中国科学家研发出“神奇材料” 无需芯片和电池便可发光

中国科学家研发出“神奇材料” 无需芯片和电池便可发光 该研究提出了基于“人体耦合”的能量交互机制，并成功研发出集无线能量采集、信息感知与传输等功能于一体的新型智能纤维，由其编织制成的智能纺织品无需依赖芯片和电池便可实现发光显示、触控等人机交互功能，这一突破性成果为人与环境的智能交互开辟了新可能，具有广泛应用前景。图片来源：Science期刊插图据悉，这一突破性成果为人与环境的智能交互开辟了新可能。东华大学材料科学与工程学院博士研究生杨伟峰为论文第一作者，纤维材料改性国家重点实验室（东华大学）王宏志教授、侯成义研究员，以及东华大学材料科学与工程学院张青红研究员为论文通讯作者。该研究工作由东华大学作为唯一通讯单位主导完成，合作单位包括新加坡国立大学与安徽农业大学。随着科技不断发展，智能可穿戴设备正逐渐成为我们生活的一部分，并在健康监测、远程医疗和人机交互等领域发挥着越来越重要的作用。相较于传统刚性半导体元件或柔性薄膜器件等，由智能纤维编织而成的电子纺织品具有更好的透气性和柔软度，被视为理想的可穿戴设备载体。目前，智能纤维的开发多基于“冯·诺依曼架构”，即以硅基芯片作为信息处理核心开发各种电子纤维功能模块，如信号采集的传感纤维、信号传输的导电纤维、信息显示的发光纤维、能量供应的发电纤维等。尽管这些功能单元可组合制成织物形态，但这种复杂的多模块集成技术还面临着一系列挑战。现阶段的智能纺织品仍依赖于芯片和电池，体积、重量和刚性大，难以同时满足人们对纺织品功能性和舒适性的需求。“人体耦合”智能纤维的工作机制及其与传统电子织物的对比。图片来源：东华大学该研究中，东华大学科研团队开创性地提出了“非冯·诺依曼架构”的新型智能纤维，有效地简化了可穿戴设备和智能纺织品的硬件结构，优化了它们的可穿戴性。该工作实现了将能量采集、信息感知、信号传输等功能集成于单根纤维中，并通过编织制成不依赖芯片和电池的智能纺织品。“不插电”就能发光发电的纤维，其中到底有怎样的奥妙呢？在我们的日常生活中，电磁场和电磁波无处不在，散布在环境中的这些电磁能量就是这种新型纤维的无线驱动力。而这些能量又是如何“传递”到纤维上面的呢？答案就是我们的身体。该工作提出把人体作为能量交互的载体，开辟了一条便捷的能量“通道”，原本在大气中耗散的电磁能量优先进入纤维、人体、大地组成的回路，恰恰就是这一“日用而不觉”的原理，促成了“人体耦合”的新型能量交互机制。在添加特定功能材料以后，仅仅经过人体触碰，这种新型纤维就会展现发光发电的“神奇一幕”。人体耦合电磁能量收集示意图。图片来源：东华大学图片来源：东华大学“这款新型纤维具有三层鞘芯结构，所采用的均是市面上比较常见的原材料。芯层为感应交变电磁场的纤维天线（镀银尼龙纤维）、中间层为提高电磁能量耦合容量的介电层（BaTiO3复合树脂）、外层为电场敏感的发光层（ZnS复合树脂）。原材料成本低，纤维和织物的加工都能够用成熟的工艺实现，已具备量产能力。”杨伟峰说。该工作还展示了这种基于人体耦合原理的智能纤维的几种应用：在不使用芯片和电池的情况下，实现了纤维触控发光、织物显示以及无线指令传输等功能。侯成义研究员表示，“这种新型纤维能够运用到服装服饰、布艺装饰等日用纺织品中，当它们与人体接触时，通过发光进行可视化的传感、交互甚至高亮照明，同时它们还能对人体不同姿态动作产生独特的无线信号，进而对智能家电等电子产品进行无线遥控。这些新颖的功能有望拓展电子产品的应用场景，甚至改变人们智慧生活的方式。” ... PC版： 手机版：

