新型涂层可去除水垢 提高火力发电厂效率

新型涂层可去除水垢 提高火力发电厂效率 水垢积聚在家中固然令人烦恼，但对火力发电厂的影响更大。这些发电厂使用锅炉加热水，产生高压蒸汽，驱动涡轮机产生机械能，再由发电机转换成电能。工业热交换器和膜很容易结垢，由于热传导和流动性能效率降低，每年造成的能源损失巨大，至少占全球能源总产量的 2%。为了解决这个问题，瑞士苏黎世联邦理工学院和美国加州大学伯克利分校的研究人员合作开发了一种创新的水凝胶表面涂层，可以驱除水垢并防止其附着。研究人员首先在显微镜下观察了单个水垢晶体和周围的水流，以了解晶体如何在动态水环境中沉积和附着。然后，他们着手用软材料开发了几种涂层，并在实验室中进行了测试。研究人员主要对不同的聚合物含量进行了实验，结果发现，聚合物含量越低、含水量越高，碳酸钙晶体在表面的附着力就越差。研究人员的设计灵感来源于大自然，特别是鲨鱼皮肤上的脊，这种脊会使微生物很难附着。使用聚苯乙烯制成的模型颗粒进行的测试表明，表面脊必须比沉积在上面的颗粒小，这样才能减小接触面，从而减小产生的粘合力。该研究的第一作者朱利安-施密德（Julian Schmid）说："我们改变了材料的表面，以达到最高效率，然后以最佳结构尺寸进行晶体实验。"电子显微镜下看到的与脊状水凝胶表面涂层接触的微米级水垢晶体 Julian Schmid/ETH Zurich在水垢晶体实验过程中研究人员发现，当水流过柔软的水凝胶涂层表面时，多达 98% 大小约为 10 微米的晶体被清除。在相同条件下，这比使用未经处理的硬质基底要好 66%。目前，有时使用有毒化学品来清除热交换器和膜上的水垢。研究人员说，他们的新型表面涂层比目前的方法更环保、更高效。此外，他们还希望他们的解决方案可以推广。研究人员没有为他们的方法申请专利，而是决定公布他们的研究结果，以便其他有关方面使用和进一步开发这种新型涂层。这项研究发表在《科学进展》杂志上。 ... PC版： 手机版：

贻贝蛋白涂层可使植入体免受感染

贻贝蛋白涂层可使植入体免受感染 即使在粗糙的潮间带，贻贝也能牢牢地附着在岩石上，这要归功于一种名为 DOPA 的氨基酸一些研究小组已经开发出了用于植入物的抗生素涂层使植入物摆脱最初的易感染状态不过，其中一些物质会持续释放抗生素有效成分，而不管植入部位处于何种状态。这种滥用药物的做法会导致细菌产生抗药性，从而降低抗生素的效果。为了寻找一种选择性更强、更持久的替代品，韩国科学家团队研究了贻贝用来粘附在岩石上的蛋白质。研究人员创造了一种生物工程 MAP（贻贝粘合蛋白），它能大量表达一种名为 DOPA 的天然氨基酸。此外，这种生物工程 MAP 还添加了庆大霉素（一种常用抗生素）和铁离子。在健康的植入部位条件下，DOPA 与离子形成牢固的结合，将离子和庆大霉素牢牢地包裹在由 MAP 制成的耐用水凝胶涂层中。然而，当有害细菌侵入时，它们会增加该部位的酸度。由于 pH 值降低，DOPA 和铁离子之间的结合力减弱，导致铁离子和庆大霉素释放出来。这样，抗生素就能释放出来，杀死该区域的所有细菌。但重要的是，涂层释放的庆大霉素只与感染程度成正比如 pH 值所示。在动物试验中，涂层在金黄色葡萄球菌感染后 8 小时内释放出 70% 的抗生素有效成分，有效消灭了所有微生物。即使在机械应力作用下，它也能牢牢地粘附在钛植入物上，并在整个骨再生阶段（约四周）保持有效。首席科学家、浦项科技大学（POSTECH）的Hyung Joon Cha 教授说："粘性植入涂层材料的即时和持续抗菌效果有望显著提高植入手术的成功率。"有关这项研究的论文最近发表在《生物材料》杂志上，庆北大学校的科学家也参与了这项研究。相关文章:科学家开发新型粘合剂 结合贻贝的粘性和蜘蛛丝的强度科学家开发基于贻贝黏附蛋白的生物粘合剂 用于无疤痕皮肤移植技术受贻贝启发的粘合剂可在植入物和骨骼之间建立粘合关系科学家混用贻贝和蚕的蛋白质开发出了一种内伤用敷料 ... 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：

