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：

科学简单点：什么是氢能源？

科学简单点：什么是氢能源？ 但是，如果我们的飞机和汽车不向环境排放有害的温室气体，而是利用太阳或风力发电，以水为燃料呢？如果这种可再生燃料可以为电网提供后备电力，并且可以从全国各地的加油站购买呢？在这段科学 101 视频中，科学家 Debolina Dasgupta 和 Nancy Kariuki 介绍了氢能的科学、技术和应用。氢是最简单的化学元素或原子类型，我们星球上的水中存在大量的氢。它可以通过水循环自然更新，用作燃料时也不会释放有害物质。由于这些原因，氢气可以在促进清洁环境和减少从交通到电网等领域的温室气体排放方面发挥重要作用。美国能源部阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的科学家们正在利用世界一流的设施和专业知识来降低制氢成本，并为氢动力汽车开发经济实惠的燃料电池。他们还在评估氢的生产、运输、储存和使用方法，以最大限度地减少温室气体排放。科学家们正在努力利用氢气中的能量将这一愿景变为现实，氢气有望在促进更清洁的环境和实现美国到 2050 年实现碳净零排放的目标方面发挥重要作用，换句话说，就是以与碳排放相同的速度从大气中清除碳。氢是最简单的化学元素或原子类型。它仅由一个质子和一个电子组成。它也是最丰富的元素，约占宇宙中已知物质的 75%。水和生物体中都含有大量的氢。我们星球上的水中蕴含着丰富的氢气，它可以通过水循环自然更新。当用作燃料时，它不会释放出碳，因此是一种很有前途的清洁能源。资料来源：阿贡国家实验室氢分子由两个氢原子组成，可用于生产无碳能源。氢分子携带大量能量；一磅氢的能量几乎是一磅汽油或柴油的三倍。然而，氢分子在地球上并不丰富，只占大气层的不到 0.0001%。因此，氢必须从含有氢的其他物质中产生。不使用化石燃料的最常见制氢方法是利用电力将水（H2O）分离成氢（H2）和氧（O2）。这一过程被称为水电解，是一种很有前景的无碳制氢方法，因为电力可以来自核能或可再生能源，如风能和太阳能。科学家和工程师们正在努力改进水电解制氢工艺并降低其成本。在电解过程中，水在阳极分裂成氧气、氢离子和电子。电解质材料允许氢离子通过，但迫使电子单独流向阴极，两者在阴极重新结合形成氢气，用作燃料。资料来源：阿贡国家实验室他们还在开发通过利用和模仿光合作用等生物过程，将太阳能和水直接转化为氢气的方法。氢气生产出来后，有几种使用氢气作为能源的方法。最主要的是燃料电池，它能将氢气和氧气中储存的化学能转化为电能。与汽油发动机不同，燃料电池不会排放二氧化碳等有害气体。与电池不同，燃料电池系统不需要长时间停机充电。与汽油发动机一样，燃料电池系统也可以使用氢气进行补充燃料。氢可以在燃料电池中使用，也可以在发动机中作为燃料燃烧。科学家和工程师们正在努力改进这些技术，以取代化石燃料在交通和电网中的使用。资料来源：阿贡国家实验室正在为汽车、卡车、叉车、公共汽车、轮船和火车开发的一种氢燃料电池将氢分子分裂成电子和质子。电子被迫流经电路，产生可用的电力。同时，质子能够通过薄膜，最终与电子重新结合，并与空气中的氧分子发生反应，生成水，这是唯一的排放物。美国能源部阿贡国家实验室的科学家们正在利用世界一流的设施和专业知识推动氢科学和技术的发展。研究人员正在降低制氢成本，为氢动力汽车开发经济实惠的燃料电池。他们还在评估氢的生产、运输、使用和储存方法，以最大限度地减少温室气体排放。编译自: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？ ... PC版： 手机版：

