科学家发明有效地将废热转化为电能的新方法

科学家发明有效地将废热转化为电能的新方法美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员制造了一种新型设备，可以显着促进热能转化为电能。如果完善，该技术可以帮助回收在美国以每年约1000亿美元的速度浪费的部分热能。由NIST研究员KrisBertness和她的合作者开发的新制造技术包括在硅晶片上沉积数十万个微小的氮化镓柱。然后从晶圆底面去除硅层，直到只剩下一层薄薄的材料。柱子和硅片之间的相互作用减缓了硅中的热量传输，使更多的热量能够转化为电流。Bertness和她在科罗拉多大学博尔德分校的合作者最近在AdvancedMaterials杂志上报告了这一发现。制造方法完善后，硅片就可以缠绕在蒸汽管或排气管上，将热排放转化为电能，为附近的设备供电或输送到电网。另一个潜在的应用是冷却计算机芯片。通过在硅膜上生长纳米柱，NIST的科学家和他们的同事在不降低电导率的情况下将热传导减少了21%，这一结果可以显着促进热能向电能的转化。在固体中，热能由声子携带，声子是晶格中原子的周期性振动。膜中声子的某些振动与纳米柱中的声子产生共振，从而减缓热传递。至关重要的是，纳米柱不会减慢电子的运动速度，因此导电率仍然很高，从而创造出一种优质的热电材料。图片来源：S.Kelley/NISTNIST-科罗拉多大学的研究基于德国物理学家ThomasSeebeck最先发现的一个奇怪现象。在1820年代初期，塞贝克正在研究两根金属丝，每根金属丝由不同的材料制成，两端连接在一起形成一个环。他观察到，当连接电线的两个连接点保持不同温度时，附近的罗盘针会偏转。其他科学家很快意识到偏转的发生是因为温差在两个区域之间感应出电压，导致电流从较热的区域流向较冷的区域。电流产生了使罗盘针偏转的磁场。从理论上讲，所谓的塞贝克效应可能是回收否则会损失的热能的理想方式。但是有一个主要障碍。一种材料必须导热性差，以保持两个区域之间的温差，同时又必须非常好地导电，以将热量转化为大量电能。然而，对于大多数物质来说，导热性和导电性是齐头并进的；不良的热导体会导致不良的电导体，反之亦然。在研究热电转换的物理过程中，科罗拉多大学的理论家马哈茂德侯赛因发现，这些特性可以在覆盖有纳米柱的薄膜中解耦——立柱的材料长度不超过百万分之几米，或大约一米-人类头发厚度的十分之一。他的发现促成了与Bertness的合作。Bertness、Hussein和他们的同事使用纳米柱成功地将硅片中的热导率与电导率解耦——这在任何材料中都是首次，也是实现热能高效转换为电能的里程碑。研究人员在不降低其电导率或改变塞贝克效应的情况下，将硅片的热导率降低了21%。在硅和其他固体中，原子受到化学键的约束，不能自由移动以传递热量。因此，热能的传输采用声子的形式——移动原子的集体振动。氮化镓纳米柱和硅片都携带声子，但纳米柱内的声子是驻波，被微小柱的壁固定，就像振动的吉他弦在两端固定一样。在硅片中传播的声子与纳米柱中的振动之间的相互作用会减慢传播的声子，使热量更难通过材料。这降低了热导率，从而增加了从一端到另一端的温差。同样重要的是，声子相互作用适应完成这一壮举，同时保持硅片的导电能力不变。该团队现在正在研究完全由硅制成的结构，并具有更好的热电热回收几何形状。研究人员希望展示足够高的热电转换率，使他们的技术在工业上具有经济可行性。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1362827.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1362827.htm

