石墨烯取代沙子 制造更轻、更坚固的混凝土

石墨烯取代沙子 制造更轻、更坚固的混凝土 尽管石墨烯只是一张只有一个原子厚的碳原子薄片，但它却以无比坚固而著称。因此，这种"神奇材料"被掺入混凝土中也就不足为奇了，通常是为了使混凝土更加坚固耐用。但这通常只是在配方中加入石墨烯，而在新的研究中，莱斯大学的研究小组希望用它完全取代沙子。混凝土由三种主要成分组成：水、砂等骨料以及将其粘合在一起的水泥。按体积计算，砂是最大的成分，而由于现代人类对混凝土的贪得无厌，砂矿的开采量正在不断增加。这一过程不仅具有破坏性，而且还面临着资源枯竭的风险。这项研究来自莱斯大学化学家詹姆斯-图尔（James Tour）的实验室，他的团队多年来一直在使用他们开发的一种名为闪焦耳加热的技术制造石墨烯。从本质上讲，富含碳的基础材料在电流的作用下迅速过热，转化为石墨烯薄片。在这种情况下，基础材料是冶金焦炭，一种从煤炭中提取的燃料。"最初的实验是将冶金焦炭转化为石墨烯，结果得到了一种大小与沙子相似的材料，"该研究的第一作者保罗-阿芬库拉（Paul Advincula）说。"我们决定探索将冶金焦炭衍生的石墨烯用作混凝土中沙子的完全替代品，我们的研究结果表明，它的效果非常好。"节省沙子并不是唯一的好处。与使用普通骨料制成的混凝土相比，这种混凝土的重量减轻了 25%，韧性提高了 32%，峰值应变提高了 33%，抗压强度提高了 21%。但从另一方面看，其杨氏模量降低了 11%，而杨氏模量是衡量材料抗拉伸变形能力的指标。研究小组表示，虽然石墨烯目前过于昂贵，无法使这种方法在商业上实现规模化，但它至少表明，还有其他方法可以采用。这项研究发表在《ACS 应用材料》杂志上。 ... PC版： 手机版：

日本研究人员用普通石墨制作出无需外部动力的浮动平台

日本研究人员用普通石墨制作出无需外部动力的浮动平台 如果你曾试图将两块带相同电荷的磁铁推到一起，你就会明白其中的斥力在起作用。如果磁场足够强大，由某些材料（被称为二磁材料）制成的物体就能有效地悬浮在表面之上这可以在很多炫目的悬浮商业产品中看到，从钟表、灯具到扬声器不一而足。更高端的技术使用超导体来悬浮更重的物体，使磁悬浮列车能够高速行驶，几乎没有摩擦。所有这些材料的问题都在于它们需要外部电源，而超导体则需要接近低温的环境。因此，在这项新研究中，冲绳科学技术研究所（OIST）的科学家们开发出了一种低成本材料，它可以悬浮在磁性表面上却无需动力。它从普通的旧石墨开始，石墨具有很强的二磁性。这当然意味着它可以悬浮在磁铁之上，但只能维持很短的时间电流流过石墨会造成能量损失，使悬浮物体迅速下落。这种现象被称为涡流阻尼。石墨微珠的扫描电子显微镜图像绿色表示二氧化硅涂层 OIST为了避免这种情况，研究小组用化学方法在石墨颗粒上涂上具有电绝缘性的二氧化硅。最后，将涂覆过的石墨颗粒与蜡混合，压扁成约 1平方厘米（0.2 平方英寸）的石板。这样做，石墨仍然具有二磁性，但绝缘体防止了能量损失，以免阻碍悬浮。果然，在测试中，涂有二氧化硅的石墨平台可以长时间悬浮在由南北极交替的磁铁组成的表面上。研究小组表示，这种悬浮平台系统可能会带来测量力、加速度和重力的新型传感器。为了获得更加精确的量子传感器，另一个版本使用反馈磁力来不断修正平台的垂直运动，冷却平台以降低其动能。不过，这样做的代价是需要外接电源。这项研究发表在《应用物理快报》（Applied Physics Letters）杂志上。从下面的视频中可以看到悬浮平台的运行情况。 ... PC版： 手机版：

