量子模拟突破：原子间距缩小至50纳米

量子模拟突破：原子间距缩小至50纳米 《科学》杂志论文截图在量子力学领域，邻近性占据主导地位。原子越近，它们的相互作用就越强。为了操纵和排列原子，科学家通常先将一团原子云冷却到接近绝对零度，然后使用激光束系统将原子限制在光陷阱中。此次，研究团队首先将原子云冷却到大约1微开尔文，仅比绝对零度高一点点，此时原子几乎处于静止状态。然后，他们用激光将冷冻粒子移动到所需位置。研究人员开发出一种技术，可以将原子排列间隔缩小至50纳米。图片来源：物理学家组织网研究人员使用了两束具有不同频率（颜色）和偏振角度的激光。当两束光穿过超冷原子云时，原子会沿着两束激光的偏振方向调整自旋方向，使光束产生两组相同原子，但是自旋相反。每束激光形成一个驻波，即电场强度在空间上呈周期性变化的图案，其空间周期为500纳米。由于它们的偏振不同，每个驻波都会吸引和聚集两组原子中的一组，这取决于它们的自旋。激光可重叠和调谐，使得它们各自的峰值之间距离只有50纳米，这意味着每个激光峰值所吸引的原子将以同样的50纳米隔开。实验中所用原子为镝，镝是自然界最具磁性的原子之一。研究团队用这种新方法操纵两层镝原子，并将两层之间的距离精确地定位为50纳米。在这种极近距离下，磁相互作用比两层之间相隔500纳米的情况强1000倍。研究团队发现，因原子接近而增强的磁力会导致“热化”，即热量从一层传递到另一层，以及各层之间的同步振荡。当层之间的距离拉大，这些效应就会逐渐减弱。研究人员表示，新技术还可用其他原子来研究量子现象。他们计划用该技术来操纵原子，使其形成一个纯磁性量子门，这是一种新型量子计算机的关键组成部分。 ... PC版： 手机版：

麻省理工学院研究人员在太空中发现目前最大最复杂的分子

麻省理工学院研究人员在太空中发现目前最大最复杂的分子 科学家利用射线望远镜对恒星形成区 NGC 6334I 的观测，首次在太空中发现了 2-甲氧基乙醇。图片来源：研究人员提供该研究小组的开放存取论文《利用ALMA对 NGC 6334I 的观测，旋转光谱和首次星际探测到 2-甲氧基乙醇》（Rotational Spectrum and First Interstellar Detection of 2-Methoxyethanol UsingALMAObservations of NGC 6334I）发表在《天体物理学杂志通讯》（The Astrophysical Journal Letters）上。扎卡里-弗里德（Zachary T.P. Fried）是麦奎尔研究小组的一名研究生，也是这篇论文的第一作者，他努力拼凑从全球各地收集到的拼图，从麻省理工学院延伸到法国、佛罗里达州、弗吉尼亚州和哥本哈根，从而实现了这一激动人心的发现。弗里德解释说："我们小组试图了解恒星和太阳系最终将形成的空间区域中存在哪些分子。这使我们能够拼凑出化学是如何随着恒星和行星的形成过程而演变的。我们通过观察分子的旋转光谱来实现这一目标，这是分子在太空中翻滚时发出的独特光斑。这些图案就是分子的指纹（条形码）。要探测太空中的新分子，我们首先必须知道我们要寻找的分子是什么，然后我们可以在地球上的实验室里记录下它的光谱，最后我们再利用望远镜在太空中寻找这种光谱"。麦奎尔小组最近开始利用机器学习来建议寻找好的目标分子。2023 年，其中一个机器学习模型向研究人员推荐了一种名为 2-甲氧基乙醇的分子。弗里德说："太空中有许多'甲氧基'分子，如二甲醚、甲氧基甲醇、甲基乙基醚和甲酸甲酯，但2-甲氧基乙醇将是迄今为止所见过的最大、最复杂的分子。"为了利用射线望远镜观测探测到这种分子，研究小组首先需要测量和分析它在地球上的旋转光谱。