掺入石蜡制成的相变混凝土无需盐或铲子即可融化冰雪

掺入石蜡制成的相变混凝土无需盐或铲子即可融化冰雪 根据美国交通部（DOT）的数据，70% 以上的道路都在积雪地区。积雪和结冰会降低路面摩擦力和车辆可操作性，导致驾驶员减速，增加车祸风险。积雪阻塞的车道和道路还会降低道路通行能力，增加行车时间。交通部称，地方和州政府机构每年在冰雪控制作业上的花费超过 23 亿美元，此外，修复冰雪造成的基础设施损坏的费用也高达数百万美元。为防止结冰，通常会在下雪前撒盐，但高浓度的盐溶液会使混凝土或沥青老化。此外，当水渗入路面并结冰时，水会膨胀，造成内部压力并损坏路面。美国宾夕法尼亚州是众所周知的"寒冷之州"，该州德雷克塞尔大学的研究人员在一项新的研究中展示了他们的自加热混凝土：一种解决积雪覆盖道路以及清理和维护道路相关成本的潜在方法。德雷克塞尔大学先进基础设施材料（AIM）实验室首席研究员、该研究的通讯作者之一阿米尔-法纳姆（Amir Farnam）说："延长混凝土表面[原文如此]（如道路）使用寿命的一种方法是帮助它们在冬季保持高于冰点的表面温度。防止冻融，减少犁地和撒盐的需要，是防止路面老化的好办法。因此，我们的工作是研究如何在混凝土中加入特殊材料，帮助混凝土在周围环境温度降低时保持较高的表面温度。"研究人员的"特殊材料"是石蜡，这是一种所谓的相变材料，因为当它从室温下的液态变为固态时会释放热量。在之前的一项研究中，他们在热控制实验室环境中测试了相变混凝土，但在本次研究中，他们在真实世界条件下对其进行了实时测试。在混凝土板中加入石蜡的方法有两种。第一种方法是将多孔轻质骨料为增强混凝土强度而添加的小石子和鹅卵石浸没在液态石蜡中，吸收后再掺入混凝土中。第二种方法是将石蜡微胶囊直接混入混凝土中。正在室外测试的相变混凝土板 德雷塞尔大学研究人员浇筑了三块石板：两块采用了不同的石蜡掺入方法，第三块不含相变材料。自 2021 年 12 月以来，这三块石板一直放在德雷塞尔大学校园停车场旁边的室外。在头两年里，它们经历了 32 次温度降至冰点以下的冻融事件，无论降水量（即雨、细雨、雪、雨夹雪或冰雹）如何，还经历了五次降雪或一英寸以上的降雪。研究人员使用照相机和热传感器对 30 英寸 x 30 英寸（76 厘米 x 76 厘米）石板的融雪和融冰能力进行了监测。研究人员发现，当气温降至零度以下时，相变混凝土的表面温度能保持在 42 °F 至 55 °F（5.6 摄氏度至 12.8 摄氏度）长达 10 个小时。产生的热量足以以每小时约四分之一英寸的速度融化几英寸厚的积雪。法纳姆说："我们已经证明，我们的自热混凝土能够自行融化积雪，只利用白天的环境热能而且不需要盐、铲子或加热系统的帮助。这种自热混凝土适用于美国的山区和北部地区，如宾夕法尼亚州东北部和费城，因为那里冬季有合适的供暖和制冷周期"。轻质骨料板的持续加热能力更强，可将温度维持在冰点以上长达 10 小时，而微胶囊石蜡的加热速度更快，但维持热量的时间只有石蜡的一半。研究人员指出，骨料的多孔性可能是石蜡在通常的冰点温度（42 °F）以下保持液态的原因，这意味着当温度开始下降时，石蜡板不会立即释放热能，而是一直保持到材料温度达到 39 °F/3.9 °C。这与微胶囊石蜡板形成鲜明对比，后者在温度达到 42 华氏度时就开始释放热能。Farnam 说："我们的研究结果表明，经过相变材料处理的轻质骨料混凝土更适合在零度以下的温度条件下应用于除冰，因为它能在更大的温度范围内逐步释放热量。"研究人员说，防止混凝土表面降到冰点以下的能力将有助于防止其老化。"冻融循环、极度降温（低于冰点）和升温会导致表面尺寸膨胀和收缩，从而对其结构完整性造成压力，并随着时间的推移造成破坏性开裂和剥落，"该研究的主要作者和共同通讯作者罗宾-德布说。研究的主要作者和共同通讯作者罗宾-德布说："虽然单凭这一点可能不会使结构退化到失效的地步，但它会造成一种脆弱性，导致我们需要避免的内部恶化问题。其中一个很有希望的发现是，使用相变材料的楼板在面临环境温度下降时能够将温度稳定在冰点以上"。研究人员指出，在积雪超过两英寸的情况下，石板的效果较差。而且，如果相变材料没有机会通过升温"充电"，在冻融或积雪事件之间恢复到液态，其性能可能会降低。他们计划继续收集数据，以评估楼板的长期有效性，并研究如何采用相变材料来延长混凝土的使用寿命。"有了这些发现，我们将能够继续改进该系统，以便有朝一日对其进行优化，使其加热时间更长，融化程度更高，"Deb 说。"但令人鼓舞的是，有证据表明冻融循环明显减少，这表明与传统混凝土相比，PCM（相变材料）混凝土的冻融耐久性更强"。目前还不清楚这项研究使用的石蜡是否是合成的。使用非合成石蜡的一个问题是，石蜡是石油（原油）的副产品，是一种不可再生资源，需要密集的机械来开采和提炼。作为一种不可再生资源，石蜡不是可持续的、可生物降解的或环保的。这项研究发表在《土木工程材料期刊》上。 ... PC版： 手机版：

