印度科学家开发出挑战卡诺极限的微型热机

印度科学家开发出挑战卡诺极限的微型热机长期以来，设计既能产生最大功率又能保持最高效率的热机一直是物理学和工程学领域的重大挑战。实用热机的效率受到理论极限的限制，即所谓的卡诺极限，该极限为多少热量可以转化为有用功设定了上限。印度科学研究所（IISc）和尼赫鲁高级科学研究中心（JNCASR）的研究人员突破性地设计出一种新型"微型热机"，在实验室规模上克服了这一限制。这项研究最近发表在《自然通讯》（NatureCommunications）杂志上。通讯作者、IISc物理系国家科学讲座教授、印度政府首席科学顾问AjayKSood说："直到今天，我们还认为这是不可能的，但我们已经证明这是可能的：同时实现高效率和高功率。"了解功率-效率权衡Heat发动机能将热量转化为功，例如将活塞向某个方向移动。法国物理学家萨迪-卡诺（SadiCarnot）于1824年提出了这一观点。AjaySood在IISc实验室的光学镊子装置。插图（左至右）：SudeeshKrishnamurthy、RajeshGanapathy和AjaySood。资料来源：SudeeshKrishnamurthy理论上，只有当这一过程发生得极其缓慢时才有可能实现，但这也意味着功率输出将为零，从而使发动机实际上毫无用处。这就是所谓的功率-效率权衡。微型热力发动机的进展"自20世纪70年代以来，人们一直在尝试解决功率-效率权衡问题。本世纪初，研究人员探索了微型系统来克服这一挑战。有趣的是，2017年，一篇论文声称不可能解决这一热力学难题。"IISc物理系前博士生、本研究第一作者SudeeshKrishnamurthy说。在目前的研究中，研究小组在微米尺度上模拟了传统热机的功能。他们没有使用气体和燃料的混合物，而是使用了一个微小的凝胶状胶体珠，并用激光束引导其运动，这与宏观发动机中活塞的工作原理类似。JNCASR教授、另一位作者RajeshGanapathy说："我们独特的微尺度发动机只需一个粒子就能运转。他补充说，发动机的尺寸非常小，约为一根头发宽度的1/100。"向高效率和高功率迈进研究小组还利用快速变化的电场使发动机在两种状态之间循环。在这些条件下，他们发现散失的废热急剧减少，使效率接近卡诺规定极限的95%。"我们的成果是通过引入电场缩短了热量散发时间。热量散发时间的缩短使发动机能够高效运行，同时即使在高速运行时也能输出较大的功率，"Krishnamurthy说。此前，研究小组设计了一种大功率发动机，利用活细菌推动粒子并为系统提供动力。这次，研究人员用电场取代了细菌，使粒子在胶体介质中移动的效率更高，并提高了系统的耐用性。实验结果表明，在某些条件下，可以高效率地实现高功率。这种进步可能会为未来更节能的设备铺平道路。索德强调说："如果人们能从这里得到启示，并尝试如何对这种微型发动机进行实际诠释，那就是故事的下一部分。我们打开了一扇门，在以前的研究中，由于卡诺设定的热力学限制，科学家们几乎放弃了打开这扇门"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1394253.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1394253.htm

日本科学家开发出新型完全固态可充电空气电池

日本科学家开发出新型完全固态可充电空气电池此外，在可充电空气电池中使用氧化还原活性有机分子克服了与金属有关的问题，包括形成被称为"树枝状"的结构，这种结构会影响电池性能，并对环境造成负面影响。研究人员利用基于二羟基苯醌的有机负极和Nafion聚合物电解质开发出一种全固态可充电空气电池。图片来源：早稻田大学KenjiMiyatake然而，这些电池使用的液态电解质与金属基电池一样，会带来高电阻、浸出效应和易燃性等重大安全隐患。现在，在最近发表于《AngewandteChemieInternationalEdition》的一项新研究中，一组日本研究人员开发出了一种全固态可充电空气电池（SSAB），并对其容量和耐用性进行了研究。这项研究由早稻田大学和山梨大学的宫武健治（KenjiMiyatake）教授领导，早稻田大学的小柳津研一（KenichiOyaizu）教授为共同作者。研究人员选择了一种名为2,5-二羟基-1,4-苯醌（DHBQ）的化学物质及其聚合物聚（2,5-二羟基-1,4-苯醌-3,6-亚甲基）（PDBM）作为负极的活性材料，因为它们在酸性条件下可进行稳定和可逆的氧化还原反应。此外，他们还利用一种名为Nafion的质子传导聚合物作为固态电解质，从而取代了传统的液态电解质。"据我所知，目前还没有开发出基于有机电极和固体聚合物电解质的空气电池，"Miyatake说。在SSAB就位后，研究人员对其充放电性能、速率特性和循环性进行了实验评估。他们发现，与使用金属负极和有机液态电解质的典型空气电池不同，SSAB在有水和氧气存在的情况下不会变质。此外，用聚合物PDBM取代氧化还原活性分子DHBQ可以形成更好的负极。在1mAcm-2的恒定电流密度下，SSAB-DHBQ的每克放电容量为29.7mAh，而SSAB-PDBM的相应值为176.1mAh。这种电池采用基于二羟基苯醌的聚合物负极和基于Nafion的固体电解质，具有很高的库仑效率和放电容量。研究人员还发现，SSAB-PDBM的库仑效率在4C时为84%，在101C时逐渐下降到66%。虽然SSAB-PDBM的放电容量在30个循环后降低到44%，但通过增加负极中质子传导聚合物的含量，研究人员可以将其显著提高到78%。电子显微镜图像证实，添加Nafion提高了基于PDBM的电极的性能和耐用性。这项研究展示了由氧化还原活性有机分子作为负极、质子传导聚合物作为固态电解质以及氧还原扩散型正极组成的SSAB的成功运行。研究人员希望，这将为进一步的进步铺平道路。这项技术可以延长智能手机等小型电子设备的电池寿命，最终为实现无碳社会做出贡献。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1375365.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1375365.htm

