科学家利用等离子技术实现水净化技术的变革

科学家利用等离子技术实现水净化技术的变革 等离子体是科技界一场名副其实的革命。以前，要在手机等电子设备使用的硅板上雕刻电路，必须使用污染环境的化学产品。现在，使用等离子体可以更干净、更精确地完成这项工作，而且可以使缝隙越来越小，设备也随之越来越小。但等离子体也有其他应用，例如水处理。科尔多瓦大学的 FQM-136 等离子体物理学小组和 FQM-346 有机催化和纳米结构材料小组合作开展了一项研究，目的是通过应用等离子体促进化学过程来消除水中的污染物。为了解决水体中有机污染物日益增多的问题，例如水体中的染料和其他来自农业和工业活动的化合物会破坏生态系统的稳定，这些研究人员选择了等离子体的应用。研究人员弗朗西斯科-罗梅罗（Francisco J. Romero）、胡安-阿马罗（Juan Amaro）和玛丽亚-加西亚（Maria C García）。资料来源：科尔多瓦大学水净化方面的突破2017 年，研究团队首次证明，由向空气开放的微波诱导的氩等离子体在作用于水时，会在水中产生含氧和氮的活性物种（如羟基自由基、过氧化氢、氮自由基），能够消除水的污染。现在，研究人员胡安-阿马罗-加赫特、弗朗西斯科-J-罗梅罗-萨尔盖罗和玛丽亚-C-加西亚已经成功设计出了这种等离子体的反应器，并大大增加了水中产生的这些活性物质的数量，从而可以在短短几分钟内破坏高浓度染料（这里指亚甲基蓝）。这是通过改变 surfatron 的设计实现的，这种金属装置将微波发生器的能量与等离子体混合，以维持等离子体。玛丽亚-加西亚教授解释说："我们所做的是在石英放电管中放入一小块硅，这样就能产生不同的等离子体，这种等离子体不是丝状的，在与水作用时能更有效地产生活性物种。上述等离子体成分在与水作用时能产生氧化物种，从而降解有机化合物和杀死微生物，这使得该等离子体反应器可用于与水修复相关的应用中。"因此，这种新配置扩大了这类等离子体的适用范围。加西亚教授解释说："这种设计完全改变了表面加速器产生电磁场以产生等离子体的配置，从而使等离子体具有不同的、更有效的特性，同时也消除了破坏等离子体稳定性的丝状化问题（等离子体柱分成许多丝状）。"等离子去污的未来Francisco J. Romero 教授继续说道："在等离子体作用下产生的氧化物具有很强的反应性，可以破坏水中的有机物。要做到这一点，等离子体并不是被引入水中。相反，等离子体是远程作用的，因此在水和等离子体之间有一个空气区，在这个空气区中，由于受激物种与氧气、氮气和水蒸气分子之间的碰撞，发生了许多反应，并产生了扩散到液体中并最终与污染物结合的活性物种"。研究员胡安-阿马罗说："这种新型设计产生的等离子体的去污潜力已经过测试，可以减少水中高浓度的亚甲基蓝染料，在能量方面取得了非常高效的结果，在缩短处理时间的情况下实现了染料的完全消除。"等离子体是一种"第四物质状态"，通过向稳定的气体提供能量并将其转化为电离气体而产生，它几乎适用于所有领域：制造微型芯片、表面消毒、伤口愈合、在眼镜上沉积防反射涂层、提高种子发芽率、回收废物、活化塑料表面以提高涂料附着力，以及无数其他应用。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学简单点：什么是等离子体？