麻省理工学院在将二维材料集成到设备方面取得突破

麻省理工学院在将二维材料集成到设备方面取得突破 这幅艺术家的作品展示了麻省理工学院研究人员开发的一种新型集成平台。通过对表面力进行工程设计，他们只需一个接触和释放步骤，就能将二维材料直接集成到设备中。图片来源：Sampson Wilcox/电子研究实验室提供但是，将二维材料集成到计算机芯片等设备和系统中是众所周知的难题。这些超薄结构可能会受到传统制造技术的破坏，这些技术通常依赖于使用化学品、高温或蚀刻等破坏性工艺。为了克服这一挑战，麻省理工学院和其他大学的研究人员开发出了一种新技术，只需一步就能将二维材料集成到设备中，同时保持材料表面和由此产生的界面原始无缺陷。他们的方法依赖于纳米级的工程表面力，使二维材料可以物理叠加到其他预制设备层上。由于二维材料不会受损，研究人员可以充分利用其独特的光学和电学特性。所开发的平台利用行业兼容的工具集，使这一过程可以扩展。在这里，主要作者彼得-萨特斯韦特（Peter Satterthwaite）使用 MIT.nano 中修改过的配准工具进行图案化配准集成。他们利用这种方法制造出了二维晶体管阵列，与使用传统制造技术制造出的器件相比，实现了新的功能。他们的方法用途广泛，可用于多种材料，可在高性能计算、传感和柔性电子器件等领域广泛应用。释放这些新功能的核心是形成清洁界面的能力，所有物质之间存在的特殊力量（称为范德华力）将这些界面连接在一起。电子工程与计算机科学（EECS）助理教授、电子学研究实验室（RLE）成员 Farnaz Niroui 是介绍这项工作的新论文的资深作者。"范德华积分有一个基本限制，"她解释说，"由于这些作用力取决于材料的内在特性，因此无法轻易调整。因此，有些材料无法仅利用其范德华相互作用来直接相互整合。我们提出了一个解决这一限制的平台，以帮助范德华集成变得更加通用，从而促进具有新功能和改进功能的基于二维材料的设备的开发。"Niroui 与论文第一作者、电子工程与计算机科学研究生 Peter Satterthwaite，电子工程与计算机科学教授、RLE 成员 Jing Kong，以及麻省理工学院、波士顿大学、台湾国立清华大学、台湾国家科学技术委员会和台湾国立成功大学的其他人共同撰写了这篇论文，这项研究最近发表在《自然-电子学》上。纳米级表面力的多样性使研究人员能够将粘合剂基质转移到许多不同的材料上。例如，在这里，通过使用粘合聚合物，他们能够将图案化的石墨烯（一原子厚的碳薄片）从源基底（上图）转移到接收粘合聚合物（下图）上。图片来源：Niroui 小组提供使用传统制造技术制造计算机芯片等复杂系统可能会变得一团糟。通常情况下，像硅这样的硬质材料会被凿成纳米级，然后与金属电极和绝缘层等其他元件连接，形成有源器件。这种加工过程会对材料造成损害。最近，研究人员专注于使用二维材料和一种需要连续物理堆叠的工艺，自下而上地构建设备和系统。在这种方法中，研究人员不是使用化学胶水或高温将脆弱的二维材料粘合到硅等传统表面上，而是利用范德华力将一层二维材料物理集成到设备上。范德华力是存在于所有物质之间的自然吸引力。例如，壁虎的脚会因为范德华力而暂时粘在墙上。虽然所有材料都存在范德华力，但根据材料的不同，范德华力并不总是强大到足以将它们粘在一起。例如，一种名为二硫化钼的流行半导体二维材料会粘在黄金上，但不会通过与二氧化硅等绝缘体表面的物理接触直接转移到该表面上。然而，通过整合半导体层和绝缘层制成的异质结构是电子设备的关键组成部分。以前，实现这种集成的方法是将二维材料粘合到一个中间层（如金）上，然后使用该中间层将二维材料转移到绝缘体上，最后再使用化学品或高温去除中间层。麻省理工学院的研究人员没有使用这种牺牲层，而是将低粘性绝缘体嵌入高粘性基质中。这种粘合基质使二维材料粘附在嵌入的低粘合力表面上，提供了在二维材料和绝缘体之间形成范德华界面所需的力。制作矩阵为了制造电子设备，他们在载体基底上形成金属和绝缘体的混合表面。然后将该表面剥离并翻转，就会看到一个完全光滑的顶面，其中包含所需的器件构件。这种光滑度非常重要，因为表面和二维材料之间的间隙会阻碍范德华相互作用。然后，研究人员在完全洁净的环境中单独制备二维材料，并将其与制备好的器件堆栈直接接触。"一旦混合表面与二维层接触，无需任何高温、溶剂或牺牲层，它就能拾取二维层并将其与表面整合在一起。"萨特斯韦特解释说："通过这种方式，我们可以实现传统上被禁止的范德华集成，但现在却可以实现，而且只需一步就能形成功能齐全的器件。"这种单步工艺可使二维材料界面保持完全清洁，从而使材料达到其性能的基本极限，而不会受到缺陷或污染的影响。而且，由于二维材料的表面也保持原始状态，研究人员可以对二维材料的表面进行工程设计，以形成与其他元件的特征或连接。例如，他们利用这种技术制造出了 p 型晶体管，而利用二维材料制造这种晶体管通常是具有挑战性的。他们的晶体管在以前的研究基础上有所改进，可以为研究和实现实用电子产品所需的性能提供一个平台。展望未来他们的方法可以大规模地制造更大的装置阵列。粘合基质技术还可用于一系列材料，甚至与其他力量结合使用，以增强这一平台的多功能性。例如，研究人员将石墨烯集成到器件上，利用聚合物基质形成所需的范德华界面。在这种情况下，粘附依靠的是化学作用，而不仅仅是范德华力。未来，研究人员希望以此平台为基础，整合各种二维材料库，在不受加工损伤影响的情况下研究其内在特性，并利用这些卓越功能开发新的设备平台。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新的充电算法可将锂离子电池的寿命延长一倍

