中国科学家成功研发出基于“人体耦合”的能量交互机制的新型智能纤维

中国科学家成功研发出基于“人体耦合”的能量交互机制的新型智能纤维 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。“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。受访对象供图该研究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”。东华大学纤维材料改性国家重点实验室侯成义研究员表示：“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的不同姿态动作产生无线信号，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：

科学家发明了一种新织物 穿上就能自动降温

科学家发明了一种新织物 穿上就能自动降温 说到城市和郊区的温差，就不得不谈一谈“热岛效应”。热岛效应是指一个地区的气温高于周围地区的现象，这种现象在气象图上形成类似孤岛的高温区域，因此得名“热岛”。热岛效应通常出现在城市中，因此也被称为城市热岛效应。热岛效应。图片来源于网络城市中的居民如何有效应对热岛效应，提高生活的舒适度2024 年 6 月 14 日，科学家在《科学》（Science）杂志上发表了一篇关于新型辐射冷却织物的文章，有望提高人们在高温天气下的身体舒适度，降低城市热岛效应对人体的影响。研究成果发表于《科学》杂志 （图片来源：《科学》杂志）这种辐射冷却织物是如何做到降温的研究者制备的中红外光谱选择性分层纺织品（SSHF）由三层组成，分别是聚甲基戊烯（PMP）纳米-微米混合纤维层、银纳米线（AgNWs）层和羊毛织物层。其中，表面的聚甲基戊烯（PMP）纳米-微米混合纤维层具有较宽的尺寸分布和特有的化学键，可以实现大气透射窗（ATW）光谱范围内高的吸收率。大气透射窗（ATM）是指太阳辐射光通过大气层时透射能力很强的波段范围，该部分光可以直达地表，对地表温度的升高有着很大的作用。中间的银纳米线层在整个中红外区域具有高反射率，可以有效防止城市基础设施的红外线传递到人体，降低城市基础设施的热辐射对人体的影响。底部的羊毛织物则可以通过纺织品和皮肤之间的空气间隙吸收人体皮肤的热辐射，并通过银纳米线层进一步将热量传导到顶部的 PMP 织物，从而实现热量从人体表面传递到大气中达到冷却的效果。中红外光谱选择性分层纺织品的结构和可穿戴性能 a.纺织品的结构；b.纺织品在室外环境中的辐射换热示意图；c.不同材料的中红外发射率；d.羊毛织物对人体热辐射吸收的影响；e-i.可穿戴性研究结果（图片来源：参考文献1）实验结果表明，该研究制备的中红外光谱选择性分层纺织品（SSHF）在 1010 W/m? 的峰值太阳强度下，可以将温度显著降低约 6.2℃，这归因于该纺织品能够有效地将热量释放到外界，同时选择性地阻挡来自地面的热辐射。在模拟城市环境的实验中，中红外光谱选择性分层纺织品（SSHF）在白天和夜间分别比传统设计的辐射冷却品低 2.3°C 和 0.2°C 。该冷却纺织品的多孔结构还可以提供良好的透气性，促进了人体汗液的自然扩散，避免了闷热给人体带来的不适。此外，该冷却纺织品表现出较强的疏水性和较强的机械性能，在保证自身清洁的同时还能达到高耐用性，符合可穿戴性衣物的要求。可穿戴的辐射冷却品为应对城市热岛效应提供了一种创新且有效的个人降温方案，不仅有助于减少空调的使用降低能耗，还能预防与热相关的健康问题。期待这种高科技产品的量产，为城市居民带来舒适的体验，为高温作业人员带来一份清凉。参考文献[1]Ronghui Wu et al., Spectrally engineered textile for radiative cooling against urban heat islands[J].Science, 2024.[2]Cui C et al., Hierarchical-porous coating coupled with textile for passive daytime radiative cooling and self-cleaning[J].Solar Energy Materials and Solar Cells, 2022.[3]白杨,王晓云,姜海梅,等.城市热岛效应研究进展[J].气象与环境学报, 2013.[4]卢敬华,李国平.城市热岛效应的分析[J].成都气象学院学报, 1991. ... PC版： 手机版：