革命性的单晶合成技术提高了电动汽车电池的使用寿命

革命性的单晶合成技术提高了电动汽车电池的使用寿命 浦项科技大学（POSTECH）的一个团队在黑色金属与生态材料技术研究生院和材料科学与工程系的 Kyu-Young Park 教授的领导下，与博士生 Kyoung Eun Lee 和校友 Yura Kim 一起取得了重大进展。他们与 POSCO Holdings N.EX.T Hub 合作，成功开发出一种单晶合成技术，大大提高了电动汽车所用阴极材料的使用寿命。这项研究发表在材料科学领域的国际期刊《ACS Materials & Interfaces》网络版上。锂（Li）二次电池通常用于电动汽车，通过锂离子在阴极和阳极之间的运动，将电能转化为化学能，并通过发电将化学能释放为电能，从而储存能量。由于锂离子存储容量高，这些二次电池主要使用镍（Ni）阴极材料。传统的镍基材料具有多晶形态，由许多微小晶体组成，在充电和放电过程中会发生结构退化，从而大大缩短其使用寿命。解决这一问题的方法之一是以"单晶"形式生产阴极材料。将镍基阴极材料制成单个大颗粒，即"单晶体"，可以提高其结构和化学稳定性以及耐用性。众所周知，单晶材料在高温下合成后会变得坚硬。然而，合成过程中硬化的确切过程以及发生硬化的具体条件仍不清楚。高镍阴极材料的微观结构随合成温度变化的示意图，以及在临界温度下合成单晶体的策略。资料来源：POSTECH为了提高电动汽车用镍阴极材料的耐用性，研究人员重点确定了合成高质量单晶材料的特定温度，即"临界温度"。他们研究了各种合成温度，以确定合成镍基阴极材料（N884）时形成单晶的最佳条件。研究小组系统地观察了温度对材料容量和长期性能的影响。研究人员发现，在某一临界温度以下合成的传统多晶材料，在二次电池中长期使用容易发生降解。然而，当合成温度高于这一临界温度时，就能很容易地生产出高质量的单晶体，从而获得寿命更长的材料。这是由于在超过一定临界温度时材料会发生一种称为"致密化"的过程。在这一过程中，晶粒尺寸增大，内部的空隙被密集填充。经过致密化处理的单晶体非常坚硬，在较长时间内不易降解，从而大大提高了其耐用性。基于这些发现，研究小组证实，在临界温度以上合成单晶体是一种更有利的材料设计策略。他们还提出了合成高质量单晶材料的有效方法。POSTECH 的 Kyu-Young Park 教授表示："我们推出了一种新的合成策略，以提高镍基阴极材料的耐用性。我们将继续研究，使电动汽车的二次电池更便宜、更快速、更持久。"编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

