康奈尔大学工程师开发出可在五分钟内完成充电的新型锂电池

康奈尔大学工程师开发出可在五分钟内完成充电的新型锂电池 负责监督该项目的康奈尔大学工程学院院长、工程学教授林登-阿彻（Lynden Archer）说："与其他障碍（如电池的成本和性能）相比，续航里程焦虑症是交通电气化的更大障碍。如果能在五分钟内为电动汽车电池充电，那就不再需要300英里续航里程的电池了，大可以选择更小的电池，这可以降低电动汽车的成本，使其得到更广泛的采用"。该团队的论文最近发表在《焦耳》杂志上。论文的第一作者是化学与生物分子工程专业的博士生金硕。锂离子电池是电动汽车和智能手机最常用的动力装置之一。这种电池重量轻、性能可靠，而且相对节能。然而，它们充电需要数小时，而且缺乏处理大电流浪涌的能力。研究人员发现，铟是一种特别有前途的快速充电电池材料。铟是一种软金属，主要用于制造触摸屏显示器和太阳能电池板的氧化铟锡涂层。新研究表明，铟作为电池阳极有两个关键特性：迁移能垒极低，这决定了离子在固态中的扩散速度、交换电流密度适中，这与离子在阳极中的还原速度有关。快速扩散和缓慢的表面反应动力学这两种特性的结合对于快速充电和长时间储存至关重要。"关键的创新之处在于我们发现了一种设计原理，可以让电池阳极上的金属离子自由移动，找到合适的配置，然后才参与电荷存储反应，"阿彻说。"最终结果是，在每个充电周期中，电极都处于稳定的形态状态。这正是我们的新型快速充电电池能够在数千次循环中反复充放电的原因所在。"这项技术与道路上的无线感应充电技术相结合，将缩小电池的体积和成本，使电动交通工具成为驾驶者更可行的选择。然而，这并不意味着铟阳极是完美的，甚至是实用的。阿彻说："虽然这一成果令人兴奋，因为它告诉我们如何获得快速充电电池，但铟是很重的。这就为计算化学建模提供了一个机会，也许可以利用生成式人工智能工具，了解还有哪些轻质材料的化学成分可以达到同样低的达姆克勒数。例如，是否有我们从未研究过的金属合金具有所需的特性？这就是我感到满意的地方，因为有一个普遍原理在起作用，让任何人都能设计出更好的电池阳极，实现比最先进技术更快的充电速率。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国科学家开发出无疲劳铁电材料登上Science 可实现存储芯片无限次擦写

中国科学家开发出无疲劳铁电材料登上Science 可实现存储芯片无限次擦写 研究团队基于二维滑移铁电机制，开发出一种新型的二维层状滑移铁电材料（3R-MoS2），该材料制备的存储芯片有望突破读写次数限制，实现无限次读写。该研究的核心在于利用"层间滑移"替代传统铁电材料的"离子移动"，通过AI辅助的跨尺度原子模拟分析，揭示了二维滑移铁电材料抗疲劳的微观物理机制。实验表明，采用该材料制备的铁电芯片器件在经历400万次循环电场翻转极化后，电学曲线测量显示铁电极化仍未出现衰减。此项技术不仅极大提升了存储芯片的可靠性和耐久性，还有助于降低成本，提升存储密度，未来有望在航空航天、深海探测等极端环境应用以及可穿戴设备、柔性电子技术等领域发挥重要作用。传统铁电材料和二维滑移铁电材料的疲劳特性3R-MoS2铁电器件的抗疲劳性能分析3R-MoS2铁电器件的疲劳特性 ... PC版： 手机版：