化学家们开发出一种新方法来生产一种重要的分子实体

化学家们开发出一种新方法来生产一种重要的分子实体明斯特大学团队开发的新方法与其他方法不同，不需要使用过渡金属或碘试剂作为催化剂。相反，它利用光能从各种富含电子的芳香烃（如异戊二烯和杂烯）中产生所需的二胺。这使得该过程比其他方法更加高效和有效。"通过这种方式，我们获得了一系列以前难以生产的邻接二胺。"第一作者谭光英博士解释说："这样做，我们可以精确控制官能团所在的位置。"所谓的氮自由基前体（左）和碳-碳双键在光能的帮助下发生反应，形成不对称的二胺（右）。资料来源：明斯特大学-Glorius小组为此，化学家们开发了一类特殊的氮自由基前体，通过能量转移过程同时产生两个具有不同反应活性的氮心自由基。通过"区域选择性"地通过碳-碳双键逐步添加这些自由基中的两个，科学家们产生了不对称结构的代二胺。"区域选择性"意味着反应发生在分子上的特定位置。然后可以进一步修改功能团（氨基）。以这种方式合成的二元胺不是对称的，这与对称结构相反，开辟了更多种类的功能基团供考虑。"生命的分子主要由不同大小和复杂性的碳链和碳环组成。"FrankGlorius解释说："用其他元素装饰这些'普通'链对这些化合物的最终特性至关重要。氧和氮元素发挥了关键作用。化学家将这些非碳元素称为杂原子。FrankGlorius强调说："因此，在人工生产的、具有生物活性的结构中有效和可控地引入这些杂原子的方法是非常重要的。这也适用于我们正在关注的邻接二胺。"化学家们在蓝色发光二极管（LEDs）的照射下进行二氨基反应，并使用一种廉价的、可在市场上买到的硫杂蒽酮作为有机光敏剂。该研究由德国研究基金会、AlexandervonHumboldt-Stiftung和FondsderChemischenIndustrie资助。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1339679.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1339679.htm

新方法可在数秒内将渔业废弃物转化为有价值的纳米材料

新方法可在数秒内将渔业废弃物转化为有价值的纳米材料由于碳基纳米材料的低毒性、化学稳定性和非凡的电和光学特性，它们正被越来越多地用于电子、能源转换和存储、催化和生物医学。CNO，即碳纳米离子，也绝不是一个例外。1980年首次描述的CNO是由富勒烯的同心壳组成的纳米结构，类似于笼中笼。它们有几个理想的品质，包括大表面积和高导电性和导热性。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1323465.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1323465.htm

新型纳米设备将海水转化为电能 利用海洋隐藏的能量

新型纳米设备将海水转化为电能利用海洋隐藏的能量伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一个研究小组在《纳米能源》（NanoEnergy）杂志上报告了一种纳米流体设备的设计，该设备能够将离子流转化为可用的电力。该团队认为，他们的装置可用于从海水-淡水边界的自然离子流中提取电能。"虽然我们的设计在现阶段还只是一个概念，但它用途广泛，已经显示出了能源应用的强大潜力，"项目负责人、伊利诺伊大学电气与计算机工程教授让-皮埃尔-勒伯顿说。"他说："这个项目始于一个学术问题--'纳米级固态装置能否从离子流中提取能量？"利用盐水发电的纳米流体装置图。资料来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Grainger工程学院当两个盐度不同的水体相遇时，如河流注入海洋，盐分子会自然地从高浓度流向低浓度。这些流动的能量可以被收集起来，因为它们是由溶解盐形成的称为离子的带电粒子组成的。勒伯顿的研究小组设计了一种纳米级半导体器件，利用了器件中流动的离子与电荷之间的"库仑阻力"现象。当离子流经设备中的狭窄通道时，电场力会使设备中的电荷从一侧移动到另一侧，从而产生电压和电流。研究人员在模拟其装置时发现了两种令人惊讶的行为。首先，虽然他们预计库仑阻力主要是通过相反电荷之间的吸引力产生的，但模拟结果表明，如果电荷之间存在排斥力，该装置同样可以正常工作。带正电和负电的离子都会产生阻力。"同样值得注意的是，我们的研究表明存在放大效应，"勒伯顿研究小组的研究生、该研究的第一作者熊明业说。"由于运动的离子与设备电荷相比质量非常大，因此离子向电荷传递了大量的动量，从而放大了底层电流。"研究人员还发现，只要通道直径足够窄，以确保离子和电荷之间的距离，这些效应就与具体的通道配置以及材料选择无关。研究人员正在为他们的研究成果申请专利，他们正在研究如何将这些设备阵列扩展到实际发电中。"我们相信，设备阵列的功率密度可以达到或超过太阳能电池的功率密度，"勒伯顿说。"更不用说在生物医学传感和纳米流体等其他领域的潜在应用了。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399421.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399421.htm