中国科学家研发出弹性铁电材料

中国科学家研发出弹性铁电材料 据中国科学院宁波材料技术与工程研究所网站介绍，该研究所的研究团队研发出了兼具弹性回复与铁电性的新型高分子铁电材料，有效解决了传统铁电材料在可穿戴领域难以在大形变下保持稳定性能的难题。该成果于8月4日在国际顶尖学术期刊《科学》上发表。 铁电材料是一种神奇的绝缘性功能材料，有记忆能力，可用在计算机存储器、高精度电机、超敏感传感器和声纳设备等电子产品中，也是日常使用的手机、平板电脑等电子设备中必不可少的材料之一。 用该材料做成的传感器将更随和，具有更高测量精度、更好的穿戴舒适性，未来或能实现手机柔软贴身，可任意弯折。这种材料的拉伸率高达125%，不但能保持原有的铁电性，还能在外力撤除后迅速恢复原状。 来自：雷锋 频道：@kejiqu 群组：@kejiquchat 投稿：@kejiqubot

科学家开发出制造有机半导体的新型可持续方法

科学家开发出制造有机半导体的新型可持续方法 林雪平大学的研究引入了一种使用水等良性溶剂加工共轭聚合物的新方法。新油墨还具有高度导电性。资料来源：Thor Balkhed作为传统硅基电子器件的补充，有时甚至是替代品，有机电子器件正在崛起。有机电子产品具有制造简单、灵活性高、重量轻等特点，同时还具有传统半导体的电气特性，因此可用于数字显示、能源存储、太阳能电池、传感器和软植入物等应用。有机电子器件由半导体塑料（即共轭聚合物）制成。然而，加工共轭聚合物通常需要使用对环境有害、有毒和易燃的溶剂。这是有机电子产品广泛商业化和可持续使用的主要障碍。现在，林雪平大学的研究人员开发出了一种新的可持续方法，可以从水中加工这些聚合物。这种新型油墨不仅更具可持续性，还具有高度导电性。刘铁峰，有机电子学实验室博士后。资料来源：Thor Balkhed"我们的研究引入了一种利用水等良性溶剂加工共轭聚合物的新方法。"有机电子实验室资深副教授西蒙娜-法比亚诺（Simone Fabiano）说："利用这种被称为地态电子转移的方法，我们不仅可以解决使用有害化学物质的问题，还能证明材料性能和设备性能的改善。"当研究人员将这种新型导电墨水作为有机太阳能电池的传输层进行测试时，发现其稳定性和效率均高于传统材料。他们还测试了用这种油墨制造电化学晶体管和人工神经元的情况，结果表明其工作频率与生物神经元相似。"我相信，这些成果将对有机电子领域产生变革性影响。通过利用水等绿色和可持续溶剂加工有机半导体，我们可以大规模生产对环境影响最小的电子设备，"瓦伦贝格学院研究员西蒙娜-法比亚诺（Simone Fabiano）说。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