韩国研究团队开发出一种亚纳米晶体管的生长方法

韩国研究团队开发出一种亚纳米晶体管的生长方法 半导体器件的尺寸取决于栅电极的宽度和效率。由于光刻技术的限制，目前的制造工艺无法将栅极长度控制在几纳米以下。为了解决这个问题，研究小组使用二硫化钼的镜像孪生边界（MTB）作为栅极电极，这种1D金属的宽度只有0.4纳米。IBS 团队通过在原子水平上改变二维半导体的晶体结构，实现了一维 MTB 金属相。国际器件与系统路线图（IRDS）预测，到2037年，半导体技术将达到约0.5纳米，晶体管栅极长度将达到12纳米。研究团队的晶体管显示，其沟道宽度小至 3.9 纳米，超过了这一预测。基于 1D MTB 的晶体管在电路性能方面也具有优势。与当前一些在高度集成电路中面临寄生电容问题的技术（FinFET 或 GAA）不同，这种新型晶体管由于结构简单、栅极宽度小，可以最大限度地减少此类问题。 ... PC版： 手机版：

研究人员开发出分子设计新准则 可防止电子通过原子振动耦合损失能量

研究人员开发出分子设计新准则 可防止电子通过原子振动耦合损失能量 对于这些系统中的电子来说，与这些振动相连意味着它们也在不断运动，以百万分之一亿秒的时间尺度随着原子的旋律起舞。但是，所有这些舞动都会导致能量损失，并限制有机分子在发光二极管（OLED）、红外传感器以及用于研究细胞和标记癌细胞等疾病的荧光生物标记物等应用中的性能。现在，研究人员利用激光光谱技术发现了能够阻止这种分子舞蹈的"新分子设计规则"。他们的研究成果发表在《自然》杂志上，揭示了能够阻止电子与原子振动耦合的关键设计原则，从而有效地关闭了分子的紧张舞蹈，推动分子实现无与伦比的性能。艺术家绘制的有机分子光发射特性受原子量子舞动调节的示意图。图片来源：剑桥大学卡文迪什实验室 Pratyush Ghosh 编辑该研究的第一作者、圣约翰学院博士生普拉蒂什-戈什（Pratyush Ghosh）说："所有有机分子，如活细胞中或手机屏幕中的有机分子，都是由碳原子通过化学键相互连接而成的。这些化学键就像微小的振动弹簧，电子通常会感受到它们，从而损害分子和设备的性能。然而，我们现在发现，当我们将分子的几何和电子结构限制在某些特殊构型时，某些分子可以避免这些有害影响。"为了证明这些设计原理，科学家们设计了一系列高效的近红外发射（680-800 纳米）分子。在这些分子中，振动造成的能量损失实质上是电子随原子的旋律起舞比以前的有机分子低 100 多倍。这种对设计发光分子的新规则的理解和开发，为未来开辟了一条极其有趣的轨迹，这些基本观察结果可以应用于各行各业。"这些分子如今也有广泛的应用。现在的任务是将我们的发现转化为更好的技术，从增强型显示器到用于生物医学成像和疾病检测的改良分子，"领导这项研究的卡文迪什实验室的 Akshay Rao 教授总结道。编译来源：ScitechDailyOI: 10.1038/s41586-024-07246-x ... PC版： 手机版：