科学简单点：什么是自主发现？

科学简单点：什么是自主发现？ 在本系列报道中，计算机科学家凯西-斯通（Casey Stone）和阿贡国家实验室纳米材料中心主任伊尔克-阿尔斯兰（Ilke Arslan）将为我们介绍自主发现的内幕。自主发现是一个利用机器人技术、人工智能和机器学习的过程，以前所未有的速度为世界带来科学突破。自主发现正在彻底改变人们从事科学研究的方式。展望未来，这些过程将帮助科学家找到解决方案，使人类更安全、更健康、更能抵御气候变化的影响。假设你遇到了塑料污染这样的问题，你需要一种更容易回收或再利用的新型塑料。可能有效的聚合物有成千上万种，而且在测试过程中可能会涉及有害化学物质。在过去，我们可能需要几名研究人员在实验室工作台同时测试一种聚合物。而这一过程将耗时数年。通过自主发现，人类研究人员将问题交给了机器人和人工智能。研究人员使用一种叫做机器学习的方法，用庞大的数据集来训练人工智能。这就为人工智能提供了我们已经知道的有关塑料回收、化学过程和潜在聚合物结构的所有信息。人工智能利用这些信息做出最佳决策，决定下一步运行哪些实验。机械臂和采样机每天 24 小时运转，让研究人员安全地远离化学品或其他潜在风险。通过机器学习，人工智能会变得越来越聪明，寻找新的模式和新的实验。人类科学家可以自由地使用他们富有创造力的大脑袋来解释最有趣的结果并采取行动。自主发现将帮助科学家在几天或几周内找到复杂问题的解决方案，而不是几年或几辈子。人类的智慧和想象力仍然是这一创新的核心。阿贡的科学家和技术人员正在寻找创造性的方法来应用自主发现的工具：我们正在创建实验室的"数字孪生体"。这些虚拟现实模型可以帮助研究人员测试机器，并找出在现实生活中的生物和化学实验室安装设备的最佳方法。我们正在探索从抗药性细菌的新疗法到植物如何在土壤中储存碳等一切问题。我们正在构建和解构聚合物链，以找到塑料回收和再循环的新方法。我们正在使用一些世界上最快的超级计算机来运行人工智能和处理来自大规模实验的数据。自主实验室正以前所未有的速度、效率和准确性，帮助将科学解决方案带入我们的生活。这不仅将彻底改变我们从事科学研究的方式，还将推动我们进入一个全新的发现时代。资料来源：阿贡国家实验室自主发现这种新的科学方法将以前所未有的速度带来新的发现。人脑是一台神奇的科学解题机器，但在人类研究人员需要进食或睡觉之前，人体只能解决这么长时间的问题。当今最大的挑战，如气候变化、新出现的疾病和塑料污染，不会等我们去吃个三明治或打个盹。我们现在就需要答案。这就是科学家们从机器人技术、人工智能（AI）和机器学习中获得帮助的原因。我们定义一个问题。人工智能利用机器人系统识别、设置并运行数百个实验，这些机器人系统可以全天候处理问题。通过机器学习，人工智能会变得越来越聪明，寻找新的模式和新的实验。人类科学家可以自由地使用他们富有创造力的大脑袋来解释最有趣的结果并采取行动。自主发现将以 100 倍甚至 1000 倍的速度为我们带来解决方案。编译自: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？ ... PC版： 手机版：

科学简单点：什么是 X 射线光源？

科学简单点：什么是 X 射线光源？ 在这段"科学 101：什么是 X 射线光"的视频中，科学家杰西卡-麦克切斯尼（Jessica McChesney）和吉尔伯托-法布里斯（Gilberto Fabbris）解释了什么是 X 射线光，以及他们如何在阿贡高级光子源（APS）使用 X 射线光。X 射线光是存在于电磁波谱中的高能量光。该光谱包括所有电磁波的范围，从能量最低的长波（调幅无线电波）到中间波（可见光），再到能量最高的短波（伽马射线）。阿贡的 APS 使用的是波长较短的 X 射线。较短的波长允许 X 射线穿过许多物质，这使得像杰西卡和吉尔伯托这样的科学家能够深入观察物体，发现有关材料结构和功能的新知识。APS 是世界上最强大的 X 射线光源之一，每年有来自世界各地的 5500 多名科学家利用这个巨大的研究设施测试新材料、制造更好的电池，并为人类面临的最大问题寻找解决方案。要做到所有这些，还需要一个强大的 X 射线光源。X 射线是一种光，但它并不是人们听到这个词时通常会想到的可见光。您可能对牙医用来拍摄牙齿内部照片的 X 光机并不陌生。先进光子源（APS）是美国能源部（DOE）科学办公室的用户设施，位于能源部阿贡国家实验室，它能产生类似的 X 射线光，但比 X 射线光亮十亿倍。这么亮的光能做什么？APS 的工作原理就像一台巨大的显微镜，但与可见光不同，X 射线具有穿透力，使科学家能够看到材料的深处。例如，X 射线束可以聚焦得很紧，科学家可以用它来"看"电池在使用过程中内部发生了什么，从而开发出更节能的电池。几十年来，APS 和世界各地的其他光源一直在改善我们的生活。为它们提供动力的技术粒子加速早在 20 世纪 20 年代就已出现。电磁波谱是各种电磁辐射的范围能量在传播过程中会扩散开来。太阳的温度比地球高得多，因此它发出的辐射能量较高，波长较短。资料来源：美国国家航空航天局APS 的核心是一个储藏环，周围约三分之二英里。它非常大，可以容纳一个棒球场。它的工作是以接近光速的速度，高精度地循环着被称为电子的粒子。电子每天在这个环上绕行数十亿次，在轨道的每一个弯曲处都会释放出耀眼的光芒。APS 将这些光发送到环周围的实验站，在那里进行不同类型的科学实验。APS 是一个国家用户设施，这意味着全世界的科学家都可以使用这一资源。科学家使用它不收取任何费用，但他们的数据必须公开发布。每年，来自世界各地的 5500 多名科学家利用 APS 研究各种各样的问题，从应对温室气体的新方法到加固道路和桥梁的新方法。自 20 世纪 90 年代建成以来，APS 一直是世界领先的 X 射线光源，而它的未来将变得更加光明。一次大规模的升级将取代目前的存储环，它所产生的 X 射线亮度将是现在的 500 倍，从而能够进行更多的实验和创新，改善我们的生活。与世界各地的其他光源一起，APS 将继续使科学家们能够让我们更健康、更安全，并增进我们对周围世界的了解。资料来源：阿贡国家实验室X 射线光源如何工作？先进光子源可以产生超亮的 X 射线束，为新发现照亮道路。先进光子源（APS）等强大的光源与牙医使用的 X 光机类似，只是它产生的光亮度要高出十亿倍。APS 的核心是一系列被称为加速器的机器，它们使用磁铁移动被称为电子的微小粒子。电子聚集在一起，沿着直线加速器直线运动。粒子积聚环可将成串的粒子更紧密地聚集在一起。助推器环在它们积累速度和能量的过程中使它们循环。然后，粒子被注入存储环。电子每天在这个环上绕行数十亿次。在轨道的每一个转弯处，它们都会释放出光子粒子形式的光。这些光子就是 X 射线光，它们被发送到环上的各个科研站。科学家们利用这种非常明亮的光线来观察材料的内部深处。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？ ... PC版： 手机版：