科学简单点：什么是等离子体？ 在等离子体中，一些电子从中性原子（质子和电子数目相等，因此带中性电荷的原子）中分离出来，成为自由电子。由此产生的自由电子使等离子体不同于其他物质状态，在其他物质状态下，电子仍然紧紧地与原子核结合在一起。当等离子体中的原子与带负电荷的电子分离时，它们就不再带有中性电荷。相反，原子变成了离子带正电的粒子。因此，等离子体是一种由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的电离状态。极光是由地球大气等离子体中的粒子碰撞形成的。资料来源：弗兰克-奥尔森原子中的电子能够分离并形成等离子体有几个原因。在实验室实验中，科学家可以用高压电、激光或电磁场轰击原子，从而形成等离子体。在太空中，高能光子（包括伽马射线）撞击原子也会形成等离子体。在太空中，当重力使压力剧增，从而使气体过热时，也会形成等离子体。高温使原子相互碰撞，导致电子从原子中分离，形成等离子体和恒星的雏形。气体过热产生等离子体的过程表明，气体和等离子体之间的关系类似于液体是固体的加热形式。这种类比并不总是正确的。首先，与气体不同，等离子体可以导电。此外，在气体中，所有粒子的行为方式都相似。然而，在等离子体中，电子和离子的行为和相互作用方式非常复杂，从而产生了波和不稳定性。等离子体有多种类型。宇宙中的大多数等离子体被研究人员称为高温等离子体。在这些高温等离子体中，温度可以超过华氏 1 万度，所有原子都可以完全电离。低温等离子体则不同。原子只是部分电离，温度低得惊人，甚至只有室温。另一种不寻常的等离子体是高能量密度等离子体，科学家在实验室中制造这种等离子体来研究它们的不寻常特性。总结：有一种闪电球状闪电是等离子体。从马克斯-普朗克研究所了解更多信息。极光也是由等离子体造成的。在本科学集锦中了解更多信息。封闭等离子体是设计聚变托卡马克和恒星器设备的重要步骤，这些设备最终可能为我们提供聚变动力。高能量密度等离子体科学实现了实验室条件下的聚变点火。研究等离子体有助于科学家了解物质。这也有助于他们向聚变能源的目标迈进。能源部（DOE）科学办公室通过聚变能源科学和核物理计划支持等离子体研究。能源部资助的等离子体研究还改进了从手机、电脑到汽车等各种产品中的半导体制造。等离子体方面的专业知识帮助能源部国家实验室的研究人员开发出了逐原子控制半导体制造的方法。编译来源：ScitechDaily相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？科学简单点：什么是量子力学？科学简单点：什么是水力发电？科学简单点：什么是核能？科学简单点：什么是气候复原力？科学简单点：什么是纳米科学？科学简单点：什么是暗物质和暗能量？科学简单点：什么是 X 射线光源？科学简单点：什么是自主发现？科学简单点：什么是氢能源？科学简单点：什么是“关键材料” 美国政府定义了多少种？ ... PC版： 手机版：

15年的酝酿 科学家发明可治疗皮肤的"活生物电子学"

