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YogeshSurendranath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（NoahLewis）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RyanBisbey、麻省理工学院研究生KarlWestendorff和耶鲁大学研究科学家AlexanderSoudackov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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424095.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424095.htm

麻省理工学院新技术解决枝晶问题 为研发高密度电池单元指明方向

麻省理工学院新技术解决枝晶问题为研发高密度电池单元指明方向枝晶是薄薄的、像触角一样的金属丝，当锂电池循环次数足够多或者工况不佳时，它们会在电极上发展，蜿蜒进入电解液，导致短路、变热甚至起火等问题。我们已经看到了各种抑制枝晶生长的创造性方法，但是这项新研究的作者认为他们已经为这个问题带来了新的、亟需的解决方案。科学家们正在试验一种固态电池，一种以固态电解质材料而不是传统的液体电解质为特征的结构，就像在一个典型的电池中，当设备被充电和放电时，锂离子在两个电极之间穿梭，在这种情况下，锂离子会通过固体电解质。研究人员发现，尽管固体电解质是由一种相对坚硬的材料制成的，但当离子在两侧的电极之间移动时，非常柔软的锂能够穿透它。这是电极在接受和沉积锂时体积变化的结果，这反过来会导致有问题的机械应力。麻省理工学院教授Yet-MingChiang说："为了沉积这种金属，必须有一个体积的扩张，因为正在增加新的质量。因此，在锂被沉积的电池一侧，体积会增加。如果有哪怕是微小的缺陷存在，这将对这些缺陷产生压力，从而导致开裂。"研究人员说，这些裂缝是枝晶形成的条件，他们能够在一种设计为透明的实验性电解质材料中重现这一过程。枝晶的形成通常是在电池单元的不透明材料中进行的，这也是关于什么原因导致枝晶以及如何阻止枝晶形成的矛盾观点之一。通过能够直接观察这一现象，科学家们能够想出新的方法来防止枝晶造成损害。在后续的实验中，研究小组表明有可能施加机械压力，以引导枝晶的生长，使它们完全按照压力的方向"之"字形生长。虽然不能完全阻止它们的形成，但这意味着它们有可能被转入电极中长期生长，而不是迅速地伸到电解质当中造成电池本体的破坏。该团队通过使用机械压力弯曲材料来证明这一点，并设想在现实生活中的电池中实现这一目标的一些方法。该设备可以加入具有不同热膨胀特性的材料，以诱发弯曲，进而产生机械压力，或者可以在材料中掺入导致扭曲的原子。重要的是，控制枝晶生长所需的压力大约为150至200兆帕，该团队表示这并不难实现。如果他们能做到这一点并设计出一种电池，通过让枝晶无害地穿过电极生长来克服这一问题，这项工作可能会释放出非常有前途的下一代架构，如固态锂金属电池。用纯锂金属代替石墨和铜作为阳极之一，这些电池可以提供数倍于当今电池的能量密度，同时也更轻更安全，因为它们不使用易燃的液体电解质。从这里开始，该团队的目标是展示一种具有这种形式的所需机械应力的功能性电池，以指导枝晶的形成方向。该研究发表在《焦耳》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333489.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333489.htm