超黑薄膜涂层可应用于航空航天和光学领域 为下一代望远镜创造可能

超黑薄膜涂层可应用于航空航天和光学领域 为下一代望远镜创造可能 在 AIP 出版社出版的《真空科技 A》杂志上，上海理工大学和中国科学院的研究人员开发出了一种用于航空航天级镁合金的超黑薄膜涂层。他们的涂层能吸收 99.3% 的光线，同时经久耐用，足以在恶劣条件下生存。对于在真空空间中运行的望远镜或在极端环境中使用的光学设备来说，现有的涂层往往是不够的。"现有的黑色涂层，如垂直排列的碳纳米管或黑硅，都受到易碎性的限制，"作者曹韫真博士说。"许多其他镀膜方法也很难在管内或其他复杂结构上进行镀膜。这对于它们在光学设备中的应用非常重要，因为它们通常具有明显的曲率或复杂的形状。"为了解决这些问题，研究人员转而采用原子层沉积（ALD）技术。利用这种基于真空的制造技术，将目标放置在真空室中，然后依次接触特定类型的气体，这些气体会以薄层形式附着在物体表面。曹说："ALD方法的一大优势在于其出色的阶跃覆盖能力，这意味着我们可以在圆柱、支柱和沟槽等非常复杂的表面上获得均匀的薄膜覆盖。"为了制作超黑涂层，研究小组交替使用了掺铝碳化钛（TiAlC）和氮化硅（SiO2）。这两种材料共同作用，几乎可以阻止所有光线从涂层表面反射出来。"TiAlC作为吸收层，而SiO2则用于创建抗反射结构。因此，几乎所有的入射光都被截留在多层薄膜中，实现了高效的光吸收。在测试中，研究小组发现，从 400 纳米的紫外线到 1000 纳米的近红外线，各种波长光的平均吸收率为 99.3%。通过使用特殊的阻隔层，他们甚至可以将涂层应用到镁合金上，镁合金通常用于航空航天领域，但很容易被腐蚀。此外，这种薄膜在恶劣环境中表现出超强的稳定性，足以承受摩擦、高温、潮湿环境和极端温度变化。作者希望他们的涂层能用于增强在最极端条件下工作的太空望远镜和光学硬件，并正在努力进一步提高其性能。曹说："现在，这种薄膜可以吸收 99.3% 以上的入射可见光，我们希望进一步扩大它的光吸收范围，将紫外线和红外线区域也包括在内。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

EPFL研究人员创造出超低温下将热能转化为电能的新型装置

EPFL研究人员创造出超低温下将热能转化为电能的新型装置 要进行量子计算，量子比特（量子位）必须冷却到毫开尔文范围（接近-273摄氏度）的温度，以减缓原子运动并将噪声降至最低。然而，用于管理这些量子电路的电子器件会产生热量，在如此低的温度下很难去除。因此，大多数当前的技术都必须将量子电路与其电子组件分离，这会导致噪音和低效率，阻碍实验室以外更大量子系统的实现。由Andras Kis领导的EPFL纳米电子与结构实验室（LANES）的研究人员现在已经制造出一种设备，该设备不仅在极低的温度下工作，而且在室温下的效率与当前的技术相当。该成果已发表在《自然·纳米技术》杂志上。LANES博士生Gabriele Pasquale说：“我们是第一个创造出一种与当前技术的转换效率相匹配的设备，但它能在量子系统所需的低磁场和超低温下工作。这项工作确实向前迈出了一步。”该创新器件将石墨烯的优异导电性与硒化铟的半导体特性相结合。它只有几个原子厚，表现得像一个二维物体，这种材料和结构的新颖组合产生了前所未有的性能。该设备利用了能斯特效应：一种复杂的热电现象，当磁场垂直于温度变化的物体时，会产生电压。实验室设备的2D特性允许以电气方式控制该机构的效率。2D结构是在EPFL微纳技术中心和LANES实验室制造的。实验包括使用激光作为热源，使用专门的稀释冰箱达到100毫开尔文，这一温度甚至比外太空还要低。在如此低的温度下将热量转换为电压通常极具挑战性，但新型器件及其对能斯特效应的利用使这成为可能，填补了量子技术的一个关键空白。“如果你把笔记本电脑放在寒冷的办公室里，笔记本电脑在工作时仍然会发热，导致房间的温度也会升高。在量子计算系统中，目前没有任何机制可以防止这种热量干扰量子位。我们的设备可以提供这种必要的冷却，”Pasquale说。Pasquale是一名受过训练的物理学家，他强调这项研究意义重大，因为它揭示了低温下的热电能转换这是一种迄今为止尚未探索的现象。考虑到高转换效率和潜在可制造电子元件的使用，LANES团队还认为他们的设备已经可以集成到现有的低温量子电路中。Pasquale说：“这些发现代表了纳米技术的重大进步，有望开发出对毫开尔文温度下的量子计算至关重要的先进冷却技术。”。“我们相信，这一成就将彻底改变未来技术的冷却系统。” ... PC版： 手机版：