新的充电算法可将锂离子电池的寿命延长一倍 柏林亥姆霍兹中心（HZB）和柏林洪堡大学的一个欧洲研究小组开发出一种替代充电方案，使锂离子电池的寿命比现在更长。研究结果表明，通过改变充电器向电解质材料输送电流的方式，电池在经过数百次放电-充电循环后仍能保持较高的能量容量。锂离子电池是一种结构紧凑、坚固耐用的能源容器，已成为人们的宠儿。电动汽车和电子设备都依赖于它们，但随着电解质穿过分隔阳极和阴极的薄膜，它们的容量会逐渐降低。目前最好的商业级锂离子电池使用的电极由一种名为 NMC532 的化合物和石墨制成，使用寿命长达 8 年。传统的充电方式是使用恒定电流（CC）的外部电能。研究分析了使用 CC 充电时电池样品的情况，发现阳极的固体电解质界面（SEI）"明显变厚"。此外，他们还在 NMC532 和石墨电极结构中发现了更多裂纹。较厚的 SEI 和电极上较多的裂缝意味着锂离子电池容量的显著损失。因此，研究人员开发了一种基于脉冲电流（PC）的充电协议。使用新的 PC 协议对电池充电后，研究小组发现 SEI 接口变薄了很多，电极材料发生的结构变化也更少。研究小组利用欧洲两个领先的粒子加速同步加速器设施"BESSY II"和"PETRA III"进行了脉冲电流充电实验。他们发现，PC 充电可促进石墨中锂离子的"均匀分布"，从而减少石墨颗粒中的机械应力和裂纹。该方案还能抑制 NMC532 阴极的结构退化。研究表明，方波电流的高频脉冲效果最好。测试表明，PC 充电可使商用锂离子电池的使用寿命延长一倍，容量保持率达到 80%。这项研究的共同作者、柏林工业大学教授 Julia Kowal 博士说："脉冲充电可以在电极材料和界面的稳定性方面带来许多优势，并大大延长电池的使用寿命。" ... PC版： 手机版：

