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

日本科学家创造出遥控半机械蟑螂

日本科学家创造出遥控半机械蟑螂日本研究人员近日设计了一个用于制造遥控半机械蟑螂的系统，该系统配备了一个微型无线控制模块，该模块由连接到太阳能电池的可充电电池供电。尽管有机械装置，但超薄的电子器件和柔性材料使昆虫能够自由移动。这些成就将有助于使半机械昆虫的使用成为实际的现实。由日本理化学研究所（RIKEN）先锋研究集群（CPR）的研究人员领导的一个国际团队9月5日在科学杂志《npj-柔性电子》上报告了这项成果。科学家们一直在尝试设计半机械昆虫来帮助检查危险区域和监测环境。然而，为了使半机械昆虫的使用具有实用性，处理者必须能够长时间远程控制它们。这就需要对它们的腿部部分进行无线控制，由一个微小的可充电电池供电。保持电池充足的电量是至关重要的--没有人希望有一群突然失去控制的半机械蟑螂在周围游荡。虽然可以建造为电池充电的对接站，但返回和充电的需要会扰乱时间敏感的任务。因此，一个最佳的方法是包括一个机载太阳能电池，可以持续确保电池保持充电状态。当然，所有这些都是说起来容易做起来难。为了成功地将这些设备集成到表面积有限的蟑螂身上，工程团队需要开发一个特殊的背包和超薄的有机太阳能电池模块。他们还需要一个粘附系统，以保持机械长时间的附着，同时还允许自然运动。在RIKENCPR的KenjiroFukuda领导下，研究小组用马达加斯加蟑螂进行了实验，这些蟑螂大约有6厘米（2.4英寸）长。他们使用一个特别设计的背包将无线腿部控制模块和锂聚合物电池安装在昆虫胸部的顶部。这是以一只模型蟑螂的身体为模型，用弹性聚合物进行3D打印。结果是一个与蟑螂的弯曲表面完全吻合的背包，使坚硬的电子设备能够稳定地安装在蟑螂胸部超过一个月。超薄的0.004毫米厚的有机太阳能电池模块被安装在腹部的背面。据Fukuda称：“安装在身体上的超薄有机太阳能电池模块实现了17.2mW的功率输出，这比目前活体昆虫上最先进的能量采集装置的功率输出大50多倍。”事实证明，超薄和灵活的有机太阳能电池，以及它与昆虫的连接方式，对于确保运动自由是必要的。在仔细研究了蟑螂的自然运动后，科学家们意识到腹部会改变形状，外骨骼的部分会重叠。为了适应这种情况，他们在薄膜上交织了粘性和非粘性部分，这使它们能够弯曲，但也能保持连接。当测试较厚的太阳能电池薄膜时，或者当薄膜被均匀地附着时，蟑螂跑相同的距离需要两倍的时间。它们在仰卧时也很难摆正自己的位置。一旦这些组件被整合到蟑螂体内，再加上刺激腿部节段的电线，新的机械人被测试。用假太阳光给电池充电30分钟，用无线遥控器让动物左右转动。“考虑到基本运动过程中胸部和腹部的变形，胸部的刚性和柔性元件以及腹部的超软装置组成的混合电子系统似乎是机械蟑螂的有效设计，”Fukuda说。“此外，由于腹部变形不是蟑螂所独有的，我们的策略可以适用于其他昆虫，如甲虫，甚至将来可能适用于像蝉这样的飞行昆虫。”...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1312593.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1312593.htm

物理学家首次创造出准粒子玻色-爱因斯坦凝结物：神秘的物质"第五态"