革命性催化剂涂层技术在短短4分钟内大幅提升燃料电池性能

革命性催化剂涂层技术在短短4分钟内大幅提升燃料电池性能 一个合作研究小组开发出一种新型催化剂涂层技术，只需四分钟就能将固体氧化物燃料电池的性能提高三倍，为能源转换技术带来了潜在的进步。资料来源：韩国能源研究所（KIER）该技术采用纳米级氧化镨催化剂，针对空气电极的氧还原反应，显著提高了 SOFC 的功率输出。这种新方法既经济又与现有制造工艺兼容，有望得到更广泛的应用，包括高温电解制氢。韩国能源研究所（KIER）氢聚合材料实验室的 Yoonseok Choi 博士与韩国科学技术院（KAIST）材料科学与工程系的 WooChul Jung 教授和釜山国立大学材料科学与工程系的 Beom-Kyung Park 教授一起，成功开发出一种催化剂涂层技术，可在短短 4 分钟内显著提高固体氧化物燃料电池（SOFC）的性能。作为推动氢经济发展的高效清洁能源设备，燃料电池正受到越来越多的关注。其中，固体氧化物燃料电池（SOFC）的发电效率最高，可使用氢气、沼气和天然气等各种燃料。此外，它们还可以利用发电过程中产生的热量，实现热电联产，因此成为目前研究和开发的热点。SOFC 的 LSM-YSZ 电极电化学涂层工艺示意图。资料来源：韩国能源研究院（KIER）固体氧化物燃料电池（SOFC）的性能在很大程度上取决于发生在空气电极（阴极）上的氧还原反应（ORR）动力学。空气电极的反应速率慢于燃料电极（阳极）的反应速率，从而限制了整体反应速率。为了克服这种缓慢的动力学特性，研究人员正在开发具有高 ORR 活性的新型空气电极材料。然而，这些新材料一般仍缺乏化学稳定性，需要不断进行研究。联合研究小组照片（最右边为高级研究员 Yoon-Seok Choi）。资料来源：韩国能源研究院（KIER）研究团队将重点放在提高 LSM-YSZ 复合电极的性能上，这种材料因其出色的稳定性而被广泛应用于工业领域。因此，他们开发了一种在复合电极表面涂覆纳米级氧化镨（PrOx）催化剂的涂层工艺，这种催化剂能积极促进氧还原反应。通过应用这种涂层工艺，他们显著提高了固体氧化物燃料电池的性能。研究小组引入了一种电化学沉积方法，该方法可在室温和大气压力下运行，无需复杂的设备或工艺。将复合电极浸入含有镨（Pr）离子的溶液中并施加电流，电极表面产生的氢氧根离子（OH-）会与镨离子发生反应，形成沉淀，均匀地覆盖在电极上。该涂层经过干燥过程，转化为氧化物，在高温环境中保持稳定并有效促进电极的氧还原反应。整个涂层过程只需 4 分钟。此外，研究小组还阐明了涂层纳米催化剂促进表面氧交换和离子传导的机制。他们提供的基本证据表明，催化剂涂层方法可以解决复合电极反应速率低的问题。通过对所开发的催化剂涂层复合电极和传统复合电极进行超过 400 小时的操作，研究小组观察到极化电阻降低了十倍。此外，在 650摄氏度的条件下，使用这种涂层电极的 SOFC 的峰值功率密度（142 mW/cm² → 418 mW/cm²）是未涂层情况下的三倍。这代表了使用 LSM-YSZ 复合电极的 SOFC 的最高性能。共同通讯作者 Yoonseok Choi 博士说："我们开发的电化学沉积技术是一种后处理方法，不会对现有的 SOFC 制造工艺产生重大影响。这使得引入氧化物纳米催化剂具有经济可行性，提高了其工业应用性。我们已经掌握了一项核心技术，它不仅可以应用于 SOFC，还可以应用于各种能量转换设备，例如用于制氢的高温电解 (SOEC)。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：