麻省理工学院的新型无钴有机电池材料将为电动汽车带来革命性变革

麻省理工学院的新型无钴有机电池材料将为电动汽车带来革命性变革在一项新的研究中，研究人员表明，这种材料的生产成本远远低于含钴电池，其导电率与钴电池相似。研究人员报告说，这种新型电池的储电量也与钴电池相当，而且充电速度也比钴电池快。麻省理工学院W.M.Keck能源学教授MirceaDincă说："我认为这种材料可以产生很大的影响，因为它的效果非常好。它与现有技术相比已经很有竞争力，而且它可以节省大量成本，并避免目前用于电池的金属开采所带来的痛苦和环境问题。"Dincă是这项研究的资深作者，研究报告最近发表在《ACSCentralScience》杂志上。23岁的陈天阳博士和麻省理工学院前博士后哈里什-班达（HarishBanda）是论文的主要作者。其他作者包括麻省理工学院博士后王建德、麻省理工学院研究生朱利叶斯-奥本海姆（JuliusOppenheim）和博洛尼亚大学研究员亚历山德罗-弗朗切斯基（AlessandroFranceschi）。大多数电动汽车都由锂离子电池驱动，这种电池的充电原理是锂离子从一个正电极（称为阴极）流向一个负电极（称为阳极）。在大多数锂离子电池中，阴极都含有钴，这是一种具有高稳定性和高能量密度的金属。然而，钴也有很大的缺点。钴是一种稀缺金属，其价格会大幅波动，而且世界上大部分钴矿床都位于政局不稳的国家。钴的开采会造成危险的工作环境，并产生有毒废物，污染矿区周围的土地、空气和水源。"钴电池可以储存大量的能量，在性能方面也具备人们所关心的所有特性，但它们存在供应不广的问题，而且成本会随着商品价格而大幅波动。"Dincă说："随着消费市场中电气化汽车的比例越来越高，成本肯定会越来越高。"由于钴有这样那样的缺点，因此人们进行了大量研究，试图开发替代电池材料。其中一种材料是磷酸铁锂（LFP），一些汽车制造商已开始在电动汽车中使用这种材料。尽管锂-铁-磷酸酯电池仍有实际用途，但其能量密度只有钴和镍电池的一半左右。另一种有吸引力的选择是有机材料，但迄今为止，大多数此类材料在导电性、存储容量和使用寿命方面都无法与含钴电池相媲美。由于导电率低，这类材料通常需要与聚合物等粘合剂混合，以帮助它们维持导电网络。这些粘合剂至少占整个材料的50%，会降低电池的存储容量。大约六年前，在兰博基尼的资助下，Dincă的实验室开始进行一个项目，开发一种可为电动汽车提供动力的有机电池。在研究部分有机、部分无机的多孔材料时，Dincă和他的学生意识到，他们制造的一种完全有机的材料似乎是一种强导体。这种材料由多层TAQ（双四氨基苯醌）组成，TAQ是一种有机小分子，含有三个融合的六角环。这些层可以向各个方向延伸，形成类似石墨的结构。分子中含有称为醌和胺的化学基团，前者是电子库，后者有助于材料形成牢固的氢键。这些氢键使材料高度稳定，同时也非常不溶解。这种不溶性非常重要，因为它可以防止材料像某些有机电池材料那样溶解到电池电解液中，从而延长其使用寿命。Dincă说："有机材料降解的主要方法之一是溶解到电池电解液中，并进入电池的另一端，从而形成短路。如果使材料完全不溶解，这个过程就不会发生，因此我们可以在最少降解的情况下进行2000多个充电循环。Dincă对这种材料的测试表明，其导电性和存储容量与传统的含钴电池相当。此外，与现有电池相比，使用TAQ阴极的电池充放电速度更快，可加快电动汽车的充电速度。为了稳定有机材料并提高其附着在铜或铝制成的电池集流器上的能力，研究人员添加了纤维素和橡胶等填充材料。这些填料占整个阴极复合材料的比例不到十分之一，因此不会显著降低电池的存储容量。这些填料还能在电池充电时防止锂离子流入阴极，从而延长电池阴极的使用寿命。制造这种阴极所需的主要材料是一种醌前体和一种胺前体，它们作为商品化学品已经在市场上大量供应和生产。研究人员估计，组装这些有机电池的材料成本大约是钴电池成本的三分之一到二分之一。兰博基尼已经获得了这项技术的专利许可。Dincă的实验室计划继续开发替代电池材料，并正在探索用钠或镁替代锂的可能性，因为钠或镁比锂更便宜、更丰富。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1419217.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1419217.htm