物理学家首次创造出准粒子玻色-爱因斯坦凝结物：神秘的物质"第五态"一篇描述该物质产生过程的论文最近发表在《自然-通讯》杂志上，该论文是在温度略高于绝对零度的情况下实现的。玻色-爱因斯坦凝聚物有时被描述为物质的第五种状态，与固体、液体、气体和等离子体并列。理论上在20世纪初就有预测，但玻色-爱因斯坦凝聚物，或称BECs，直到1995年才在实验室中被创造出来。它们也可能是最奇怪的物质状态，科学界对它们仍有大量的未知。无低温稀释冰箱中的仪器特写图片。图片中央的暗红色立方体晶体是氧化亚铜。放在晶体后面的一个硒化锌半月板透镜是一个物镜。晶体下面的一根杆子和一个台子用于在晶体中产生不均匀的应变场，作为激子的陷阱电位。资料来源：YusukeMorita,KosukeYoshioka和MakotoKuwata-Gonokami，东京大学。当一组原子被冷却到绝对零度以上的十亿分之一时，就会出现BECs。研究人员通常使用激光和"磁铁陷阱"来稳定地降低气体的温度，这种气体通常由铷原子组成。在这个超冷的温度下，原子几乎不动，并开始表现出非常奇怪的行为。它们经历着相同的量子状态--几乎就像激光中的相干光子--并开始聚集在一起，作为一个无法区分的"超级原子"占据相同的体积。原子的集合在本质上表现为一个单一的粒子。目前，BECs仍然是许多基础研究的主题，并用于模拟凝聚态系统，但原则上，它们在量子信息处理方面有应用。量子计算，仍然处于早期发展阶段，利用了许多不同的系统。但它们都依赖于处于同一量子状态的量子比特，或称量子比特。大多数BEC是由普通原子的稀薄气体制造的。但直到现在，由奇异原子组成的BEC还从未实现过。异类原子是指其中的一个亚原子粒子，如电子或质子，被另一个具有相同电荷的亚原子粒子所取代的原子。例如，正电子是一种由电子和其带正电的反粒子--正电子组成的异类原子。氧化亚铜晶体（红色立方体）被放置在稀释冰箱中心的一个样品台上。研究人员在冰箱的防护罩上安装了窗户，允许在四个方向上对样品台进行光学访问。两个方向的窗口允许透射可见区的激发光（橙色实线）和副激子的发光（黄色实线）。另外两个方向的窗口允许透射探针光（蓝色实线）进行诱导吸收成像。为了减少传入的热量，研究人员通过最小化数值孔径和使用特定的窗口材料来精心设计窗口。窗口的这种专门设计和无低温稀释冰箱的高冷却能力有助于实现64毫开尔文的最低基础温度。资料来源：东京大学森田雄介、吉冈康介和桑田刚上。一个"激子"是另一个这样的例子。当光照射到半导体时，能量足以"激发"电子，使其从原子的价层跃升到传导层。这些被激发的电子然后在电流中自由流动--本质上是将光能转化为电能。当带负电的电子进行这种跳跃时，留下的空间，或"洞"，可以被当作是一个带正电的粒子。负的电子和正的空洞被吸引，从而结合在一起。结合起来以后，这个电子-空穴对是一个电中性的"准粒子"，称为激子。准粒子是一种类似于粒子的实体，它不属于粒子物理学标准模型中的17种基本粒子之一，但它仍然可以具有基本粒子的属性，如电荷和自旋。激子类粒子也可以被描述为一种外来的原子，因为它实际上是一个氢原子，它的单个正质子被单个正洞所取代。激发子有两种类型：正激发子，其中电子的自旋与空穴的自旋平行，以及副激发子，其中电子的自旋与空穴的自旋反平行（平行但方向相反）。电子-空穴系统已被用于创造其他物质阶段，如电子-空穴等离子体，甚至激子液滴。研究人员想看看他们是否能用激子制造出一个BEC。研究人员使用设置在样品（红色立方体）下的透镜施加不均匀的应力。不均匀的应力导致不均匀的应变场，作为激子的陷阱电位。激发光束（橙色实线）集中在样品中陷阱电位的底部。一个激子（黄色球体）由一个电子（蓝色球体）和一个空穴（红色球体）组成。研究小组通过发光（黄色阴影）或探针光的差分传输（蓝色阴影）来检测激子。一个设置在样品后面的物镜收集了来自激子的发光。探针光束也通过物镜传播。资料来源：东京大学的YusukeMorita,KosukeYoshioka和MakotoKuwata-Gonokami。"自从1962年首次在理论上提出以来，直接观察三维半导体中的激子凝聚物一直备受追捧。没有人知道准粒子是否能像真正的粒子那样进行玻色-爱因斯坦凝聚，"东京大学的物理学家、该论文的共同作者MakotoKuwata-Gonokami说。"这有点像低温物理学的圣杯"。研究人员认为，在氧化亚铜（Cu2O）（一种铜和氧的化合物）中产生的类似氢的副外子是在大块半导体中制造激子BEC的最有希望的候选者之一，因为它们的寿命很长。20世纪90年代曾试图在2K左右的液氦温度下制造副激子BEC，但是失败了，因为为了从激子中制造BEC，需要远低于这个温度。正激子不能达到如此低的温度，因为它们的寿命太短。然而，从实验上看，副激子的寿命非常长，超过几百纳秒，足以将它们冷却到BEC的所需温度。该研究小组利用稀释冰箱成功地在Cu2O主体中捕获了副激子，稀释冰箱是一种低温设备，通过将两种氦的同位素混合在一起进行冷却，这种设备通常被试图实现量子计算机的科学家所使用。然后，他们通过使用中红外诱导吸收成像技术直接观察了真实空间中的激子BEC，这是一种利用中红外范围内的光的显微镜技术。这使研究小组能够进行精确的测量，包括激子的密度和温度，这反过来又使他们能够标出激子BEC和常规原子BEC之间的差异和相似之处。该小组的下一步行动将是研究激子BEC在大块半导体中如何形成的动力学，并研究激子BEC的集体激发。他们的最终目标是建立一个基于激子BEC系统的平台，以进一步阐明其量子特性，并对与环境强耦合的量子比特的量子力学有一个更好的理解。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1331925.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1331925.htm