研究人员将里尔大学（法国里尔）、佛罗里达新学院（佛罗里达州萨拉索塔）和麻省理工学院的麦奎尔实验室的实验结合起来，测量了从微波到亚毫米波（约8到500千兆赫）频率的宽带区域的光谱。从这些测量中收集到的数据允许利用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）对两个不同恒星形成区的观测来寻找该分子：NGC 6334I 和 IRAS 16293-2422B。麦奎尔小组的成员与美国国家射电天文台（弗吉尼亚州夏洛茨维尔）和丹麦哥本哈根大学的研究人员一起分析了这些望远镜的观测结果。弗里德说："最终，我们观测到 25 条 2-甲氧基乙醇的旋转线与 NGC 6334I 观测到的分子信号一致（条码吻合！），从而在这一来源中安全地探测到了 2-甲氧基乙醇。这使我们能够推导出 NGC 6334I 分子的物理参数，如丰度和激发温度。这也使得我们能够研究已知星际前体可能的化学形成途径。"像这样的分子发现有助于研究人员更好地理解恒星形成过程中太空分子复杂性的发展。含有 13 个原子的 2-甲氧基乙醇在星际标准中是相当大的截至 2021 年，在太阳系外只探测到 6 种大于 13 个原子的物质，其中许多是由 McGuire 的研究小组发现的，而且都是环状结构。Fried说："对大分子的持续观测以及随后对其丰度的推导，使我们能够进一步了解大分子的形成效率以及它们可能是通过哪些特定反应产生的。此外，由于我们在NGC 6334I中探测到了这种分子，而在IRAS 16293-2422B中却没有探测到，因此我们获得了一个独特的机会，来研究这两个来源的不同物理条件可能会如何影响可能发生的化学反应"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院在将二维材料集成到设备方面取得突破

麻省理工学院在将二维材料集成到设备方面取得突破 这幅艺术家的作品展示了麻省理工学院研究人员开发的一种新型集成平台。通过对表面力进行工程设计，他们只需一个接触和释放步骤，就能将二维材料直接集成到设备中。图片来源：Sampson Wilcox/电子研究实验室提供但是，将二维材料集成到计算机芯片等设备和系统中是众所周知的难题。这些超薄结构可能会受到传统制造技术的破坏，这些技术通常依赖于使用化学品、高温或蚀刻等破坏性工艺。为了克服这一挑战，麻省理工学院和其他大学的研究人员开发出了一种新技术，只需一步就能将二维材料集成到设备中，同时保持材料表面和由此产生的界面原始无缺陷。他们的方法依赖于纳米级的工程表面力，使二维材料可以物理叠加到其他预制设备层上。由于二维材料不会受损，研究人员可以充分利用其独特的光学和电学特性。所开发的平台利用行业兼容的工具集，使这一过程可以扩展。在这里，主要作者彼得-萨特斯韦特（Peter Satterthwaite）使用 MIT.nano 中修改过的配准工具进行图案化配准集成。他们利用这种方法制造出了二维晶体管阵列，与使用传统制造技术制造出的器件相比，实现了新的功能。他们的方法用途广泛，可用于多种材料，可在高性能计算、传感和柔性电子器件等领域广泛应用。释放这些新功能的核心是形成清洁界面的能力，所有物质之间存在的特殊力量（称为范德华力）将这些界面连接在一起。电子工程与计算机科学（EECS）助理教授、电子学研究实验室（RLE）成员 Farnaz Niroui 是介绍这项工作的新论文的资深作者。"范德华积分有一个基本限制，"她解释说，"由于这些作用力取决于材料的内在特性，因此无法轻易调整。因此，有些材料无法仅利用其范德华相互作用来直接相互整合。我们提出了一个解决这一限制的平台，以帮助范德华集成变得更加通用，从而促进具有新功能和改进功能的基于二维材料的设备的开发。"