低功耗海水淡化技术可为灾区及时提供饮用水

低功耗海水淡化技术可为灾区及时提供饮用水目前，最常用的海水淡化方法是反渗透法。简而言之，它的工作原理是迫使海水通过一层可渗透的膜，这层膜允许水分子通过，但不允许盐（氯化钠）分子通过。这是一个有效的过程，但也需要相当大的能量才能产生所需的推水压。此外，膜最终会被捕获的盐堵塞，必须更换。由英国巴斯大学、斯旺西大学和爱丁堡大学的科学家们开发的一种实验性新系统完全不利用压力。相反，它在一个容器的一端装有一个带正电的电极，另一端装有一个带负电的电极，两者之间有一层多孔膜。当海水被放入其中时，盐分子中带正电荷的钠离子会被吸入带负电荷的电极，而带负电荷的氯离子则会被吸入带正电荷的电极。当氯离子穿过薄膜向正极移动时，也会推动水（H2O）分子穿过薄膜。钠离子被负电极吸引，留在了膜的原来一侧。然后，氯离子被循环回这一侧，这样它们就能推动更多的水分子通过。最终，大部分的水都流到了膜的正电极一侧，完全不含盐。到目前为止，该系统只在每次几毫升的水中进行过测试。因此，研究人员正在寻找合作伙伴，帮助开发这项技术，使其能够处理一升水，这样他们就能更好地了解实用系统需要多少电力。首席科学家、巴斯大学的弗兰克-马肯（FrankMarken）教授说："目前，反渗透法耗电量非常大，需要一个专门的发电厂来淡化水，这意味着它很难在较小的规模上实现。我们的方法可以在较小规模上提供一种替代解决方案，由于可以提取水而不产生任何副产品，这将节省能源，而且不涉及工业规模的加工厂"。这项研究的论文发表在最近出版的《ACS应用材料与界面》（ACSAppliedMaterialsandInterfaces）杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385605.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385605.htm

创新型盐电池可高效获取渗透动力

创新型盐电池可高效获取渗透动力改进后的膜（黄线）极大地提高了从盐梯度（如咸水（左槽）与淡水（右槽）交汇的河口）获得的渗透力。来源：改编自《ACSEnergyLetters2024》，DOI:10.1021/acsenergylett.4c00320在实验室演示中，新设计的输出功率密度比商用膜高出两倍多。只要有盐梯度的地方就能产生渗透能，但现有的捕捉这种可再生能源的技术还有待改进。其中一种方法是利用反向电渗析（RED）膜阵列作为一种"盐电池"，利用盐梯度造成的压力差发电。为了平衡这种梯度，带正电荷的海水离子（如钠）会通过系统流向淡水，从而增加膜上的压力。为了进一步提高收集能力，膜还需要保持较低的内部电阻，让电子能够轻松地向离子的相反方向流动。以前的研究表明，改善离子在RED膜上的流动和电子传输的效率可能会增加从渗透能中捕获的电量。因此，叶冬冬、秦兴珍及其同事设计了一种由环保材料制成的半透膜，理论上可以使内阻最小化，输出功率最大化。研究人员的RED膜原型包含独立（即解耦）的离子传输和电子传输通道。他们将带负电荷的纤维素水凝胶（用于离子传输）夹在一层名为聚苯胺的有机导电聚合物（用于电子传输）之间，从而实现了这一功能。初步测试证实了他们的理论，即与相同材料制成的同质膜相比，解耦传输通道可产生更高的离子传导性和更低的电阻率。在模拟河口环境的水箱中，他们的原型机的输出功率密度是商用RED膜的2.34倍，并在16天的不间断运行中保持了性能，证明了其在水下的长期稳定性能。在最后的测试中，研究小组用20块RED膜制作了一个盐电池阵列，产生的电能足以为计算器、LED灯和秒表单独供电。叶、秦和他们的团队成员说，他们的发现扩大了可用于制造RED膜的生态材料的范围，提高了渗透能量收集性能，使这些系统在现实世界中的应用更加可行。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428503.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428503.htm