一种可拉伸OLED为制造更便携的可穿戴电子产品创造了可能

一种可拉伸OLED为制造更便携的可穿戴电子产品创造了可能经过几十年的发展，OLED已经成为最先进的电致发光技术之一。但研究人员一直在寻找新的用途。由于其低电压、高效率和高亮度以及低价格，OLED是整合到可穿戴和植入式设备的完美技术。但它们需要进行一些调整，以改善其柔软性和可伸展性。来自芝加哥大学的研究人员已经解决了当前OLED的紧密化学键和硬度问题，开发出一种全新的、更有弹性的替代品。该研究的共同通讯作者SihongWang说："目前用于这些最先进的OLED显示器的材料非常脆；它们没有任何伸展性。我们的目标是创造出能保持OLED电致发光的东西，但要有可拉伸的聚合物。"凭借他们在分子工程方面的背景，研究人员知道开发一种更有弹性的OLED将需要一些分子操作。利用计算预测来开发他们的新型OLED聚合物，并测试了几个原型，研究人员在热激活延迟荧光（TADF）方面取得了胜利，这是一种让有机材料将电转化为光的高效方式。通过在TADF单元之间的聚合物中嵌入烷基--只含有碳原子和氢原子排列的有机化学品，柔软度和灵活性得到了加强。新设计的OLED可以被拉伸到其原来长度的两倍以上，而不会破坏其发光能力或显示清晰的图像。该研究的共同通讯作者胡安-德-巴勃罗说："我们已经能够开发出感兴趣的新聚合物的原子模型，并且通过这些模型，我们模拟了当你拉动这些分子并试图使其弯曲时会发生什么。现在我们在分子水平上理解了这些特性，我们有了一个框架来设计新的材料，在那里灵活性和发光性得到了优化。"这种新型OLED的性能似乎超过了三星在2021年宣布的可穿戴健康监测系统，该系统可以拉伸多达30%，而不会对显示或监测性能产生不利的影响。研究人员说，他们的可拉伸OLED设备可以在下一代可穿戴电子设备和健康传感器方面有广泛的应用。该团队计划开发新版本的显示器，将额外的颜色整合到荧光中，并提高性能和效率。目标是最终达到现有商业技术所具有的相同性能水平。这项研究发表在《自然材料》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1355223.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1355223.htm