科学简单点：什么是量子力学？

科学简单点：什么是量子力学？ 在这段"科学 101：什么是量子力学"的视频中，阿贡材料科学部学者凯瑟琳-哈蒙（Katherine Harmon）解释了什么是量子力学。量子力学是一种理论，涉及物质、能量和光的最基本位以及它们相互作用构成世界的方式。这一具有里程碑意义的理论起源于 20 世纪初，在 21 世纪被广泛应用于现实世界。阿贡科学家哈蒙和许多其他科学家在实验室中应用量子力学，正在开发有朝一日能够改变社会和我们对宇宙认识的技术。量子传感器可以检测到以前检测不到的癌细胞。量子互联网可以确保信息和数据通信不受黑客攻击。量子计算机可以解决经典计算机无法解决的复杂问题。量子理论还将继续推进我们对宇宙的认识，从原子深处错综复杂的动力学，到宇宙诞生这样宏大的宇宙事件。20 世纪初，科学家们开始发展量子力学，以解释一系列实验结果，这些实验结果无法用其他任何解释来解释。如今，科学家们利用这一理论创造出强大的技术无法破解的信息通信、更快的药物发现以及手机和电视屏幕上更高质量的图像。那么，什么是量子呢？从更广泛的意义上讲，"量子"一词可以指某种事物的最小可能量。量子力学领域研究的是最基本的物质、能量和光，以及它们相互作用构成世界的方式。与我们通常思考世界的方式不同，我们想象事物分别具有粒子或波的特性（例如棒球和海浪），但这种概念在量子力学中行不通。根据不同的情况，科学家可能会观察到同一个量子物体具有粒子或波的特性。例如，光不能被认为只是光子（一种光粒子）或只是光波，因为我们可能在不同的实验中观察到这两种行为。平日里，我们看到的事物每次只有一种"状态"：在这里或在那里，移动或静止，正面朝上或反面朝上。在量子力学中，物体的状态并不总是那么简单明了。例如，在我们确定一组量子物体的位置之前，它们可能存在于一个或多个位置的叠加（或一种特殊的组合）中。不同的可能状态就像池塘中的波浪一样相互组合和干扰，只有在我们观察之后，物体才会有一个确定的位置。叠加是使量子计算机成为可能的主要特征之一，因为它使我们能够用新的和有用的方式来表示信息。另一种有趣的量子行为是隧穿，量子物体（如电子）有时可以穿过原本无法穿过的障碍。之所以会发生这种情况，是因为叠加允许电子有很小的几率出现在障碍的另一侧。量子隧道技术可应用于闪存设备、功能强大的显微镜和量子计算机等领域。当量子物体相互作用时，它们通过一种叫做纠缠的联系彼此相连。即使物体之间相隔很远，这种联系也能保持。爱因斯坦称之为"距离的幽灵作用"。科学家们正在利用它进行超安全通信，它也是量子计算的一个基本特征。在美国能源部（DOE）的阿贡国家实验室，科学家们利用世界一流的专业知识和研究设施，开发用于存储、传输和保护信息的量子技术，并研究我们的宇宙，从原子内部深处的复杂动力学到宇宙诞生这样宏大的事件。阿贡还领导着 Q-NEXT（美国能源部国家量子信息科学研究中心），该中心致力于开发量子材料和器件，并将量子技术的力量用于通信。资料来源：阿贡国家实验室什么是量子信息科学？利用原子尺度上的反直觉行为，我们可以在实用尺度上为信息科学带来强大变革。科学家们正在争分夺秒地开发能够存储、传输、操纵和保护信息的量子系统。量子比特是量子计算和其他量子信息系统的基本组成部分。它们类似于经典计算机中的比特，要么是 0，要么是 1。量子比特的奇特之处在于，它们可以同时为 0 和 1。这种重叠状态极大地增强了量子计算机的性能。量子比特本身可以有多种不同的形式电子、光粒子，甚至是高度结构化材料中的微小缺陷。科学家们正在努力设计能在量子态中保持信息数秒（"相干性"）并能与其他量子比特连接（"纠缠"）的量子比特。量子技术可以改变国家和金融安全、药物发现以及新材料的设计和制造，同时加深我们对宇宙的理解。编译自: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？ ... PC版： 手机版：