中韩科研团队首次揭示食盐原子级别溶解机制

中韩科研团队首次揭示食盐原子级别溶解机制中韩科研团队一篇关于食盐（氯化钠）原子级别溶解机制的突破性科研成果论文，在国际学术期刊《自然-通讯》上发表，将对电池、半导体等众多应用领域新材料开发产生重要影响。据中新社报道，记者星期六（3月23日）从中国科学院深圳先进技术研究院获悉，该院研究员、深圳理工大学（筹）教授丁峰联合韩国蔚山国立科技学院新材料工程系教授沈亨俊研究团队开发出一种“单离子控制技术”，在国际上首次成功在原子级别上观察到食盐的溶解过程，并实现在原子级别控制该过程。论文的发表不仅在理论意义上为理解溶液中带电原子（离子）的行为提供了新的视角，还将对电池、半导体等众多应用领域新材料开发产生重要影响。论文共同通讯作者丁峰介绍说，盐的溶解过程看似简单，但其背后的带电离子的行为却极为复杂，科学家们此前一直没能观察到食盐在水中溶解的原子过程。为解决这一难题，中韩合作研究团队这次在-268.8℃的极低温度下，将单个水分子沉积在仅有两到三个原子厚度的薄盐膜上，利用具有原子级分辨率的扫描隧道显微镜实现精确控制水分子移动，并观察到食盐中单个氯离子的溶解过程。丁峰表示，此次提示盐原子级别溶解机制研究成果，实证理论计算与模拟对于在理解发生在材料表面的动力学过程起到关键作用，也是他长期提出“材料制造、理论先行”的成功实践。论文共同通讯作者沈亨俊透露，离子是常见的带电原子，它们能够显著改变电池或半导体材料性能。通过开发的单离子控制技术，研究团队计划进一步扩展与离子相关的各种基础技术和应用研究。2024年3月24日7:16AM

研究人员发明一种新的、更好的海水脱盐方式

研究人员发明一种新的、更好的海水脱盐方式领导这项研究的YuHan说："水淡化膜应该同时表现出高水流量和高盐分排斥。碳纳米材料，如碳纳米管和石墨烯，预计可以满足这些要求，因为它们具有独特的表面化学特性，并倾向于堆积成直径小于一纳米的通道。然而，通道排列和堆叠的挑战阻碍了它们在膜中的大规模使用。"KAUST的研究人员开发了一种膜（如上图），在正向和反向渗透配置中具有出色的水淡化性能。"解决这些限制的一种方法是通过二维多孔碳质膜，它具有规则和均匀分布的亚纳米大小的分子传输通道，"第一作者、Han小组的博士后JieShen说。然而，这些膜通常是在溶液中合成的，这促进了无序的三维结构的随机生长，其微孔定义不清。YuHan、VincentTung、IngoPinnau和LanceLi（前KAUST研究员，现在隶属于香港大学）利用化学气相沉积技术，开发了一种有助于控制二维共轭聚合物框架生长为超薄碳膜的技术。研究科学家CaiYichen和团队现在正致力于改善该膜的防污性能、机械强度和长期化学稳定性，以备将来实际应用。研究人员在作为催化剂的有机碱的存在下，将单体三乙炔苯沉积在原子平坦的单晶铜基底上。三乙炔苯带有三个反应性基团，作为额外单体的锚点。这些基团相互之间呈现120度角，产生了有组织的阵列式的明确的环状结构，堆积成亚纳米级的菱形疏水通道。该膜在正向和反向渗透配置中显示出优异的水淡化性能，超过了含有碳纳米管和石墨烯等先进材料的膜。它还显示了对二价离子以及小型带电和中性分子的强烈排斥。ShenJie博士后是该论文的第一作者，该论文发表在《自然材料》上。研究人员发现，水分子在膜内形成了一个三维网络，而不是像一维链一样沿着垂直三角通道在膜内移动。这解释了水在膜上的快速运输。Han说："这个出乎意料的结果显示，看似不连续的垂直通道实际上是由短的水平通道相互连接的，在预测的结构模型中很容易被忽略。"该团队现在正致力于改善该膜的防污性能、机械强度和长期化学稳定性，以备将来实际应用。他们还在对其表面电荷特性和通道尺寸进行微调。"我们的最终目标是提供一个多功能的平台，以满足各种应用的需要，如离子筛分、单分子传感和神经接口，"Han说。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1332801.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1332801.htm