哈佛大学工程师发现将橡胶阻力提高10倍的方法

哈佛大学工程师发现将橡胶阻力提高10倍的方法 SEAS 的研究人员开发出一种多尺度方法，使颗粒增强橡胶能够承受高负荷，并在反复使用中抵御裂纹增长。上图中，左侧样品中的裂纹在增长，而右侧样品中的裂纹在经过 350,000 次循环后仍然完好无损，该样品由多尺度材料制成。资料来源：Suo Group/Harvard SEAS这项研究发表在《自然》杂志上。改进微粒增强橡胶天然橡胶乳胶柔软而富有弹性。在包括轮胎、软管和阻尼器在内的一系列应用中，橡胶都是由碳黑和二氧化硅等硬质颗粒加固的。自问世以来，这些微粒大大提高了橡胶的刚度，但并没有提高材料在循环拉伸时的抗裂纹增长能力，这种测量方法被称为疲劳阈值。事实上，自 20 世纪 50 年代首次测量以来，颗粒增强橡胶的疲劳阈值并没有多大改善。这意味着，即使轮胎经过改进，提高了耐磨性并降低了油耗，但细小的裂缝仍会将大量橡胶微粒带入环境中，对人类造成空气污染，并在溪流和河流中积聚。橡胶工程学的新发现在之前的研究中，SEAS 的 Allen E. and Marilyn M. Puckett 力学与材料学教授索志刚领导的研究小组通过延长聚合物链和增加缠结密度，显著提高了橡胶的疲劳阈值。那么颗粒强化橡胶又如何呢？研究小组在高度纠缠的橡胶中加入了二氧化硅颗粒，他们认为颗粒会增加硬度，但不会影响疲劳阈值，正如文献中普遍报道的那样。他们错了。SEAS前研究生、论文共同第一作者杰森-斯特克（Jason Steck）说："这真是个惊喜。我们没想到添加颗粒会提高疲劳阈值，但我们发现疲劳阈值提高了十倍。Steck 现在是通用电气航空航天公司的研究工程师。"在哈佛团队的材料中，聚合物链很长而且高度纠缠在一起，而微粒则聚集在一起并与聚合物链共价结合。"事实证明，"论文共同第一作者、前 SEAS 研究生 Junsoo Kim 说，"这种材料能在两个长度尺度上分散裂缝周围的应力：聚合物链尺度和颗粒尺度。这种组合阻止了材料中裂缝的生长"。Kim 现为美国西北大学机械工程系助理教授。影响和未来应用研究小组在一块材料上切割出一条裂缝，然后将其拉伸数万次，以此证明了他们的方法。在他们的实验中，裂缝从未扩大。该研究的资深作者索说："我们的多尺度应力分散方法拓展了材料特性的空间，为减少聚合物污染和制造高性能软机器打开了大门。"哈佛大学技术开发办公室驻校专家、论文合著者雅科夫-库佐夫斯基（Yakov Kutsovsky）说："设计新型弹性材料的传统方法忽略了利用多尺度应力分散实现高性能弹性材料广泛工业用途的这些关键见解。这项工作中开发和展示的设计原则可适用于广泛的工业领域，包括轮胎和工业橡胶制品等大批量应用，以及可穿戴设备等新兴应用。"编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

日本开发在磁场下实现电阻开关效应的半导体器件

日本开发在磁场下实现电阻开关效应的半导体器件 日本一个研究团队研制出一种半导体纳米通道器件，给这种器件施加磁场能使其电阻值发生高达250倍的变化。这种现象未来有望用于开发新型电子元器件等。相关论文已发表在国际学术期刊《先进材料》上。 新华社报道，日本东京大学近日发布公报说，该校研究人员领衔的团队研制出一种通道长20纳米的锗半导体纳米通道器件，它属于半导体两端器件，拥有铁和氧化镁双层结构的电极，还添加了硼元素。研究人员观察到，通过给这种器件施加磁场能使其表现出电阻开关效应，外加磁场还使其实现了高达250倍的电阻变化率。研究人员给这种现象取名为“巨磁阻开关效应”。 公报说，目前仅能在20开尔文（约零下253摄氏度）的低温环境下观测到这种“巨磁阻开关效应”。研究团队下一步将致力于提高“巨磁阻开关效应”出现的温度，以便将其用于开发新型电子元器件等。 电阻开关效应一般指，材料能够在外电场作用下在低电阻态和高电阻态之间可逆转换。基于电阻开关效应的电阻式随机存取存储器被视为最有竞争力的下一代非易失性存储器之一。 传统的动态随机存取存储器是利用电容储存电荷多少来存储数据，一大缺点是数据的易失性，电源意外切断时会丢失存储数据。而电阻式随机存取存储器是通过向器件施加脉冲电压产生电阻高低变化，以此表示二进制中的“0”和“1”，其存储数据不会因意外断电而丢失，是一种处于开发阶段的下一代内存技术。 论文第一作者、东京大学研究生院工学系研究科教授大矢忍接受新华社邮件采访时说，目前已有很多关于电阻开关效应的研究，但此前对电阻开关效应的“磁场依存性”关注较少。新成果将来有望在电子领域得到应用，特别是用于神经形态计算以及开发下一代存储器、超高灵敏度传感器等新型器件。 2024年4月5日 1:53 PM