科学家创造出的新材料兼具玻璃聚合物的硬度和凝胶的拉伸性

科学家创造出的新材料兼具玻璃聚合物的硬度和凝胶的拉伸性研究人员创造了一种名为"玻璃凝胶"的新型材料，这种材料与玻璃聚合物一样坚硬，但如果施加足够的力，它可以拉伸到原长度的五倍，而不会断裂。玻璃态凝胶的一个关键特点是，它们的液体含量超过50%，这使得它们比具有类似物理特性的普通塑料更能有效导电。资料来源：北卡罗来纳州立大学王美香科学家们发明了一种名为"玻璃凝胶"的新型材料，这种材料尽管含有50%以上的液体，但却非常坚硬且不易破裂。加上玻璃凝胶易于生产，这种材料有望应用于多种领域。凝胶体和玻璃态聚合物是历来被视为截然不同的两类材料。玻璃态聚合物质地坚硬，通常比较脆。它们用于制造水瓶或飞机窗户等物品。凝胶（如隐形眼镜）含有液体，柔软而有弹性。"我们创造了一类被称为玻璃凝胶的材料，这种材料和玻璃聚合物一样坚硬，但如果施加足够的力，它可以拉伸到原来长度的五倍，而不会断裂，"这项研究论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程系卡米尔和亨利-德雷福斯教授迈克尔-迪基（MichaelDickey）说。"更重要的是，一旦材料被拉伸，你就可以通过加热使其恢复原状。此外，玻璃凝胶的表面具有很强的粘性，这在硬质材料中并不多见。"该论文的共同第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后研究员王美香说："玻璃凝胶的一个关键特点是，它们的液体含量超过50%，这使得它们比物理特性相当的普通塑料更能高效导电。考虑到这些材料所具有的许多独特性质，我们对它们的用途感到乐观。"玻璃态凝胶，顾名思义，实际上是一种结合了玻璃态聚合物和凝胶最诱人特性的材料。为了制造玻璃态凝胶，研究人员首先将玻璃态聚合物的液态前体与离子液体混合。将这种混合液体倒入模具中，暴露在紫外线下，使材料"固化"。然后移除模具，留下玻璃状凝胶。"离子液体是一种溶剂，就像水一样，但完全由离子组成，"Dickey说。"通常在聚合物中添加溶剂时，溶剂会推开聚合物链，使聚合物变得柔软、可伸展。这就是为什么湿隐形眼镜柔软，而干隐形眼镜不柔软的原因。在玻璃态凝胶中，溶剂会将聚合物分子链推开，使其像凝胶一样具有拉伸性。然而，溶剂中的离子会强烈吸引聚合物，从而阻止聚合物链移动。链条无法移动就使其成为玻璃状。最终的结果是，由于吸引力的作用，材料变得坚硬，但由于额外的间距，材料仍然能够拉伸。"研究人员发现，玻璃凝胶可以用各种不同的聚合物和离子液体制成，但并非所有类别的聚合物都能用于制造玻璃凝胶。Dickey说："带电或极性的聚合物有望用于玻璃凝胶，因为它们会被离子液体吸引。也许玻璃凝胶最吸引人的特点就是它们的粘性，因为虽然我们知道是什么让它们变得坚硬和可拉伸，但我们只能猜测是什么让它们如此具有粘性。"在测试中，研究人员发现，玻璃状凝胶即使含有50-60%的液体，也不会蒸发或变干。他们还认为，玻璃凝胶易于制造，因此有望得到实际应用。Dickey说："制造玻璃态凝胶是一个简单的过程，可以通过在任何类型的模具中固化或3D打印来实现。大多数具有类似机械性能的塑料都要求制造商将聚合物作为原料进行生产，然后将聚合物运输到另一个工厂，在那里聚合物被熔化并形成最终产品。我们很高兴看到如何使用玻璃凝胶，并愿意与合作者一起确定这些材料的应用"。这篇题为"由溶剂增韧的玻璃凝胶"的论文于6月19日发表在《自然》杂志上。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435551.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435551.htm

