生了兴趣，并再次围绕其起源展开了讨论。但直到现在，答案仍不明确。工程学院能源技术纳米科学实验室（LNET）主任 Giulia Tagliabue 说："我们开发出了非常高质量的金属金膜，这使我们处于一个独特的位置来阐明这一过程，而不受以往实验的干扰因素影响。"在最近发表于《光：科学与应用》（Light:Science and Applications）的研究中，Tagliabue 和 LNET 团队将激光束聚焦在极薄（介于 13 纳米和 113 纳米之间）的金膜上，然后分析了由此产生的微弱光晕。他们的精确实验所产生的数据是如此详细，又是如此出人意料，以至于他们与巴塞罗那科技学院、南丹麦大学和美国伦斯勒理工学院的理论家合作，重新研究并应用量子力学建模方法。光致发光是由电子及其带相反电荷的对应物（空穴）在光的作用下的特定行为方式所决定的。这也让他们首次在金中建立了关于这种现象的完整、完全定量的模型，该模型可应用于任何金属。Tagliabue 解释说，研究小组利用一种新型合成技术生产的单晶金薄膜，研究了金属越来越薄时的光致发光过程。她说："我们观察到某些量子力学效应在高达约 40 纳米的薄膜中出现，这出乎我们的意料，因为对于金属来说，通常要到 10 纳米以下才会出现这种效应。"这些观测结果提供了有关金中光致发光过程确切发生位置的关键空间信息，而这正是将金属用作探针的先决条件。研究的另一个意外成果是发现金的光致发光（Stokes）信号可用于探测材料自身的表面温度，这对从事纳米级研究的科学家来说是一大福音。"对于金属表面的许多化学反应，人们一直在争论这些反应发生的原因和条件。温度是一个关键参数，但在纳米尺度测量温度非常困难，因为温度计会影响测量结果。因此，利用材料本身作为探针来探测材料具有巨大的优势，"Tagliabue 说。研究人员相信，他们的发现将使人们能够利用金属对化学反应，尤其是涉及能源研究的化学反应获得前所未有的详细了解。金和铜（LNET 的下一个研究目标）等金属可以引发某些关键反应，比如将二氧化碳（CO2）还原成太阳能燃料等碳基产品，太阳能燃料可以将太阳能储存在化学材料中。该研究的第一作者、LNET 博士后艾伦-鲍曼（Alan Bowman）说："为了应对气候变化，我们将需要以某种方式将二氧化碳转化为其他有用化学物质的技术。使用金属是一种方法，但如果我们不能很好地了解这些反应是如何在其表面发生的，那么我们就无法对其进行优化。发光为了解这些金属中发生的情况提供了一种新方法"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：