研究：新方法有望制造性能更好的低成本光电材料

研究：新方法有望制造性能更好的低成本光电材料一项新发表在英国《自然》期刊上的国际研究表明，用一种新方法对半导体材料氧化亚铜进行“扭曲”后，发现其捕获光能后转化为可用电能的性能提升70%。这种方法有望制造性能更好的低成本光电材料。新华社报道，铜氧化物是价格低廉、储量丰富的半导体材料，具有良好的导电性和光学性能，可用于制造太阳能电池、光电器件、传感器等。铜氧化物虽然在捕捉阳光并将其转化为电荷方面相当有效，但容易丢失电荷，材料性能有限。研究人员说，他们发现电荷在这种半导体材料中沿着对角线方向移动时，比沿着表面或边缘移动要远得多，而能让电荷移动得更远就意味着材料性能更好。为优化这种低成本材料的性能，研究人员利用薄膜沉积技术，在常温常压下制备出高质量的氧化亚铜晶体薄膜，通过精确控制晶体的生长和流速，使晶体的生长方向“扭向”对角线方向，并观察晶体的生长方向如何影响电荷在材料中的有效移动。他们发现，对这种新技术制造的氧化亚铜光电阴极的测试表明，与现有的电沉积氧化物制成的光电阴极相比，性能提高70%以上，同时晶体薄膜稳定性也显著提升。2024年5月5日1:55PM

科学家们发现了一种能将空气转化为电能的酶

科学家们发现了一种能将空气转化为电能的酶这一发现是由RhysGrinter博士领导的科学家团队、博士生AshleighKropp和澳大利亚墨尔本莫纳什大学生物医学发现研究所的ChrisGreening教授共同完成。该团队生产并研究了一种源自土壤中常见的细菌的耗氢酶。该团队最近的工作表明，许多细菌在营养不良的环境中使用大气中的氢气作为能量来源。"Grinter教授说："我们知道细菌可以利用空气中的微量氢气作为能量来源来帮助它们生长和生存，包括在南极的土壤、火山口和深海中，已经有一段时间了。但是我们不知道它们是如何做到这一点的，直到现在。"在这篇《自然》杂志的论文中，研究人员从一种叫做烟曲霉菌的细菌中提取了负责使用大气氢气的酶。他们表明，这种名为Huc的酶将氢气变成了电流。Grinter博士指出："Huc的效率特别高。与所有其他已知的酶和化学催化剂不同，它甚至可以消耗低于大气水平的氢气--只占我们呼吸的空气的0.00005%"。研究人员使用了几种尖端的方法来揭示大气中氢气氧化的分子蓝图。他们使用先进的显微镜（低温电镜）来确定其原子结构和电通路，从而突破了界限，产生了迄今为止用这种方法报告的分辨率最高的酶结构。他们还使用了一种叫做电化学的技术来证明纯化的酶在微小的氢气浓度下产生电力。实验室工作表明，有可能长期储存纯化的Huc。"它的稳定性令人吃惊。Kropp说："可以将这种酶冷冻起来，或将其加热到80摄氏度，它仍能保持其产生能量的能力。这反映出这种酶帮助细菌在最极端的环境中生存"。Huc是一种"天然电池"，可以从空气或添加的氢气中产生持续的电流。虽然这项研究还处于早期阶段，但Huc的发现对开发小型空气动力设备具有相当大的潜力，例如作为太阳能动力设备的替代品。产生像Huc这样的酶的细菌很常见，而且可以大量种植，这意味着我们可以获得这种酶的可持续来源未来工作的一个关键目标是扩大Huc的生产规模。一旦生产出足够数量的Huc，使用它来生产清洁能源的天空就是相当高的极限。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1348607.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1348607.htm