二维材料中首次实现核自旋量子位控制

二维材料中首次实现核自旋量子位控制据15日发表在《自然·材料》上的论文，美国普渡大学的研究人员通过使用光子和电子自旋量子位来控制二维（2D）材料中的核自旋，实现了在2D材料中写入和读取带有核自旋的量子信息。他们用电子自旋量子位作为原子尺度的传感器，首次在超薄六方氮化硼中实现了对核自旋量子位的实验控制。该研究工作拓展了量子科学和技术的前沿，使原子尺度的核磁共振光谱等应用成为可能。研究人员表示，这是第一个展示2D材料中核自旋的光学初始化和相干控制的工作。自旋量子位可以被用作传感器，例如探测蛋白质结构，或者以纳米级分辨率探测目标的温度。捕获在3D金刚石晶体缺陷中的电子能产生10—100纳米范围的成像和传感分辨率，而嵌入在单层或2D材料中的量子位可更接近目标样本，提供更高的分辨率和更强的信号。为实现这一目标，2019年，六方氮化硼中的第一个电子自旋量子位诞生。此次，研究团队在超薄六方氮化硼中建立了光子和核自旋之间的界面。核自旋可以通过周围的电子自旋量子位进行光学初始化——设置为已知的自旋。一旦被初始化，就可以用无线电频率来改变核自旋量子位，本质上是“写入”信息，或者测量核自旋量子位的变化，即“读取”信息。他们的方法一次利用3个氮原子核，其相干时间是室温下的电子量子位的30多倍。2D材料可以直接层叠在另一种材料上，从而形成一个内置的传感器。研究人员表示，2D核自旋晶格适用于大规模的量子模拟。它可在较高的温度下工作。为控制核自旋量子位，研究人员首先从晶格中移除一个硼原子，并用一个电子取代它。电子位于3个氮原子的中心。每个氮核都处于随机自旋态，可以是-1、0或+1。研究人员用激光将电子泵浦到自旋态为0，这对氮核的自旋影响可忽略不计。最后，受激电子与周围的3个氮核之间的超精细相互作用迫使原子核的自旋发生变化。当循环重复多次时，原子核的自旋达到+1状态，无论重复相互作用如何，它都保持不变。当所有3个原子核都设置为+1状态时，它们就可用作3个量子位。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1304905.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1304905.htm

通过简单的调整 研究人员创造出更安全、更高效的固态电池

通过简单的调整研究人员创造出更安全、更高效的固态电池固态电池有很大的前景。与目前的锂离子电池不同，固态电池不包含易燃液体，而易燃液体是一个主要的缺点，笔记本电脑和电动汽车爆燃的一系列悲剧说明了这一点。固态电池的毒性也较小，具有更高的能量密度，充电速度更快，并且可以在更多的充电循环中存活而不变质。问题是，与液体电池相比，制造这种电池既困难又昂贵，其中一个主要挑战是作为电池关键的电解质薄膜的缺陷。薄膜中形成的微小气泡阻碍了离子在电极之间的移动，减缓了充电和一般操作。一种电解质薄膜是由反过氧化物（Li2OHCl）制成的，其中材料的颗粒被压制成片状。这些经常产生不良的缺陷，降低了效率。为了克服这个问题，橡树岭团队增加了加热压片的步骤，然后让电解质在压力下冷却。结果是一种没有气泡、表面氮富集度更高的薄膜，其导电性能也提高了近1000倍，临界电流密度提高了近50%，并且亲锂性更好，这是固态电池稳定性的一个关键因素。据研究人员称，新的调整不仅提高了性能，而且还为能够在工业规模上加工固体电解质打开了大门，因为工程师将对加工过程有更多的控制。首席研究员MarmDixit说："这是同样的材料--你只是改变了你的制造方式，同时在许多方面改善了电池的性能。"这项研究发表在《ACS能源通讯》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1364983.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1364983.htm

莱斯大学施展量子奇迹：原子之舞让水晶也能变“磁铁”