剑桥大学研究人员开发出一种生产低排放混凝土的突破性方法

剑桥大学研究人员开发出一种生产低排放混凝土的突破性方法 这种方法被研究人员称为"绝对的奇迹"，它利用电弧炉（常用于钢材回收）同时回收水泥（混凝土的主要碳密集元素）。混凝土是地球上使用量仅次于水的第二大材料，其排放量约占人为二氧化碳排放总量的 7.5%。如何在满足全球需求的同时减少混凝土的排放，是全球最大的脱碳挑战之一。剑桥大学的研究人员发现，废水泥是石灰助熔剂的有效替代品，石灰助熔剂在钢材回收过程中用于去除杂质，通常最终成为一种被称为炉渣的废品。但用废旧水泥替代石灰后，最终产品是可用于制造新混凝土的再生水泥。剑桥大学的研究人员在《自然》杂志上报道了他们开发的水泥回收方法，这种方法不会给混凝土或钢材的生产增加大量成本，而且由于减少了对石灰助熔剂的需求，大大降低了混凝土和钢材的排放量。零排放的测试和潜力该项目的合作伙伴材料加工研究所（Materials Processing Institute）最近进行的测试表明，可在电弧炉（EAF）中大规模生产再生水泥，这是首次实现这一目标。如果电弧炉由可再生能源驱动，这种方法最终可以生产出零排放的水泥。剑桥大学工程系的朱利安-艾尔伍德教授是这项研究的负责人，他说："我们与建筑行业的成员就如何减少该行业的排放量举行了一系列研讨会。这些讨论产生了很多好主意，但有一点他们无法或不愿考虑，那就是一个没有水泥的世界。"在英国材料加工研究所的电弧炉中首次生产电水泥的照片。资料来源：材料加工研究所混凝土由沙子、砾石、水和作为粘合剂的水泥制成。虽然水泥在混凝土中所占的比例很小，但却造成了近 90% 的混凝土排放量。水泥是通过一种名为"熟料"的工艺制成的，在这种工艺中，石灰石和其他原材料被粉碎，并在大型窑炉中被加热到约 1450°C 的温度。这一过程将原料转化为水泥，但在石灰石脱碳转化为石灰的过程中会释放出大量的二氧化碳。替代材料的挑战过去十年来，科学家们一直在研究水泥的替代品，并发现混凝土中大约一半的水泥可以用粉煤灰等替代材料代替，但这些替代材料需要被剩余的水泥化学激活才能硬化。Allwood说："这也是一个数量问题我们没有足够的替代品来满足全球每年约40亿吨的水泥需求。我们已经找到了低悬果实，可以通过精心混合和掺和来帮助我们减少水泥用量，但要想一直实现零排放，我们需要开始跳出固有思维。"第一作者、工程系的 Cyrille Dunant 博士说："我在以前的工作中就有一个模糊的想法，如果有可能粉碎旧混凝土，取出沙子和石子，加热水泥就能去除水分，然后就能重新形成熟料。液态金属浴将有助于这种化学反应的进行，而用于回收钢材的电弧炉则很有可能。我们必须尝试一下。"在英国材料加工研究所的电弧炉中首次生产电水泥的照片。资料来源：材料加工研究所熟化过程需要热量和正确的氧化物组合，所有这些都存在于废旧水泥中，但需要重新激活。研究人员测试了一系列由拆除废料制成的炉渣，并添加了石灰、氧化铝和二氧化硅。炉渣在材料加工研究所的电弧炉中与钢水一起加工，然后迅速冷却。"我们发现水泥熟料和氧化铁的组合是一种极好的炼钢熔渣，因为它发泡且流动性好，"Dunant 说。"如果平衡得当，炉渣冷却得足够快，最终就能得到活性水泥，而不会增加炼钢工艺的任何成本。"通过这种回收工艺制作的水泥比传统水泥含有更多的氧化铁，但研究人员表示，这对水泥的性能影响不大。剑桥电动水泥工艺的规模一直在迅速扩大，研究人员表示，到 2050 年，他们的年产量将达到 10 亿吨，大约相当于目前水泥年产量的四分之一。"生产零排放水泥绝对是一个奇迹，但我们还必须减少水泥和混凝土的用量，"Allwood 说。"混凝土既便宜又结实，而且几乎可以在任何地方制造，但我们却用得太多了。我们可以在不影响安全的情况下大幅减少混凝土的用量，但这需要政治意愿。剑桥电动水泥不仅是建筑行业的一次突破，我们还希望它能成为一面旗帜，帮助政府认识到，在实现零排放的道路上，创新的机会远远超出了能源领域。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