科学家开发出需要稀有材料更少的电池 充电更快、寿命更长

科学家开发出需要稀有材料更少的电池 充电更快、寿命更长 研究人员通过开发快速充电功能和使用有机材料增强负极，减少了对稀有非欧洲材料的依赖，从而推动了纳离子电池技术的发展。此外，他们还改进了阴极，创造出一种高能量、快速充电、无钴的材料，这种材料在使用过程中会逐渐发生结构变化，因此寿命更长。资料来源：代尔夫特理工大学这些电极可由有机材料制成，这减少了对并非来自欧洲的稀有材料的依赖，优点在于阴极也得到了改进。代尔夫特的研究人员还改进了另一面，并发表了相关文章。这项研究最近发表在《自然-可持续性》杂志上。《用于钠离子电池的快充高压分层阴极》详细介绍了一种新型正极的开发情况，其设计原理源自他们于 2020 年发表在《科学》杂志上的论文。根据这些设计原则，我们设计了一种材料，它结合了两种可能的最佳结构：高能量密度与快速充电。此外，这种材料在充电和放电过程中会逐渐改变其结构，从而延长其使用寿命。此外，这种材料不含钴，而钴在锂离子阴极中仍然很常见。由于对这些电池材料的了解不断加深，第三个增长基金项目"可持续电池技术"的下一步工作已经准备就绪。在该项目中，除了锂离子电池研究外，还将在全国范围内开展纳离子电池研究。电池研究将进一步扩大，使这项技术能够应用于各国市场。参考文献：DOI: 10.1038/s41893-024-01266-1编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

日本化学家开发出自带发光特性的自愈材料

日本化学家开发出自带发光特性的自愈材料 理化学研究所 CSRS 研究人员开发的一种突破性自愈合荧光材料为更耐用的有机太阳能电池和更广泛的应用提供了潜力，符合可持续消费和生产的目标。2019 年，理化学研究所 CSRS 的侯兆民及其团队使用稀土金属催化剂成功共聚了乙烯和异丙烯。由此产生的二元共聚物具有显著的损伤自愈特性。这种共聚物的软组分（乙烯和异丙烯的交替单元）与乙烯-乙烯链的硬结晶单元结合在一起，成为物理交联点，形成了纳米相分离结构，这被证明是自愈合的关键。由乙烯、异丙烯和芘乙烯基取代苯乙烯组成的三元共聚物花纹薄膜的荧光和自愈特性。资料来源：理化学研究所在这一成功的基础上，他们在单体中加入了发光单元苯乙烯，然后形成了包括异丙烯和乙烯在内的聚合物。这一过程只需一个步骤，就能合成具有荧光特性的自愈材料。"荧光材料非常有用，可用于有机发光二极管（OLED）、有机场效应晶体管（OFET）和太阳能电池。然而，这些材料的主要问题之一是使用寿命短。我们的新材料有望延长产品的使用寿命并提高可靠性。"还有一个惊喜，事实证明，由此产生的共聚物不仅坚韧，而且还能在没有外部刺激或能量的情况下实现自我修复。它的拉伸强度在 24 小时内完全恢复，与二元共聚物相比，显示出很高的自愈速度。这种材料即使在水、酸性和碱性溶液中也能自我修复，因此可用于各种环境。这种共聚物的网络结构包括由苯乙烯-苯乙烯单元和结晶乙烯-乙烯纳米域形成的物理交联点，以及由交替单元组成的软段，从而促进了自我修复。这种材料还显示出一种附加特性。研究小组通过光刻技术成功地将二维图像转移到了荧光自修复薄膜上。虽然图像在自然光下仍不可见，但在紫外线下却可以辨认，这表明这种薄膜有可能用作信息存储设备。即使在图像的作用下，薄膜仍能保持良好的自愈合和弹性特性。"我们通过一步反应合成的这种材料，使我们能够通过调整单体的成分来控制其光学和机械性能。我们认为，它能为开发在各种实际环境中具有高度自愈能力的新型功能材料做出重大贡献，"侯说。"这项研究符合联合国的可持续发展目标（SDGs），尤其有助于实现"目标12：确保可持续的消费和生产模式"。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