15年的酝酿 科学家发明可治疗皮肤的"活生物电子学" 史久云（Jiuyun Shi）拿着他和芝加哥大学科学家团队发明的一个小型装置，该装置将活细胞、凝胶和传感器整合在一起，创造出"活的生物电子学"来治疗皮肤。图片来源：Jiuyun Shi 和 Bozhi 田/芝加哥大学多年来，田博智教授的实验室一直在探索如何将电子领域（通常是刚性、金属和笨重的领域）与人体的柔软、灵活和微妙特性相结合。在最近的研究中，他们创建了一个所谓"活体生物电子学"的原型：活细胞、凝胶和电子学的结合体，可以与活体组织融为一体。这种贴片由传感器、细菌细胞以及由淀粉和明胶制成的凝胶组成。在小鼠身上进行的试验发现，这种装置可以持续监测和改善类似牛皮癣的症状，而且不会刺激皮肤。"这是与传统生物电子学的桥梁，传统生物电子学将活细胞作为治疗的一部分，"该论文的共同第一作者、曾在田的实验室（现为斯坦福大学）攻读博士学位的Jiuyun Shi说。田说："我们非常激动，因为这已经酝酿了十多年。"研究人员希望这些原理也能应用于身体的其他部位，如心脏或神经刺激。这项研究发表在5月30日的《科学》杂志上。将电子设备与人体配对一直是个难题。虽然心脏起搏器等设备改善了无数人的生活，但它们也有自己的缺点：电子设备往往笨重而僵硬，可能会引起刺激。但田的实验室擅长揭示活细胞和组织与合成材料相互作用背后的基本原理；他们以前的工作包括可以用光控制的微小起搏器，以及可以构成骨植入基础的坚固而柔韧的材料。在这项研究中，他们采用了一种新方法。通常情况下，生物电子学由电子元件本身和一个软层组成，软层的作用是减少电子元件对人体的刺激。但是，田的研究小组想知道，他们是否能通过整合第三个组件（活细胞本身）来增加新的功能。研究小组对某些细菌（如表皮葡萄球菌）的治疗特性很感兴趣，表皮葡萄球菌是一种天然生活在人体皮肤上的微生物，已被证明可以减轻炎症。薄如蝉翼的贴片集成了柔性电子电路、木薯淀粉和明胶制成的凝胶以及有助于治疗皮肤病的友好细菌。图片来源：Jiuyun Shi 和 Bozhi Tian/芝加哥大学他们创造了一种由三个部件组成的装置。框架是一个带有传感器的薄而柔韧的电子电路。它上面覆盖着由木薯淀粉和明胶制成的凝胶，这种凝胶非常柔软，可以模拟组织本身的构成。最后，表皮葡萄球菌微生物被塞进凝胶中。当把设备放在皮肤上时，细菌会分泌能减轻炎症的化合物，而传感器则会监测皮肤的温度和湿度等信号。在对易患牛皮癣样皮肤病的小鼠进行的试验中，症状明显减轻。他们的初步测试持续了一周，但研究人员希望该系统他们称之为ABLE平台（Active Biointegrated Living Electronics）可以使用半年或更长时间。他们说，为了使治疗更方便，该装置可以冻干储存，需要时也可以轻松补水。论文的另一位共同第一作者、实验室的在读博士生 Saehyun Kim 说："由于治疗效果是由微生物提供的，因此它就像一种活的药物不必再给它加药。"更广泛的应用和未来目标除了治疗牛皮癣，科学家们还设想了一些应用，比如用贴片来加速糖尿病患者的伤口愈合。他们还希望将这种方法推广到其他组织类型和细胞类型。田说："例如，这能创造出一种胰岛素分泌装置，或者一种与神经元连接的装置吗？有很多潜在的应用。"田说，这是他从近 15 年前担任博士后研究员时就一直怀有的目标，当时他第一次开始试验"义体组织"。他说："从那时起，我们已经了解了很多基本问题，例如细胞如何与材料对接以及水凝胶的化学和物理，这让我们能够实现这一飞跃。看到它成为现实，我感到非常高兴。"史久云说："我一直热衷于挑战科学的极限。"我希望我们的工作能为下一代电子设计带来灵感。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

钙过量 - 科学家开发出杀死癌细胞的新方法

钙过量 - 科学家开发出杀死癌细胞的新方法 钙离子在细胞功能中起着至关重要的作用，但如果钙离子含量过高，就会对细胞造成危害。研究人员最近开发出一种化合物，可通过调节细胞内的钙离子流入来靶向摧毁肿瘤细胞。这种创新方法利用了肿瘤组织内已有的钙离子，无需外部钙源。《Angewandte Chemie》杂志上发表的一篇论文详细介绍了这一研究成果。生物细胞需要钙离子来维持线粒体（细胞的动力室）的正常运转。然而，如果钙离子过多，线粒体过程就会失衡，细胞就会窒息。由韩国首尔梨花女子大学的尹珠英（Juyoung Yoon）领导的研究小组与来自中国的研究小组一起，利用这一过程开发出了一种协同抗肿瘤药物，它可以打开钙离子通道，从而在肿瘤细胞内引发致命的钙离子风暴。研究人员瞄准了两个通道，第一个是外膜上的通道，另一个是内质网中的钙通道，内质网也是一个储存钙离子的细胞器。位于外膜的通道在暴露于大量活性氧（ROS）时打开，而内质网中的通道则被一氧化氮分子激活。为了产生能打开外膜钙通道的 ROS，研究人员使用了染料吲哚菁绿。这种生物活性剂可通过近红外线照射激活，不仅能引发导致 ROS 的反应，还能使环境升温。研究小组解释说，局部高温会激活另一种活性剂 BNN-6 释放一氧化氮分子，从而打开内质网中的通道。在肿瘤细胞系试验成功后，研究小组又在植入肿瘤的小鼠体内测试了一种注射制剂。为了创造出一种生物兼容的复合药物，研究人员将活性成分装入了微小的改性多孔硅珠中，这种硅珠对人体无害，但能被肿瘤细胞识别并转运到细胞内。将这些微珠注入小鼠血液后，研究人员观察到药物在肿瘤内积聚。照射近红外线成功地触发了作用机制，接受这种制剂的小鼠几天后肿瘤就消失了。作者强调，这种离子流入方法可能也适用于相关的生物医学研究领域，因为类似的机制可以激活不同于钙离子通道的离子通道，从而找到新的治疗方法。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