环保技术新突破：科学家利用植物纤维素制成新型聚合物

环保技术新突破：科学家利用植物纤维素制成新型聚合物 科学家们设计出了一种利用纤维素生产可回收且稳定的聚合物的方法，为传统塑料提供了一种可持续的替代品。这一研究成果为生产环保材料提供了新的可能性。上图为本研究开发的新型可回收聚合物制成的透明薄膜。资料来源：Feng Li他们开发出了一种方便、多用途的方法，利用从植物纤维素中提取的化学物质制造各种聚合物；最重要的是，这些聚合物可以完全回收利用。该方法发表在《ACS Macro Letters》杂志上。纤维素是植物生物质中最丰富的成分之一，是所有植物细胞周围坚韧细胞壁的关键部分。纤维素很容易从稻草和锯末等植物废料中获取，因此，将纤维素用作聚合物生产的原料不会减少用于粮食生产的农业用地。纤维素是一种长链多糖聚合物，即由多个糖基（特别是葡萄糖）通过化学键连接而成。为了制造新型聚合物，北海道研究小组使用了两种市售的小分子，即由纤维素制成的左旋葡糖烯酮（LGO）和二氢左旋葡糖烯酮（Cyrene）。他们开发了新颖的化学工艺，将 LGO 和 Cyrene 转化为各种非天然多糖聚合物。通过改变聚合物的精确化学结构，可以生成不同的材料，用于各种可能的应用。"我们面临的最大挑战是控制将较小单体分子连接在一起的聚合反应，以及获得对普通应用足够稳定的多糖材料，同时还能在特定化学条件下被分解和回收。"左起研究小组的佐藤俊文、水上雄太、李锋和矶野拓也。图片来源：李锋李补充说，研究过程中最大的惊喜是他们制作的聚合物薄膜具有很高的透明度，这对于这些聚合物似乎最适合的专业应用来说可能至关重要。另一位通讯作者 Toshifumi Satoh 教授补充说：由于这些材料相当坚硬，可能难以用作塑料袋等柔性塑料材料，因此我认为它们更适合用作光学、电子和生物医学应用领域的高性能材料。世界各地的其他研究小组也在探索用植物制造塑料替代聚合物的潜力，其中一些"生物塑料"已经可以在市场上买到，但佐藤的研究小组为这一快速发展的领域增添了一个重要的新机会。研究小组现在计划探索更多的可能性，但可行的结构变化非常多，因此他们希望与计算化学、人工智能和自动合成方面的专家联手探索这些选择。"我们希望这项工作能开发出多种有用的非天然多糖聚合物，使其成为从生物质到高效回收的可持续合成闭环的一部分。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

美国科学家首度以人体细胞研发出「活体机械人」

美国科学家首度以人体细胞研发出「活体机械人」 #两岸国际 说起机械人，一般人都会想像由金属零件组合而成。美国就有科学家首次用人体细胞组成「活体机械人」，不单能够移动，更有自我修复功能，可能成为未来医学技术突破。 (12/1/13:24)