革命性漫游车技术控制月球极端温度

革命性漫游车技术控制月球极端温度 名古屋大学的新型热开关装置使月球车能够有效管理月球上的极端热条件，延长其运行寿命并减少能源消耗。资料来源：Shinichiro Kinoshita, Masahito Nishikawara宇航员驾驶航天器在月球地形上航行时，不仅要面对零重力和可能掉落陨石坑的危险，还要应对剧烈的温度变化。月球的气候从127°C（260°F）的灼热高温到-173°C（-280°F）的刺骨低温不等。日本名古屋大学的研究小组开发了一种热开关装置，旨在提高月球车的耐用性。他们与日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency）的合作研究在《应用热工程》（Applied Thermal Engineering）杂志上发表。未来的月球任务需要可靠的机器，能够在这种恶劣的条件下工作。日本名古屋大学的一个研究小组认识到未来的月球探测需要坚固耐用的机器，他们发明了一种热开关装置，有望延长月球探测车的运行寿命。他们与日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency）合作进行的研究发表在《应用热工程》（Applied Thermal Engineering）杂志上。热开关技术：月球条件下的解决方案首席研究员 Masahito Nishikawara 说："能够在白天散热和夜间隔热之间切换的热开关技术对于长期月球探测至关重要。白天，月球车处于活动状态，电子设备会产生热量。由于太空中没有空气，电子设备产生的热量必须主动冷却和散发。另一方面，在极其寒冷的夜晚，电子设备必须与外界环境隔绝，以免过于寒冷。"目前的设备往往依靠加热器或连接到环形热管上的无源阀门来实现夜间保温。然而，加热器成本高昂，而被动阀会提高流体流速，导致压力下降，从而影响热量传递效率。Nishikawara 团队开发的技术提供了一个中间地带。它的压降比被动阀低，耗电量比加热器低，在夜间可以保持热量，而不影响白天的冷却性能。运行机制和能源效率该团队开发的热控装置将环形热管（LHP）与电动流体动力（EHD）泵结合在一起。白天，EHD 泵不工作，使 LHP 正常运行。在月球车中，LHP 使用的制冷剂在蒸气和液体状态之间循环。当设备升温时，蒸发器中的液态制冷剂汽化，通过月球车的散热器释放热量。然后，蒸气又冷凝成液体，返回蒸发器再次吸收热量。这一循环由蒸发器中的毛细力驱动，因此非常节能。夜间，EHD 泵会施加与 LHP 流量相反的压力，阻止制冷剂的流动。电子设备与夜间寒冷的环境完全隔绝，用电量极低。该团队的研究包括选择 EHD 泵的电极形状、设备设计、性能评估，以及利用 EHD 泵停止低压涡轮机运行的演示测试。结果表明，夜间耗电量几乎为零。技术的影响和未来应用Nishikawara 说："这种开创性的方法不仅确保了漫游车在极端温度下的生存，还最大限度地减少了能源消耗，这在资源有限的月球环境中是一个至关重要的考虑因素。它为未来月球任务的潜在整合奠定了基础，有助于实现持续的月球探测努力。"这项技术的意义不仅限于月球车，还可广泛应用于航天器的热管理。将 EHD 技术集成到热流体控制系统中，可以提高热传导效率，减轻运行挑战。未来，这将在太空探索中发挥重要作用。这种热开关装置的开发是为长期月球任务和其他太空探索活动开发技术的一个重要里程碑。所有这些都意味着，未来月球车和其他航天器应能更好地在极端的太空环境中运行。编译来源：ScitechDailyDOI: 10.1016/j.applthermaleng.2024.123428 ... PC版： 手机版：