光诱导物质的新型量子理论为尖端光学技术打开了大门

光诱导物质的新型量子理论为尖端光学技术打开了大门基于新量子理论提出的分子光诱导相的时间分辨光谱学示意图。在激发分子的激光脉冲之后，发射信号被收集到探测器中，产生实时域的激子动态的多维成像。资料来源：张哲东博士/香港城市大学科学家们已经发现了物质中的奇异相，除了通常的相之外，还被称为固相、液相和气相。而在不同的阶段中，原子在空间中经历了某些排列，物质可能具有不同的属性。作为新发现的相的一个类别，光诱导相在过去十年中引起了科学家的广泛关注，因为它们被认为是新的光伏板和新的化学平台的一个有希望的平台，也是现代量子技术的一个新途径。张哲东博士（右二）和他在香港城市大学的研究小组。资料来源：张哲东博士/香港城市大学领导这项研究的香港城市大学物理系助理教授张哲东博士解释说："光活性分子的超快过程，如电子转移和能量再分配，通常在飞秒级（10-15秒），对光收集装置、能量转换和量子计算具有广泛的重要性。然而，关于这些过程的研究充满了不确定性。大多数现有的与光诱导阶段有关的理论都受到时间和能量尺度的瓶颈，因此无法解释短激光脉冲发挥作用时分子的瞬时特性和超快过程。这些给探索物质的光诱导相带来了基本限制"。为了解决这些困难，张博士和他的合作者为分子的光诱导相的光学信号开发了一个新的量子理论，这在世界上是第一次。新理论通过数学分析与数值模拟相结合，实时解释了分子的激发态动力学和光学特性，克服了现有理论和技术带来的瓶颈。新理论将先进的量子电动力学融入超快光谱学。它使用现代代数来解释分子的非线性动力学，这为开发最先进的激光和材料表征的技术应用奠定了基础。因此，它为光学检测和量子计量学提供了新的原则。"我们的新理论特别令人着迷的是，分子团的合作运动显示出类似于波浪的行为，它在一定距离内扩散。这在传统研究中是无法实现的。而且这种集体运动可以在室温下存在，而不是以前只在超低的低温下存在。这意味着在室温下对粒子运动的精确控制和感应可能是可行的。"张博士说："这可能开辟新的研究领域，例如集体驱动的化学，有可能彻底改变光化学的研究。"新的量子理论促进了下一代光收集和发射装置的设计，以及激光操作和检测。从光诱导的分子合作性中出现的相干性可能导致光的明亮发射。研究中对光诱导的物质相位的光谱探测可以帮助利用下一代光学传感技术和量子计量学。在更大的范围内，光诱导相可能实现各种基于光的新型跨学科应用，如光通信、生物成像、化学催化的控制，以及以节能的方式设计光收集装置。在不久的将来，研究人员计划探索光诱导相及其对量子材料的影响，并在量子纠缠的背景下开发新的光谱技术和检测。这些发现发表在科学杂志《物理评论快报》上，标题为"分子极子的多维相干光谱学：Langevin方法"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1367825.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1367825.htm

洛桑联邦理工学院研究人员在了解水的电子特性方面取得了重大突破

洛桑联邦理工学院研究人员在了解水的电子特性方面取得了重大突破水分子和与光子吸收产生的激子态相对应的电子密度。图片来源：KrystianTambur（背景）/AlexeyTal（水分子）即使是当今最精确的电子结构理论也无法厘清这一问题，这意味着一些重要的物理量，如外部电子注入液态水的能量，仍然难以确定。这些特性对于理解电子在水中的行为至关重要，并可能在生物系统、环境循环和太阳能转换等技术应用中发挥作用。在最近的一项研究中，EPFL的研究人员阿列克谢-塔尔（AlexeyTal）、托马斯-比肖夫（ThomasBischoff）和阿尔弗雷多-帕斯夸雷洛（AlfredoPasquarello）在破解这一难题方面取得了重大进展。他们的研究发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上，采用了超越当今最先进方法的计算方法来研究水的电子结构。研究人员使用基于"多体扰动理论"的方法对水进行了研究。这是一种复杂的数学框架，用于研究一个系统中多个粒子（如固体或分子中的电子）之间的相互作用，探索这些粒子如何相互影响对方的行为，而不是孤立地，而是作为一个更大的、相互作用的群体的一部分。相对简单地说，多体扰动理论是一种计算和预测多粒子系统特性的方法，它考虑到了系统各组成部分之间所有复杂的相互作用。但是，物理学家用"顶点修正"对理论进行了调整：多体扰动理论中的修正考虑到了粒子之间超出最简单近似的复杂相互作用。顶点修正通过考虑这些相互作用如何影响粒子的能级，如粒子对外部场的响应或粒子的自能，来完善理论。简而言之，顶点修正可以更准确地预测多粒子系统的物理特性。液态水建模尤其具有挑战性。水分子包含一个氧原子和两个氢原子，它们的热运动和原子核的量子性质都起着关键作用。考虑到这些方面，研究人员准确地确定了水的电子特性，如电离势、电子亲和力和带隙。这些发现对于了解水如何在电子层面上与光和其他物质相互作用至关重要。阿尔弗雷多-帕斯夸雷洛（AlfredoPasquarello）说："我们对水能级的研究协调了高层理论与实验。得益于对电子结构的先进描述，我们还能够生成精确的吸收光谱。"这些发现还有其他意义。洛桑联邦理工学院团队应用的理论发展为实现材料精确电子结构的普遍适用的新标准奠定了基础。这提供了一种高度预测性的工具，有可能彻底改变我们对凝聚态科学中电子特性的基本认识，并应用于寻找具有特定电子功能的材料特性。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1421393.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1421393.htm