Niroui 与论文第一作者、电子工程与计算机科学研究生 Peter Satterthwaite，电子工程与计算机科学教授、RLE 成员 Jing Kong，以及麻省理工学院、波士顿大学、台湾国立清华大学、台湾国家科学技术委员会和台湾国立成功大学的其他人共同撰写了这篇论文，这项研究最近发表在《自然-电子学》上。纳米级表面力的多样性使研究人员能够将粘合剂基质转移到许多不同的材料上。例如，在这里，通过使用粘合聚合物，他们能够将图案化的石墨烯（一原子厚的碳薄片）从源基底（上图）转移到接收粘合聚合物（下图）上。图片来源：Niroui 小组提供使用传统制造技术制造计算机芯片等复杂系统可能会变得一团糟。通常情况下，像硅这样的硬质材料会被凿成纳米级，然后与金属电极和绝缘层等其他元件连接，形成有源器件。这种加工过程会对材料造成损害。最近，研究人员专注于使用二维材料和一种需要连续物理堆叠的工艺，自下而上地构建设备和系统。在这种方法中，研究人员不是使用化学胶水或高温将脆弱的二维材料粘合到硅等传统表面上，而是利用范德华力将一层二维材料物理集成到设备上。范德华力是存在于所有物质之间的自然吸引力。例如，壁虎的脚会因为范德华力而暂时粘在墙上。虽然所有材料都存在范德华力，但根据材料的不同，范德华力并不总是强大到足以将它们粘在一起。例如，一种名为二硫化钼的流行半导体二维材料会粘在黄金上，但不会通过与二氧化硅等绝缘体表面的物理接触直接转移到该表面上。然而，通过整合半导体层和绝缘层制成的异质结构是电子设备的关键组成部分。以前，实现这种集成的方法是将二维材料粘合到一个中间层（如金）上，然后使用该中间层将二维材料转移到绝缘体上，最后再使用化学品或高温去除中间层。麻省理工学院的研究人员没有使用这种牺牲层，而是将低粘性绝缘体嵌入高粘性基质中。这种粘合基质使二维材料粘附在嵌入的低粘合力表面上，提供了在二维材料和绝缘体之间形成范德华界面所需的力。制作矩阵为了制造电子设备，他们在载体基底上形成金属和绝缘体的混合表面。然后将该表面剥离并翻转，就会看到一个完全光滑的顶面，其中包含所需的器件构件。这种光滑度非常重要，因为表面和二维材料之间的间隙会阻碍范德华相互作用。然后，研究人员在完全洁净的环境中单独制备二维材料，并将其与制备好的器件堆栈直接接触。"一旦混合表面与二维层接触，无需任何高温、溶剂或牺牲层，它就能拾取二维层并将其与表面整合在一起。"萨特斯韦特解释说："通过这种方式，我们可以实现传统上被禁止的范德华集成，但现在却可以实现，而且只需一步就能形成功能齐全的器件。"这种单步工艺可使二维材料界面保持完全清洁，从而使材料达到其性能的基本极限，而不会受到缺陷或污染的影响。而且，由于二维材料的表面也保持原始状态，研究人员可以对二维材料的表面进行工程设计，以形成与其他元件的特征或连接。例如，他们利用这种技术制造出了 p 型晶体管，而利用二维材料制造这种晶体管通常是具有挑战性的。他们的晶体管在以前的研究基础上有所改进，可以为研究和实现实用电子产品所需的性能提供一个平台。展望未来他们的方法可以大规模地制造更大的装置阵列。粘合基质技术还可用于一系列材料，甚至与其他力量结合使用，以增强这一平台的多功能性。例如，研究人员将石墨烯集成到器件上，利用聚合物基质形成所需的范德华界面。在这种情况下，粘附依靠的是化学作用，而不仅仅是范德华力。未来，研究人员希望以此平台为基础，整合各种二维材料库，在不受加工损伤影响的情况下研究其内在特性，并利用这些卓越功能开发新的设备平台。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院研究人员展示快速打印金属的新方法