东京大学研制出更坚固、更有弹性、能自我愈合的VPR塑料

东京大学研制出更坚固、更有弹性、能自我愈合的VPR塑料东京大学的研究人员开发出了一种名为VPR的多功能新型塑料，与传统塑料相比，这种塑料更坚固、更有伸缩性，并能通过热量自我修复。它可以在高温下重新塑形，并能在海水中进行部分生物降解。这种创新材料可以彻底改变各行各业的资源循环和废物减量，为实现可持续发展目标做出贡献。该团队正在探索其在工程、制造、医药和时尚领域的实际应用。一只折纸仙鹤在被压扁后通过加热恢复了其复杂的形状。图片来源：2023年，安藤翔太然而，当温度超过150摄氏度时，这些化学键就会重新结合，材料就会被改造成不同的形状。加热和使用溶剂可以将VPR分解为原始成分。在海水中浸泡30天后，生物降解率也达到25%，聚碳酸酯分解成海洋生物的食物来源。这种新材料可在工程、制造、医药和可持续时尚等领域广泛应用，促进循环经济，实现资源再循环，减少浪费。尽管全球都在开展遏制塑料使用和浪费的运动，但人们还是难以避免塑料这种无处不在的材料。从玩具和服装、家居用品和电子产品，到车辆和基础设施，如今我们使用的几乎所有物品中似乎都有塑料。用手术刀划伤深度为0.1毫米的VPR表面，在用热风枪加热到150摄氏度后，60秒内就能完全愈合。资料来源：2023年，安藤翔太塑料虽然有用，但其生命周期和废弃处理却存在许多问题。开发使用寿命更长、更易于重复使用和回收、或由环保材料制成的替代品，是帮助解决这些问题和实现联合国可持续发展目标的关键。有鉴于此，东京大学的研究人员在环氧树脂玻璃聚合物的基础上创造出了一种更具可持续性的塑料。玻璃聚合物是一类相对较新的塑料，在较低温度下坚固结实（就像用于制造耐热餐具的热固性塑料），但在较高温度下也能多次重复成型（就像用于制造塑料瓶的热塑性塑料）。不过，它们通常比较脆，在拉伸很长时间后才会断裂。通过添加一种名为聚龙沙烷的分子，研究小组能够制造出一种经过大幅改进的产品，并将其命名为VPR（含聚龙沙烷的玻璃聚合物[PR]）。在热板上加热到120摄氏度时，加入聚罗他烷和未加入聚罗他烷的玻璃纤维塑料的形状恢复测试（左）。资料来源：2023年，安藤翔太来自前沿科学研究生院的项目助理教授ShotaAndo说："VPR的抗断裂性是普通环氧树脂玻璃纤维的五倍以上。它的自我修复速度是普通玻璃树脂的15倍，恢复原始记忆形状的速度是普通玻璃树脂的两倍，化学回收速度是普通玻璃树脂的10倍。它甚至可以在海洋环境中安全地进行生物降解，这对这种材料来说是全新的。"聚碳酸酯能够增强不同材料的韧性，因此越来越受到科学界和工业界的关注。在这项研究中，VPR韧性的提高意味着可以创造出更复杂的形状，即使在低温下也能保持（例如本新闻稿提供的视频中的折纸起重机）。安藤解释说："虽然这种树脂在室温下不溶于各种溶剂，但只要将其浸入特定溶剂中并加热，就能很容易地分解成原材料。在海水中暴露30天后，它还会发生25%的生物降解。相比之下，不含PR的玻璃纤维没有发生任何明显的生物降解。这些特性使其成为当今社会需要资源循环利用的理想材料。"从工程到时尚，从机器人技术到医学，该团队预见到了VPR的实际应用和趣味应用。"仅举几个例子，道路和桥梁的基础设施材料通常由环氧树脂与混凝土和碳等化合物混合组成。使用VPR后，这些材料将更易于维护，因为它们将更加坚固，并可通过加热进行愈合，与传统的环氧树脂不同，这种新材料坚硬但可拉伸，因此有望牢固地粘合不同硬度和伸长率的材料，例如汽车制造所需的材料。此外，由于它具有形状记忆、形状编辑和形状恢复能力，也许有一天，你也可以在家里用吹风机或蒸汽熨斗重新整理你最喜欢的衣服的轮廓"。该团队下一步将与公司合作，确定其关于VPR的各种想法的可行性，同时继续在实验室开展研究。安藤说："我一直认为，现有的塑料很难回收和处理，因为它们是按照用途细分的。如果我们能用这样一种材料解决世界上的许多问题，那将是非常理想的。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1394217.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1394217.htm