莱斯大学施展量子奇迹：原子之舞让水晶也能变“磁铁”莱斯大学的研究利用手性声子实现了变革性的量子效应。量子材料是未来高速、高能效信息系统的关键。挖掘其变革潜力的问题在于，在固体中，大量原子往往会淹没电子所携带的奇异量子特性。量子材料科学家朱瀚宇实验室的研究人员发现，当原子绕圈运动时，它们也能创造奇迹：当稀土晶体中的原子晶格产生一种被称为手性声子的螺旋形振动时，晶体就会变成一块磁铁。圆偏振太赫兹光脉冲激发的手性声子在氟化铈中产生超快磁化。氟离子（红色、紫红色）在圆偏振太赫兹光脉冲（黄色螺旋）的作用下开始运动，其中红色表示手性声子模式下运动幅度最大的离子。铈离子用茶色表示。罗盘针代表旋转原子所引起的磁化。资料来源：MarioNorton和罗家明/莱斯大学根据最近发表在《科学》（Science）杂志上的一项研究，将氟化铈暴露在超快脉冲光下，其原子会跳起舞来，瞬间激发电子自旋，使它们与原子旋转对齐。这种排列需要强大的磁场才能激活，因为氟化铈具有天然顺磁性，即使在零度以下也能产生随机定向的自旋。每个电子都有一个磁性自旋，它就像一个嵌入材料中的微小罗盘针，会对局部磁场产生反应，莱斯大学材料科学家兼合著者鲍里斯-雅科布森（BorisYakobson）说。因为互为镜像而不会叠加，本不应该影响电子自旋的能量。但在这种情况下，原子晶格的手性运动会使材料内部的自旋极化，就像施加了一个大磁场一样"。BorisYakobson是莱斯大学KarlF.Hasselmann工程学教授、材料科学与纳米工程学教授以及化学教授。图片来源：JeffFitlow/莱斯大学虽然时间很短，但使自旋对齐的力却大大超过了光脉冲的持续时间。由于原子只在特定频率下旋转，并且在较低温度下移动的时间较长，与频率和温度相关的额外测量进一步证实，磁化是原子集体手性"舞蹈"的结果。朱瀚宇是莱斯大学威廉-马什-莱斯讲座教授兼材料科学与纳米工程助理教授。图片来源：JeffFitlow/莱斯大学"原子运动对电子的影响令人惊讶，因为电子比原子轻得多，速度也快得多，"莱斯大学威廉-马什-莱斯讲座教授、材料科学与纳米工程助理教授朱瀚宇说。"电子通常可以立即适应新的原子位置，忘记其先前的轨迹。如果原子顺时针或逆时针移动，即在时间上向前或向后移动，材料特性将保持不变--物理学家将这种现象称为时间逆对称性。"原子的集体运动打破了时间逆对称性，这一观点相对较新。目前，手性声子已在几种不同的材料中得到实验证明，但它们究竟如何影响材料特性还不甚明了。"我们希望定量测量手性声子对材料电学、光学和磁学特性的影响，"朱瀚宇说。"由于自旋指的是电子的旋转，而声子描述的是原子的旋转，因此人们天真地认为两者可能会相互影响。因此，我们决定重点研究一种叫做自旋-声子耦合的奇妙现象。"自旋-声子耦合在硬盘写入数据等实际应用中发挥着重要作用。今年早些时候，朱的研究小组在单分子层中展示了自旋-声子耦合的新实例，其中原子线性移动，自旋晃动。罗家明是莱斯大学应用物理学研究生，也是这项研究的第一作者。资料来源：JeffFitlow/莱斯大学在他们的新实验中，朱和团队成员必须找到一种方法来驱动原子晶格以手性方式运动。这就要求他们选择正确的材料，并在合作者理论计算的帮助下，以正确的频率产生光线，使其原子晶格旋转。这项研究的第一作者、应用物理学研究生罗佳明解释说："目前还没有现成的光源能达到我们的声子频率（约10太赫兹）。我们通过混合强红外光和扭曲电场来与手性声子'对话'，从而产生光脉冲。此外，我们还采取了另外两种红外光脉冲，分别监测自旋和原子运动。"除了从研究成果中获得有关自旋-声子耦合的见解外，实验设计和设置还将有助于为未来的磁性和量子材料研究提供信息。"我们希望定量测量手性声子产生的磁场能帮助我们制定实验方案，以研究动态材料中的新物理学，我们的目标是通过光或量子波动等外部场来设计自然界不存在的材料。林彤、朱汉宇和罗家明林彤（左起）、朱汉宇和罗家明在EQUAL实验室。图片来源：JeffFitlow/莱斯大学...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1396195.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1396195.htm