麻省理工学院研究人员展示快速打印金属的新方法 麻省理工学院的一个团队本周公布了一种新方法，该方法优先考虑打印速度和规模（物体大小），而不是分辨率。据介绍，该系统打印大型铝制部件的速度"比同类金属快速成型制造工艺至少快 10 倍。液态金属打印（LMP）利用 100 微米的玻璃珠形成一个结构，将熔化的铝沉积其中，这一过程与注塑成型并无二致。玻璃珠能够承受高温，同时在金属凝固时迅速散热。鉴于铝被归类为"无限可回收"的材料，这项工作背后的团队设想将这一系统与将金属熔化成熔体的机器配对使用。这样的组合对于建筑工地来说可能是无价之宝，能以更低的成本实现更快的速度和更大的物体。不过，至少有一个很大的注意事项：分辨率。从图片中可以看出，最终产品的精确度远不及其他一些方法。制作出的金属物体凹凸不平，与逐层挤出塑料的熔融沉积建模（FDM）产品十分相似。当然，也可以对铝材进行打磨，但这很可能需要额外的时间和金钱，大多数人都不愿意在加工过程中引入这种工艺。"液态金属印刷在生产定制几何形状金属零件的能力方面确实走在了前列，同时还能保持快速周转，这在其他印刷或成型技术中通常是无法实现的，这项技术绝对有潜力彻底改变目前处理金属印刷和金属成型的方式。"Emeco 公司的 Jaye Buchbinder 说，该公司是一家家具公司，为这项研究提供了资金支持。 ... PC版： 手机版：

麻省理工学院揭幕"质子之舞"： 开拓能源新时代

麻省理工学院揭幕"质子之舞"： 开拓能源新时代 麻省理工学院的化学家们首次详细描绘了这些质子耦合电子转移是如何在电极表面发生的。他们的研究成果可以帮助研究人员设计出更高效的燃料电池、电池或其他能源技术。麻省理工学院化学和化学工程教授、该研究的资深作者 Yogesh Surendranath 说："我们在这篇论文中取得的进展是研究和理解了这些电子和质子如何在表面部位耦合的性质，这与催化反应有关，而催化反应在能量转换装置或催化反应中非常重要。"在他们的研究成果中，研究人员能够准确追踪电极周围电解质溶液 pH 值的变化如何影响电极内质子运动和电子流动的速度。麻省理工学院研究生诺亚-刘易斯（Noah Lewis）是这篇论文的第一作者，论文最近发表在《自然-化学》上。麻省理工学院前博士后 Ryan Bisbey、麻省理工学院研究生 Karl Westendorff 和耶鲁大学研究科学家 Alexander Soudackov 也是这篇论文的作者。质子传递质子耦合电子转移是指一种分子（通常是水或酸）将质子转移到另一种分子或电极表面，从而刺激质子接受者也接受一个电子。这种反应已被广泛应用于能源领域。"这些质子耦合电子转移反应无处不在。它们通常是催化机制中的关键步骤，对于制氢或燃料电池催化等能量转换过程尤为重要，"Surendranath 说。在制氢电解槽中，这种方法用于从水中去除质子，并在质子上添加电子以形成氢气。在燃料电池中，当质子和电子从氢气中移出并加入氧气形成水时，就会产生电能。施加电势会导致质子从氢离子（右图）转移到电极表面。利用具有分子定义质子结合位点的电极，麻省理工学院的研究人员为这些界面质子耦合电子转移反应建立了一个通用模型。图片来源：研究人员提供质子耦合电子转移在许多其他类型的化学反应中都很常见，例如二氧化碳还原（通过添加电子和质子将二氧化碳转化为化学燃料）。当质子接受体是分子时，科学家们可以精确控制每个分子的结构，并观察电子和质子如何在分子间传递，因此他们已经对这些反应的发生过程有了很多了解。然而，当质子耦合电子转移发生在电极表面时，这一过程就更难研究了，因为电极表面通常非常异质，质子有可能与许多不同的位点结合。为了克服这一障碍，麻省理工学院的研究小组开发出一种设计电极表面的方法，使他们能够更精确地控制电极表面的组成。他们的电极由石墨烯薄片组成，表面附着有机含环化合物。每个有机分子的末端都有一个带负电荷的氧离子，它可以接受周围溶液中的质子，从而使电子从电路流入石墨表面。