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：

"电子蜘蛛丝"传感器：利用环保技术实现生物电子学革命

"电子蜘蛛丝"传感器：利用环保技术实现生物电子学革命 研究人员开发出了一种制造自适应生态友好型传感器的方法，这种传感器可以直接且不易察觉地印在各种生物表面上，无论是手指还是花瓣。资料来源：剑桥大学这种方法由剑桥大学的研究人员开发，其灵感来自蜘蛛丝，蜘蛛丝可以粘附在各种表面上。这些"蜘蛛丝"还结合了生物电子学，因此可以在"网"上添加不同的传感功能。先进的传感器技术这种纤维比人的头发至少小 50 倍，重量非常轻，研究人员直接将其打印在蒲公英蓬松的种子头上，而不会破坏其结构。印在人的皮肤上时，纤维传感器会紧贴皮肤并暴露出汗孔，因此佩戴者不会察觉到它们的存在。对印制在人体手指上的纤维进行的测试表明，它们可用作连续的健康监测器。这种低废物、低排放的生命结构增强方法可用于从医疗保健和虚拟现实到电子纺织品和环境监测等一系列领域。今天（5 月 24 日），《自然电子学》杂志报道了这一研究成果。研究人员开发出了一种制造自适应生态友好型传感器的方法，这种传感器可以直接且不易察觉地印在各种生物表面上，无论是手指还是花瓣。这种比人类头发至少小 50 倍的纤维非常轻巧，研究人员可以直接将其打印到蒲公英蓬松的种子头上，而不会破坏其结构。资料来源：剑桥大学虽然人体皮肤非常敏感，但在皮肤上增加电子传感器可以从根本上改变我们与周围世界的互动方式。例如，直接印在皮肤上的传感器可用于持续健康监测、了解皮肤感觉，或在游戏或虚拟现实应用中改善"真实"感觉。可穿戴技术面临的挑战虽然嵌入传感器的可穿戴技术（如智能手表）已广泛普及，但这些设备可能会让人感到不舒服和碍眼。它们还会抑制皮肤的内在感觉。"如果你想准确地感知皮肤或树叶等生物表面上的任何东西，那么设备与表面之间的接口就至关重要，"领导这项研究的剑桥大学工程系教授黄艳艳（Yan Yan Shery Huang）说。"我们还希望生物电子器件对用户来说是完全不可感知的，这样它们就不会以任何方式干扰用户与世界的互动方式，而且我们希望它们是可持续的、低废料的。"研究人员开发出了一种制造自适应环保型传感器的方法，这种传感器可以直接且不易察觉地印在各种生物表面上，无论是手指还是花瓣。当印制在人体皮肤上时，纤维传感器会紧贴皮肤并暴露出汗孔，因此佩戴者不会察觉到它们的存在。对印制在人类手指上的纤维进行的测试表明，它们可用作连续健康监测器。资料来源：剑桥大学柔性电子产品的创新制造可穿戴传感器有多种方法，但这些方法都有缺点。例如，柔性电子元件通常印在塑料薄膜上，不允许气体或湿气通过，因此就像用保鲜膜包裹皮肤一样。其他研究人员最近开发出了可透气的柔性电子元件，就像人造皮肤一样，但这些元件仍然会干扰正常感觉，而且依赖于能源和废物密集型制造技术。三维打印是生物电子学的另一条潜在途径，因为它比其他生产方法浪费更少，但会产生较厚的装置，从而干扰正常行为。旋转电子纤维可制造出用户无法察觉的装置，但灵敏度和复杂程度不高，而且很难转移到相关物体上。现在，这个由剑桥大学领导的团队开发出了一种制造高性能生物电子器件的新方法，通过直接在各种生物表面（从指尖到蒲公英蓬松的种子头）上打印，这些电子器件可以定制。他们的技术灵感部分来源于蜘蛛，它们用最少的材料创造出适应环境的复杂而坚固的网状结构。研究人员用 PEDOT:PSS（一种生物相容性导电聚合物）、透明质酸和聚氧化乙烯纺出了生物电子"蜘蛛丝"。这种高性能纤维是在室温下用水基溶液制成的，因此研究人员能够控制纤维的"可纺性"。随后，研究人员设计了一种轨道纺丝方法，使纤维能够变形为生物表面，甚至是指纹等微观结构。在人类手指和蒲公英种子头等表面对生物电子纤维进行的测试表明，这些纤维具有高质量的传感器性能，同时还不会被宿主察觉。论文第一作者 Andy Wang 说："我们的纺丝方法可以让生物电子纤维在微观和宏观尺度上遵循不同形状的解剖结构，而无需任何图像识别。这为如何制造可持续电子器件和传感器开辟了一个完全不同的角度。这是一种更容易制造大面积传感器的方法。"未来方向和商业化大多数高分辨率传感器都是在工业洁净室中制造的，需要在多步骤、高能耗的制造过程中使用有毒化学品。而剑桥大学开发的传感器可以在任何地方制造，所耗费的能源仅为普通传感器的一小部分。生物电子纤维可以修复，在使用寿命结束后只需简单清洗即可，产生的废料不到一毫克：相比之下，一般一次洗衣产生的纤维废料在 600 至 1500 毫克之间。"利用我们简单的制造技术，我们几乎可以把传感器放在任何地方，并在需要的时候随时随地对它们进行维修，而不需要大型印刷机或集中的制造设施，"Huang 说。"这些传感器可以在需要的地方按需制造，并且产生的废物和排放物极少。"研究人员表示，他们的设备可应用于健康监测、虚拟现实、精准农业和环境监测等领域。未来，还可以将其他功能材料融入到这种纤维打印方法中，建立集成纤维传感器，以增强生命系统的显示、计算和能量转换功能。在剑桥大学商业化部门"剑桥企业"的支持下，这项研究正在实现商业化。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：