研究人员发明一种扭曲的多层晶体结构 为经典“材料设计”注入新的活力

研究人员发明一种扭曲的多层晶体结构为经典“材料设计”注入新的活力科学家们发现，当晶体被夹在两个基底之间时，它们会发生扭曲--这是探索电子和其他应用领域新材料特性的关键一步。来自美国能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的研究人员首次培育出了一种扭曲的多层晶体结构，并测量了该结构的关键特性。这种创新结构有望帮助创造先进的材料，应用于太阳能电池、量子计算、激光器和其他各种技术。"这种结构是我们以前从未见过的--这对我来说是一个巨大的惊喜，"斯坦福大学和SLAC教授、论文合著者崔毅说。"在未来的实验中，这种三层扭曲结构中可能会出现一种新的量子电子特性。"该团队设计的晶体扩展了外延生长的概念，即一种晶体材料有序地生长在另一种材料之上的现象--有点像在土壤之上长出整齐的草坪，但却是原子级的。50多年来，了解外延生长对许多行业，尤其是半导体行业的发展至关重要。事实上，外延生长是我们今天使用的许多电子设备的一部分，从手机、电脑到太阳能电池板，都允许电力在其中流动或不流动。迄今为止，外延研究的重点是在一层材料上生长另一层材料，并且两种材料在界面上具有相同的晶体取向。几十年来，这种方法在晶体管、发光二极管、激光器和量子设备等许多应用领域都取得了成功。但是，为了找到性能更好的新材料，以满足量子计算等更高的需求，研究人员正在寻找其他外延设计--可能更复杂但性能更好的外延设计，这就是本研究中展示的"扭曲外延"概念。在最近发表在《科学》（Science）杂志上的一篇论文中详细介绍了他们的实验，研究人员在传统半导体材料二硫化钼（MoS2）的两层薄片之间添加了一层金。崔教授在斯坦福大学材料科学与工程系的研究生、该论文的共同作者崔毅（音译）说，由于上下两层板的方向不同，金原子无法同时与两层板对齐，因此金结构发生了扭曲。研究生崔毅说："只有底层MoS2时，金很乐意与之对齐，因此不会发生扭曲。但如果有两层扭曲的MoS2，金就不能确定是与顶层对齐还是与底层对齐。我们设法帮助金解决了它的困惑，并发现了金的取向与双层MoS2扭转角度之间的关系。"为了详细研究金层，斯坦福材料与能源科学研究所（SIMES）和LBNL的研究团队将整个结构的样品加热到500摄氏度。然后，他们利用一种名为透射电子显微镜（TEM）的技术将电子流穿过样品，从而揭示了金纳米盘在不同温度下退火后的形态、取向和应变。测量金纳米盘的这些特性是了解未来如何将新结构设计用于实际应用的必要第一步。崔说："如果没有这项研究，我们根本不知道在半导体顶部扭曲金属外延层是否可能。用电子显微镜测量完整的三层结构证实，这不仅是可能的，而且可以用令人兴奋的方式控制新结构"。下一步，研究人员希望利用TEM进一步研究金纳米盘的光学特性，并了解其设计是否会改变金的带状结构等物理特性。他们还希望扩展这一概念，尝试用其他半导体材料和其他金属构建三层结构。斯坦福大学材料科学与工程学院查尔斯-皮戈特（CharlesM.Pigott）教授、论文合著者鲍勃-辛克莱尔（BobSinclair）说："我们正在开始探索是否只有这种材料组合才能实现这种效果，或者这种效果是否会更广泛地发生。这一发现开启了我们可以尝试的一系列全新实验。我们可能即将找到可以利用的全新材料特性。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1420015.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1420015.htm

研究人员利用分子混沌技术创造出更加有效的疏冰涂层

研究人员利用分子混沌技术创造出更加有效的疏冰涂层研究报告的共同作者加布里埃尔-埃尔南德斯-罗德里格斯展示了厚度仅为300-500纳米的防冰涂层研究人员着手改进疏冰涂层工艺。他们使用了一种称为化学气相沉积（iCVD）的制造技术。它的工作原理是将两种物质作为气体施加到需要涂层的表面上。多年来，从将二氧化碳转化为石墨烯到制造更好的锂离子电池，该工艺已被广泛应用。在这种情况下，一种高粘合力的底漆与一种疏冰聚合物结合在一起。当气体铺设到表面时，它主要由底漆组成，这使得它能够与表面形成超强的粘合力。随着喷涂过程的继续，研究人员将抗冰材料的用量从零增加到100%，这样就形成了一种双层涂层，其下层具有很强的粘合力，而外层则能阻止冰晶的形成。研究人员说，产生这种破冰效果的机制以前从未见过。他们发现，涂层中的分子以随机的水平和垂直模式排列，阻碍了冰的形成。该研究的合著者、格拉茨理工大学固体物理研究所的加布里埃尔-埃尔南德斯-罗德里格斯解释说："疏冰材料由拉长的分子组成，这些分子以垂直或水平的方向附着在底漆上。我们涂抹的材料越厚，垂直和水平分子之间的交替就越随机。表面的排列越随机，驱冰效果就越大"。研究小组能够证明，其涂层不仅能够减少冰的附着力，还能降低水接触涂层时的冰点。寒冷气候下的车主可以梦想着用这种喷雾给车窗涂上一层霜，让冰天雪地的早晨变得轻松一些，而研究人员对这种喷雾还有其他想法，比如加快飞机除冰的速度，让精密的传感设备免受霜冻的影响。这项研究发表在《ACS应用材料与界面》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1421593.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1421593.htm