受贝壳启发 一种水泥复合材料的柔韧性提高了19倍

受贝壳启发一种水泥复合材料的柔韧性提高了19倍大自然以利用有限、适度的材料开发轻质而坚韧的材料而闻名，这些材料被排列成巧妙的结构。以珍珠质为例。一些软体动物贝壳闪闪发光的内层通常被称为珍珠母，它是一种有机-无机复合材料，由硬质矿物文石的六角形薄片组成的三维砖墙图案，由柔软的超弹性生物聚合物粘合而成。虽然文石片非常脆，但生物聚合物的柔韧性使其能够在拉应力作用下滑动，从而使珍珠质成为一种坚韧的材料，能够在断裂前发生显著变形。现在，普林斯顿大学土木与环境工程系的研究人员通过模仿天然珍珠质的结构，创造出了一种新型的优质水泥复合材料。天然珍珠层由文石薄片组成，由一种超弹性生物聚合物粘合在一起这项研究的第一作者、普林斯顿大学工程系研究生沙山克-古普塔（ShashankGupta）说："软硬成分之间的协同作用是珍珠质具有非凡机械特性的关键。如果我们能设计出抵抗裂纹扩展的混凝土，我们就能让它变得更坚硬、更安全、更耐用。"为了制作珍珠状复合材料，研究人员用水泥浆片制作了六角形片材，并将其分层，中间用聚乙烯硅氧烷（PVS）隔开，聚乙烯硅氧烷是一种超弹性生物聚合物。然后用这种材料制成的横梁对复合材料的机械响应进行了测试，并与用固体（整体）浇注水泥浆制成的横梁进行了比较。研究人员对梁进行了缺口三点弯曲（3PB）试验，即在梁的中部向下施压，在两端向上施压，以评估抗裂性或断裂韧性。试验结果表明，水泥浆浇注的"硬"梁很脆；由于没有柔韧性（延展性），它们在达到失效点时突然完全断裂。相比之下，珍珠质复合梁的延展性是对照梁的19倍，断裂韧性是对照梁的17.1倍，而强度几乎相同。研究人员制作的珍珠质水泥复合材料示意图普林斯顿大学建筑材料与增材制造（AM2）实验室负责人、该研究的通讯作者雷扎-莫伊尼（RezaMoini）说："我们的生物启发方法不是简单地模仿自然界的微观结构，而是学习其基本原理，并利用这些原理来指导人造材料的工程设计。使珍珠质外壳坚硬的关键机制之一是纳米级的片状滑动。在这里，我们重点研究了片剂滑动的机制，通过工程设计使水泥浆的内置表层结构与聚合物的特性以及它们之间的界面保持平衡。换句话说，我们有意在脆性材料中设计缺陷，以此在设计上使其变得更坚固"。当然，这些结果都是在实验室中得出的。研究人员计划在实际环境中测试生物启发水泥复合材料，并研究其机械性能是否可用于提高混凝土和瓷器等其他材料的抗裂性。这项研究发表在《先进功能材料》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434604.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434604.htm