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：

约翰霍普金斯大学发现革命性害虫控制新工具

约翰霍普金斯大学发现革命性害虫控制新工具 领导这项研究的约翰-霍普金斯大学化学教授史蒂文-罗基塔说："我们已经有了用这种酶控制果蝇数量的方法。它可以为控制各种生物和农业害虫的繁殖力提供一个很好的方法，首先从蚊子的数量开始。"研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。罗基塔的研究小组在研究碘化物如何在甲状腺中发挥作用时偶然发现了这一发现。该研究小组之前证明了碘酪氨酸脱碘酶的普遍性，它似乎在某些细菌、无脊椎动物和许多其他生物的关键生理过程中发挥着意想不到的作用。新发现表明，在果蝇体内抑制这种物质会导致溴代酪氨酸过量，而溴代酪氨酸是常见氨基酸酪氨酸的一种天然变体。过多的这种化合物会阻碍昆虫的精子生成能力。科学家以前认为这种酶仅限于产生甲状腺素的生物，甲状腺素是所有脊椎动物（包括哺乳动物、鸟类、爬行动物、两栖动物和鱼类）产生的甲状腺激素之一。这种酶的作用是将体内的碘含量保持在健康的临界值，以产生甲状腺激素，从而调节新陈代谢、生长和其他功能。罗基塔说："令我们惊讶的是，这种酶存在于大量动物、一些细菌、果蝇、海葵所有不需要碘化物的生物体中。如果这些生物不需要碘，那它在那里做什么呢？"通过切除和解剖果蝇的睾丸，研究小组追踪了这种酶是如何调节溴代酪氨酸水平的。当他们关闭了负责这种酶的特定基因后，他们发现果蝇睾丸中的溴代酪氨酸增多了。罗基塔说："事实证明，如果缺乏这种酶，雄性果蝇体内的溴酪氨酸就会积聚，而这种超负荷会严重抑制精子发生。所有苍蝇都有类似的基因，这意味着它们可能会以类似的方式对溴酪氨酸产生反应。"潜在的害虫控制策略可能包括使用标准的糖基蚊虫诱捕器，并在其中掺入溴代酪氨酸或其他能阻止这种酶发挥作用的物质。科学家们正与约翰-霍普金斯大学疟疾研究所合作，在蚊子身上测试他们的研究成果。酶是一种蛋白质，有助于加快维持人体生命的各种生物过程。尽管这种酶与哺乳动物的酶功能相似，但人类的睾丸中并不表达这种酶，因此溴代酪氨酸不太可能影响人类的生育能力。这些发现显示了探索科学家经常忽视的生物过程的价值。具体来说，研究结果表明，许多生物依赖于卤化过程，即在氨基酸酪氨酸等分子中加入溴或类似元素，以控制关键的身体功能。这种反应在许多生物体中都很常见，但其功能只有在甲状腺中才得到明确界定。这让我们看到，酪氨酸的卤化可能很常见，而且非常重要，因为它是有害的，或者因为它是某种调控反应，而我们一直忽略了这一点。编译来源：ScitechDailyDOI: 10.1073/pnas.2322501121 ... PC版： 手机版：