欧洲核子研究中心再现来自黑洞的物质：反物质等离子体火球

欧洲核子研究中心再现来自黑洞的物质：反物质等离子体火球 超大质量黑洞发射等离子体喷流的艺术家印象图，欧洲核子研究中心的科学家们现在已经在实验室中重现了这一场景。美国宇航局/JPL-加州理工学院这些所谓的相对论喷流被认为包含了由电子及其反物质等价物正电子组成的等离子体。但是，这种物质究竟是如何形成的，又有什么作用，很难通过天文观测和计算机模拟来测量。于是，欧洲核子研究中心的科学家们开始在实验室里制造他们自己的版本。利用高辐射材料（HiRadMat）设施，研究小组从超级质子同步加速器中捕获了 3000 亿个质子，并将它们喷射到石墨和钽制成的靶子上。这引发了一连串的粒子相互作用，产生了足够多的电子-正电子对来维持稳定的等离子状态。产生等离子体的一系列相互作用示意图 罗切斯特大学激光能量学实验室插图/Heather Palmer首先，质子撞击石墨中的碳原子核，产生的能量足以撞散其中的基本粒子。其中的中性粒子很快衰变为高能伽马射线。这些伽马射线随后与钽的电场相互作用，进而产生成对的电子和正电子。在这次试运行中，产生的电子-正电子对达到了惊人的 10 万亿个，足以让它开始表现得像一个真正的天体物理等离子体。"这些实验的基本理念是在实验室中重现天体物理现象的微观物理学，例如黑洞和中子星的喷流，"该研究的合著者吉安卢卡-格雷戈里（Gianluca Gregori）说。"我们对这些现象的了解几乎完全来自天文观测和计算机模拟，但望远镜无法真正探测微观物理，模拟也涉及近似。像这样的实验室实验是连接这两种方法的桥梁。"这项研究发表在《自然通讯》杂志上。 ... PC版： 手机版：

科学家发明从海水中提取铀用于核能的新技术

科学家发明从海水中提取铀用于核能的新技术 核能反应堆释放原子内部自然储存的能量，并通过将原子真正击碎这一过程被称为裂变将其转化为热能和电能。铀是这一过程中最受欢迎的元素，因为它的所有形态都具有不稳定性和放射性，很容易分裂。目前，这种金属是从岩石中提取的，但铀矿储量有限。然而，据核能机构估计，有 45 亿吨铀以溶解铀酰离子的形式漂浮在我们的海洋中。这一储量是陆地上储量的 1000 多倍。但事实证明，提取这些离子具有挑战性，因为提取材料没有足够的表面积来有效捕获离子。因此，东北师范大学化学学院的Rui Zhao, Guangshan Zhu及其同事希望开发一种具有大量微观角落和缝隙的电极材料，用于电化学捕获海水中的铀离子。这种新型涂层布能有效地在其表面积聚来自含铀海水的铀（黄色）。来源：改编自《美国化学学会中心科学》，2023 年，DOI: 10.1021/acscentsci.3c01291为了制作电极，研究小组首先使用碳纤维编织的柔性布。他们在布上涂上两种特殊的单体，然后进行聚合。接着，他们用盐酸羟胺处理布，在聚合物中加入脒肟基团。布的天然多孔结构为脒肟创造了许多微小的口袋，使其可以嵌套在其中，从而轻松捕获铀离子。在实验中，研究人员将涂层布作为阴极放入天然海水或加铀的海水中，再加上一个石墨阳极，并在电极之间运行循环电流，随着时间的推移，阴极布上积累了亮黄色的铀基沉淀物。在使用从渤海收集的海水进行的测试中，每克涂层活性材料在 24 天内提取了 12.6 毫克铀。涂层材料的提取能力高于研究小组测试的大多数其他铀提取材料。此外，使用电化学方法捕获离子的速度比让离子在布上自然积聚的速度快三倍左右。研究人员说，这项工作提供了一种从海水中捕获铀的有效方法，这可能会使海洋成为新的核燃料供应地。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：