科学简单点：什么是“关键材料” 美国政府定义了多少种？

科学简单点：什么是“关键材料” 美国政府定义了多少种？ 镓，美国政府认定的关键材料之一，因为它在许多重要技术中都有应用。图片来源：Maxim Bilovitskiy, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons.许多关键材料具有独特的性能，因此对先进技术非常重要。例如，有些材料可用于制造非常坚固、紧凑的磁铁，有些材料可加速化学反应，还有一些材料可有效地将电能转化为光能。能源部确定的所有关键材料都是天然元素，没有一种是在实验室中创造出来的。几乎所有这些元素都来自恒星和超新星，只有极少量是通过放射性衰变和其他方式产生的。这意味着地球上的供应就是我们目前所拥有的一切。上图中的镓就是这些关键材料之一。镓用于制造各种电子设备。它常用于 LED 灯泡、智能手机中的通信芯片和高效电源。由于镓十分稀有，因此并不直接开采，而是作为铝制造过程中的副产品生产出来。中国的镓产量占全球产量的 90% 以上，并于 2023 年宣布严格限制这一关键元素的出口。概况我们可以通过英国皇家化学会的在线元素周期表，了解更多有关关键材料和所有元素的信息。这些关键材料包括 17 种稀土金属中除一种之外的所有材料。这些银色金属的化学性质相似。它们之所以被称为"稀有"，部分原因是它们往往同时存在，很难从其他材料中分离出来。由能源部科学办公室支持的研究项目可以降低关键材料的回收成本。欧盟也关注关键材料。在这份来自Politico 的指南中，您可以了解有关其中 12 种材料的更多信息。从太阳能电池板和风力涡轮机到电动汽车充电器和电池，关键材料对清洁能源技术至关重要。这些用途正是能源部密切关注关键材料的原因。根据《两党基础设施法和通货膨胀削减法》，能源部负责监督几项关键计划，以解决关键材料问题。能源部制造和能源供应链办公室（MESC）正在三个资助领域领导工作，即电池制造和回收补助金、电池材料加工补助金和48C 税收抵免计划。MESC 和能源部化石能源与碳管理办公室(FECM) 正在领导稀土元素示范设施的工作。化石能源和碳管理办公室还在利用采矿和工业废料以及其他非常规来源生产和加工稀土元素和其他关键材料。能源部还创建了关键材料创新中心(CMI Hub）。该中心由艾姆斯国家实验室领导，由能源部先进材料与制造技术办公室管理。CMI 正在开展应用研究，以推动技术发展，从而开辟关键材料的新来源、这些材料的替代品以及通过再利用和再循环更好地利用现有材料的方法。该中心还研究新的方法，以促进科学发展、保护环境，并分析关键材料的供应链和经济性。更多有关“关键材料”资源能源部关键矿物和材料计划，包括该计划对这些材料的定义能源部科学办公室的基础能源科学计划，是能源部在关键材料方面的大部分工作的中心。为关键材料奠定科学基础关键材料创新中心能源部关键材料中心DOE关键材料战略报告DOE关于从煤炭和煤炭副产品中回收 REE/CM 的报告美国地质调查局关于关键材料的报告相关文章: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？ ... PC版： 手机版：