科学家开发出可永久运行的新型泥土动力燃料电池

科学家开发出可永久运行的新型泥土动力燃料电池 美国西北大学的研究人员推出了一种由土壤微生物驱动的燃料电池，其性能大大优于同类技术，并为低能耗设备提供了一种可持续的供电解决方案。燃料电池的 3D 打印帽露出地面。盖子可以防止碎屑进入设备，同时保证空气流通。图片来源：Bill Yen/西北大学为了测试这种新型燃料电池，研究人员用它为测量土壤湿度和探测触摸的传感器供电，这种能力对于追踪路过的动物非常有价值。为了实现无线通信，研究人员还为土壤供电传感器配备了一个微型天线，通过反射现有的无线电频率信号将数据传输到邻近的基站。这种燃料电池不仅能在潮湿和干燥的条件下工作，而且其功率比同类技术高出 120%。这项研究成果将于今天（1月12日）发表在《交互、移动、可穿戴和泛在技术计算机械协会论文集》（Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable, and Ubiquitous Technologies）上。研究报告的作者还将向公众发布所有设计、教程和模拟工具，以便其他人可以使用并在此基础上开展研究。"物联网（IoT）中的设备数量在不断增长，"领导这项工作的西北大学校友比尔-颜（Bill Yen）说。"如果我们想象未来会有数万亿台这样的设备，我们就不可能用锂、重金属和对环境有害的毒素来制造每一台设备。我们需要找到能够提供低能量的替代品，为分散的设备网络供电。在寻找解决方案的过程中，我们将目光投向了土壤微生物燃料电池，它利用特殊微生物分解土壤，并利用低能量为传感器供电。只要土壤中有供微生物分解的有机碳，燃料电池就有可能永远持续下去"。该研究的主要作者比尔-颜（Bill Yen）在西北大学实验室测试时埋入燃料电池。资料来源：美国西北大学西北大学的 George Wells 是这项研究的资深作者，他说："这些微生物无处不在，它们已经生活在各处的土壤中。我们可以使用非常简单的工程系统来捕捉它们的电力。我们不会用这种能量为整个城市供电。但我们可以捕获微量的能量，为实用的低功率应用提供燃料。"威尔斯是西北大学麦考密克工程学院土木与环境工程系副教授。Yen 现在是斯坦福大学的博士生，当他还是 Wells 实验室的一名本科生研究员时，就开始了这个项目。近年来，全球越来越多的农民采用精准农业作为提高作物产量的策略。这种技术驱动的方法依靠精确测量土壤中的水分、养分和污染物含量，从而做出提高作物健康水平的决策。这需要一个广泛、分散的电子设备网络来持续收集环境数据。Yen说："如果你想在野外、农场或湿地安装传感器，你只能在传感器上安装电池或收集太阳能。太阳能电池板在肮脏的环境中无法正常工作，因为它们会被灰尘覆盖，在太阳不出来的时候无法工作，而且会占用很大的空间。电池也具有挑战性，因为它们会耗尽电力。农民不会绕着 100 英亩的农场定期更换电池或清除太阳能电池板上的灰尘。"为了克服这些挑战，威尔斯、Yen 和他们的合作者想知道，他们是否可以从现有环境中获取能量，也就是从农民正在监测的土壤中获取能量。基于土壤的微生物燃料电池（MFC）于 1911 年首次出现，其工作原理与电池类似具有阳极、阴极和电解质。但 MFC 并不使用化学物质来发电，而是从细菌中获取电能，这些细菌会自然地向附近的导体提供电子。当这些电子从阳极流向阴极时，就形成了一个电路。燃料电池从地下取出进行研究后，被泥土覆盖。图片来源：Bill Yen/西北大学但是，为了让微生物燃料电池不受干扰地运行，它们需要保持水分和氧气，而这在埋于地下的干燥泥土中是很难做到的。Yen说："虽然MFC作为一种概念已经存在了一个多世纪，但其不可靠的性能和低输出功率阻碍了人们对其进行实际应用，尤其是在低湿度条件下。"考虑到这些挑战，Yen 和他的团队开始了为期两年的开发实用、可靠的基于土壤的 MFC 的旅程。他的考察包括创建和比较四种不同的版本。首先，研究人员对每种设计的性能进行了长达九个月的数据收集。然后，他们在室外花园测试了最终版本。性能最好的原型既能在干燥条件下工作，也能在水浸环境下工作。其成功的秘诀是它的几何形状。获胜的燃料电池没有采用阳极和阴极相互平行的传统设计，而是采用了垂直设计。阳极由碳毡（一种廉价、丰富的导体，可捕捉微生物的电子）制成，与地表水平。阴极由惰性导电金属制成，垂直置于阳极之上。虽然整个装置是埋在地下的，但垂直设计确保了上端与地表齐平。设备顶部有一个 3D 打印的盖子，以防止碎片掉落。顶部的小孔和阴极旁的空气室可以保证稳定的气流。阴极的下端一直深埋在地表之下，确保它能从周围潮湿的土壤中保持水分，即使地表土壤在阳光下变干也是如此。研究人员还在阴极的一部分涂上了防水材料，使其在洪水中能够呼吸。而且，在可能发生的洪水过后，垂直设计还能使阴极逐渐变干，而不是一下子变干。平均而言，由此产生的燃料电池所产生的电量是传感器运行所需电量的 68 倍。它还足够坚固耐用，能够承受土壤水分的巨大变化从略微干燥（体积含水量为 41%）到完全浸入水中。研究人员说，他们的土基 MFC 的所有组件都可以在当地五金店买到。下一步，他们计划开发一种由完全可生物降解材料制成的土基 MFC。这两种设计都绕过了复杂的供应链，避免了使用冲突矿产。"通过COVID-19大流行，我们都熟悉了危机是如何扰乱全球电子产品供应链的，"该研究的合著者、前西北大学教师、现就职于佐治亚理工学院的乔赛亚-赫斯特（Josiah Hester）说。"我们希望制造出使用本地供应链和低成本材料的设备，让所有社区都能获得计算能力"。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：