尖头不锈钢和铜可代替抗生素以物理形式消灭细菌

尖头不锈钢和铜可代替抗生素以物理形式消灭细菌 佐治亚理工学院的研究人员对这样的数字感到担忧是可以理解的，他们开始用机械方法而不是化学方法来对付 AMR。特别是，他们试图对付大肠杆菌、霍乱和沙门氏菌等革兰氏阴性菌，因为这些细菌含有一种保护性胶囊，使它们特别擅长对抗传统抗生素。该研究的第一作者 Anuja Tripathi 说："不使用化学品杀死革兰氏阳性细菌相对容易，但由于革兰氏阴性细菌的细胞膜厚且多层，因此对付它们是一个巨大的挑战。如果这些细菌持续存在于物体表面，它们就会迅速生长。我的目标是开发一种不含抗生素的杀菌表面，它能有效对抗革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌。"这项研究由佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院的博士后学者 Anjua Tripathi 领导特里帕蒂的团队利用电化学工艺蚀刻不锈钢表面，制造出成千上万个微小的微钉。然后，他们再次利用电化学方法将铜离子粘合到钢表面。结果，这种材料可以从两个方面消灭 AMR 病原体。尖刺撕碎了它们的保护外膜，而铜自古埃及时代起就以抗菌著称则进一步降解了它们的细胞膜。在测试中，钢和铜材料减少了 97% 的革兰氏阴性大肠杆菌，减少了 99% 的革兰氏阳性表皮葡萄球菌。实验表明，这种材料只需 30 分钟就能达到上述效果。事实上，新材料只含有一层很薄的铜，这意味着它避免了材料的高成本，从而使新的钢/铜组合保持在可承受的范围内。而且，由于它能用尖刺刺碎细菌，因此可以防止虫子演变成逃避死亡的手段，而化学处理方法却可以做到这一点。这已经不是我们第一次看到利用机械方法粉碎抗性细菌的材料了。仅在今年，我们就报道过一种受蜻蜓翅膀启发的尖刺钛材料，它能粉碎一种常见的呼吸道病毒；还报道过一种纳米晶体上的尖刺，它能在光照下旋转，将细菌切碎。佐治亚理工学院的这项研究在铜的基础上更进一步，而根据卫生机构关于 AMR 的可怕警告，我们真的有足够的办法来对抗超级细菌的攻击吗？这项研究发表在《小型》杂志上。 ... PC版： 手机版：

对流层成分研究的新发现可能有助于长期改善空气质量

对流层成分研究的新发现可能有助于长期改善空气质量 一个国际研究小组成功地记录下了气溶胶形成过程中长期假设的催化剂的第一个明确证据。地球大气层的 85% 位于对流层大气层的最底层。尽管如此，我们对改变对流层成分的化学过程的了解仍然存在很大差距。二次有机气溶胶（SOAs）的形成和普遍存在是一个特别重要的知识空白，它影响着地球的辐射平衡、空气质量和人类健康。但得益于美国能源部阿贡国家实验室（DOE）、桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）和美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）领导的国际研究团队的突破性发现，这一差距正在缩小。科学家们在发表于《自然-地球科学》（Nature Geosciences）的一篇新论文中详细介绍了他们的发现。关于克里基中间体的新研究研究小组重点研究了一类被称为克里基中间体（CI）的化合物。研究人员怀疑，当 CIs 通过一种叫做低聚的过程结合在一起时，它们在 SOAs 的形成过程中起着至关重要的作用。但直到现在，还没有人在这一领域直接识别出这一过程的化学特征。研究小组利用目前最先进的大气气相分子和气溶胶检测方法，在亚马逊雨林进行了实地测量，亚马逊雨林是地球上 SOA 最重要的地区之一。在那里，他们发现了与含有碳、氢和氧（CH2OO）的克里基中间化合物反应一致的明显证据。"这一发现意义重大，因为我们能够将在现场看到的实际情况、我们对 CIs 低聚现象的预期以及我们在实验室中的表征和理论判断直接联系起来，"论文第一作者、阿贡大学助理化学家 Rebecca L. Caravan 解释说。这些实地观测仅仅是各实验室合作开展的创新科学的一个组成部分。先进方法和重要发现"除了实地测量，我们还采用了世界上最先进的实验方法来直接描述克里基中间反应的特征。我们利用最先进的理论动力学来预测我们无法直接测量的反应。我们还利用了最先进的全球化学建模，根据这些动力学来评估我们预期低聚物在对流层中产生的影响，"桑迪亚的燃烧化学家 Craig A. Taatjes 说。这种组合产生了一些至关重要的发现。美国宇航局喷气推进实验室研究员卡尔-珀西瓦尔（Carl Percival）说："首先，我们发现 CI 化学在改变对流层成分方面所起的作用可能比目前的大气模型所能解释的还要大，可能要大一个数量级。其次，我们在工作基础上进行的更新建模只产生了我们在现场观察到的低聚特征的一小部分。"这可能意味着 CI 化学可能正在推动对流层内发生更大的变化，或者是其他尚未确定的化学机制在起作用。Caravan总结说："我们还有很多工作要做，才能完全确定CI反应在对流层中的作用。但这些发现极大地扩展了我们对地球大气层中最重要的一层形成 SOA 的潜在重要途径的了解。"编译来源：ScitechDailyDOI: 10.1038/s41561-023-01361-6 ... PC版： 手机版：