Surendranath 说："我们可以创造出一种电极，它不是由各种各样的位点组成，而是由单一类型的非常明确的位点组成的统一阵列，每个位点都能以相同的亲和力结合质子。由于我们拥有这些非常明确的位点，这让我们能够真正揭示这些过程的动力学"。利用这个系统，研究人员能够测量流向电极的电流，从而计算出平衡状态下质子向表面氧离子转移的速率质子向表面捐赠的速率和质子从表面转移回溶液的速率相等的状态。他们发现，周围溶液的 pH 值对这一速率有显著影响： 最高速率出现在 pH 值的两端酸性最强的 pH 值为 0，碱性最强的 pH 值为 14。为了解释这些结果，研究人员根据电极可能发生的两种反应建立了一个模型。在第一种反应中，强酸性溶液中高浓度的氢离子（H3O+）将质子传递给表面的氧离子，生成水。在第二种情况下，水将质子传递给表面氧离子，生成氢氧根离子（OH-），氢氧根离子在强碱性溶液中浓度较高。不过，pH 值为 0 时的速度比 pH 值为 14 时的速度快四倍，部分原因是氢离子释放质子的速度比水快。需要重新考虑的反应研究人员还惊奇地发现，这两个反应的速率并不是在中性 pH 值为 7（氢铵和氢氧根的浓度相等）时相等，而是在 pH 值为 10（氢氧根离子的浓度是氢铵的 100 万倍）时相等。该模型表明，这是因为涉及氢𬭩或水提供质子的前向反应比涉及水或氢氧化物去除质子的后向反应对总速率的贡献更大。研究人员说，关于这些反应如何在电极表面发生的现有模型假定，前向反应和后向反应对总速率的贡献相同，因此新发现表明，可能需要重新考虑这些模型。Surendranath说："这是默认的假设，即正向和逆向反应对反应速率的贡献相同。我们的发现确实令人大开眼界，因为这意味着人们用来分析从燃料电池催化到氢进化等一切问题的假设可能是我们需要重新审视的。"研究人员目前正在利用他们的实验装置研究向电极周围的电解质溶液中添加不同类型的离子会如何加快或减慢质子耦合电子流的速度。刘易斯说："通过我们的系统，我们知道我们的位点是恒定的，不会相互影响，因此我们可以读出溶液的变化对表面反应的影响。"编译自//scitechdaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院研究人员利用压电纤维开发出主动降噪织物

麻省理工学院研究人员利用压电纤维开发出主动降噪织物 这项发表在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上的研究，是在早先研究的基础上，创造出一种可以充当麦克风并放大声音的丝绸织物。在研究过程中，研究小组意识到他们的材料还可以用来过滤声音。他们将后一个想法付诸实践。这种由压电纤维制成的特制织物几乎不比头发丝粗。当施加电压时，这种材料就会振动，如果调整得当，就能像降噪耳机一样抵消传入的声音。这种方法在狭小的空间内很有用，但在室内却不奏效。为了应对这一挑战，他们需要一种不同的方法。研究人员发现，通过使用电压使织物完全静止，可以使其变成一种声屏障，像镜子一样将声音反射回声源。在测试中，直接抑制模式（类似于降噪耳机）能够将音量降低 65 分贝。在"静止"模式下，声音传播降低了 75%。虽然前景广阔，但在考虑商业推广之前，仍有许多工作要做。该团队需要进行更多的测试，以了解纤维数量、缝合方向和电源电压等变量的变化对性能的影响。第一作者格蕾丝-杨（Grace Yang）说，这仅仅是个开始，要让这项技术真正有效，"我们还有很多旋钮可以转动"。他们还需要找出将其推向市场的最佳方法。这项研究的共同作者、麻省理工学院教授尤尔-芬克（Yoel Fink）告表示，这种材料现在还太新，他甚至不知道它的市场在哪里。 ... PC版： 手机版：