麻省理工学院首次控制量子随机性

麻省理工学院首次控制量子随机性想象一下，平静的海面突然起了波浪--这与量子层面的真空中发生的情况类似。在此之前，科学家们已经利用这些波动生成了随机数。它们也是量子科学家在过去一百年中发现的许多迷人现象的原因。利用真空波动生成可调谐随机数的实验装置。图片来源：CharlesRoques-Carmes、YannickSalamin麻省理工学院博士后CharlesRoques-Carmes和YannickSalamin、麻省理工学院教授MarinSoljačić和JohnJoannopoulos及其同事最近在《科学》（Science）杂志上发表了一篇论文，对上述发现进行了描述。传统上，计算机以确定性的方式运行，按照一系列预定义的规则和算法逐步执行指令。在这种模式下，如果多次运行相同的操作，总会得到完全相同的结果。这种确定性方法为我们的数字时代打下了基础，但也有其局限性，尤其是在模拟物理世界或优化复杂系统时，这些任务往往涉及大量的不确定性和随机性。从量子真空中生成可调随机数的艺术插图。图片来源：陈磊这就是概率计算概念发挥作用的地方。概率计算系统利用某些过程的内在随机性来执行计算。它们不会只提供一个"正确"的答案，而是提供一系列可能的结果，每个结果都有其相关的概率。这使它们非常适合模拟物理现象和解决优化问题，因为在这些问题中可能存在多种解决方案，而对各种可能性的探索可以找到更好的解决方案。工作的主要作者之一CharlesRoques-Carmes博士正在操作实验系统。图片来源：AnthonyTulliani然而，概率计算的实际应用在历史上一直受到一个重大障碍的阻碍：缺乏对量子随机性相关概率分布的控制。不过，麻省理工学院团队开展的研究揭示了一种可能的解决方案。具体来说，研究人员已经证明，向光学参量振荡器（一种自然生成随机数的光学系统）注入微弱的激光"偏压"，可以作为"偏压"量子随机性的可控源。"尽管对这些量子系统进行了广泛的研究，但非常微弱的偏置场的影响尚未得到探索，"该研究的研究员CharlesRoques-Carmes说。"我们发现的可控量子随机性不仅让我们能够重新审视量子光学中已有几十年历史的概念，而且还为概率计算和超精确场传感开辟了潜力。"该团队成功展示了操纵与光参量振荡器输出状态相关的概率的能力，从而创造了有史以来第一个可控光子概率位（p-bit）。此外，该系统还显示出对偏置场脉冲时间振荡的敏感性，甚至远低于单光子水平。工作的主要作者之一YannickSalamin博士正在操作实验系统。资料来源：AllysonMacBasino团队另一位成员YannickSalamin说："我们的光子p比特生成系统目前可以每秒生成10,000个比特，每个比特都可以遵循任意的二项分布。我们预计，这项技术将在未来几年不断发展，从而产生更高速率的光子p位，并实现更广泛的应用。"麻省理工学院的MarinSoljačić教授强调了这项工作的广泛意义："通过使真空波动成为可控元素，我们正在推动量子增强概率计算的发展。在组合优化和晶格量子色动力学模拟等领域模拟复杂动力学的前景非常令人兴奋"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382749.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382749.htm

麻省理工学院发现：人类仍然比人工智能便宜

麻省理工学院(MIT)在一项研究中发现，人工智能目前还无法以经济有效的方式取代大多数工作岗位，这项研究试图打消人们对人工智能在许多行业取代人类的担忧情绪。在对人工智能取代劳动力的可行性进行的首次深入调查中，研究人员对美国各项任务自动化的成本吸引力进行了建模估算，重点关注了使用计算机视觉的工作——比如教师和房地产估价师。研究人员发现，按美元工资计算，只有23%的劳动者可以被有效取代。在其他情况下，由于人工智能辅助视觉识别的安装和操作成本高昂，因此由人类来完成这项工作更为经济划算。去年，在OpenAI的ChatGPT和其他AI工具展示了这项技术的潜力之后，各行各业开始加速采用这种工具。从美国的微软公司和Alphabet公司到中国的和，科技公司推出了各种AI服务。行业领袖警告说，AI发展速度太快了。长期以来，人们一直担心AI对就业的影响。麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室的研究人员指出，“机器将抢走我们的工作”是技术快速变革时期人们经常表达的一种情绪，而随着大语言模型的创建，这种焦虑再次出现了。“但我们发现，由于AI系统的前期成本很高，只有23%的员工‘暴露’在AI计算机视觉中，对企业来说是具有成本效益的。”计算机视觉是AI技术的一个领域，它使机器能够从数字图像和其他视觉输入中获取有意义的信息，其最普遍的应用出现在自动驾驶的物体检测系统中，或者对智能手机上的照片进行分类。麻省理工学院的论文称，和的突出领域——零售、运输和仓储等方面，也是计算机视觉最具效益的领域。论文中一个案例提到，在面包店里，面包师每天都要检查原料的质量控制，但这只占他们工作时间的6%。但安装摄像头和AI系统所节省的时间和工资，远低于这种技术升级的成本。研究人员表示，目前只有3%的视觉辅助任务可以有效、低成本地自动化，但如果数据成本下降，准确性提高，到2030年这一比例可能会上升到40%。国际货币基金组织(IMF)上周发布报告称，人工智能技术将影响全球近40%的就业岗位，相比于新兴市场和低收入国家，发达国家的就业更容易受到人工智能的影响。它还警告说，在大多数情况下，这种技术对全球劳动力市场的潜在影响可能会加剧整体不平等。在上周的达沃斯世界经济论坛上，许多讨论都集中在AI取代劳动力的问题上。InflectionAI和DeepMind的联合创始人MustafaSuleyman表示，AI系统“从根本上说是替代劳动力的工具”。OpenAI首席执行官萨姆·奥特曼声称，AI的能力“有很强的局限性”，人们应该将其视为一种“在某些领域非常有用”的工具，不能完全依赖于AI。标签:#AI#劳动力频道:@GodlyNews1投稿:@GodlyNewsBot