韩国科学家开发出创新型月球表面模拟舱

韩国科学家开发出创新型月球表面模拟舱在地球上模拟月球静电环境方面取得的突破为未来的月球探索奠定了良好的基础。通过精确复制和评估月球尘埃的影响，这项技术为克服太空任务中的主要障碍之一提供了重要见解，为先进的月球研究和原地资源利用计划铺平了道路。光电电流测量装置照片。资料来源：韩国土木建筑技术研究院（KICT）执行月球任务的最严重威胁之一是月球表面带静电的环境。由于月球大气层极其稀薄，月球直接暴露在太阳紫外线、X射线、太阳风、地球等离子体等的照射下。因此，月球上的尘埃云呈现出强烈的静电。月球的静电环境白天带正电，夜间带负电。由于月球上几乎没有大气层，空气阻力极小，即使是很小的撞击也能轻易吹走尘埃。带静电的碎石颗粒粘附在空间探索设备上时，可能会对其造成严重损害。例如，当粘附在光伏电池上时，这些颗粒会降低发电效率。在载人飞行任务中，它们会损坏保护宇航员的太空服，或穿透呼吸系统，造成危及生命的后果。KICT的研究小组由Shin,Hyusoung博士（与资深研究员Chung,Taeil和Park,Seungsoo博士一起）领导，开发了一个旨在模拟带电条件的试验室。其目的是实现类似月球表面的静电环境。附说明的设计测量单元原理图（不按比例）。资料来源：韩国土木建筑技术研究院（KICT）韩国信息和通信技术研究所开发的试验室集成了紫外线灯、电子束和等离子体发生器，可对测试物体表面进行正电或负电充电。该设备可用于利用紫外线辐射和电子束对月球土壤的复制品进行静电充电。这将有助于确定月球车上附着了多少材料，并预测潜在的问题。这项技术不仅仅是进行静电充电，还可以模拟月球在各种条件下的带电环境，如白天或夜晚环境，以及受地球等离子体影响的环境。这项研究工作的最大成就在于所开发的设备能够以定量和独立的方式测量所产生的光电流量，而光电流量对月尘在月昼期间的充电影响最大。这项研究获得的实验测量值与相应理论值之间的误差大约在5%以内，这证明了所开发技术的可靠性。因此，KICT的尝试不仅成功地再现了土壤尘埃仍带静电的类似月球的环境，而且还开发了相关的评估技术。这项研究工作为在大型脏热真空室（DTVC）中配备所开发的设备，以实现静电环境并进一步评估其性能奠定了基础。领导该项目的申博士说："我们的研究提出了将韩国在世界上首次开发的全尺寸DTVC与月球尘埃充电技术有效结合的可能性。这一解决方案将成为未来在月球上实施原地资源利用（ISRU）的一系列技术的试验台，解决并应对带电月球尘埃带来的一系列潜在技术挑战。"编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427230.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427230.htm

科学家用植物水凝胶制造可导航、可改变形状的微型机器人

科学家用植物水凝胶制造可导航、可改变形状的微型机器人与刚性微型机器人不同，软性微型机器人对组织更友好，因为它们可以轻松通过或挤入生物系统。然而，挑战在于如何制造出能够感知和适应环境的软微型机器人，而且由于它们是异物，不会引发免疫反应。英国滑铁卢大学（UniversityofWaterloo）的研究人员开发了一种生物相容性植物水凝胶，用于制造可导航的微型机器人，这种机器人能够根据外部化学刺激改变形状。该研究的通讯作者哈迈德-沙沙万（HamedShahsavan）说："在我的研究小组中，我们正在连接新与旧。"我们利用水凝胶、液晶和胶体等传统软物质，推出了新兴的微型机器人。"这种微小的软机器人最长只有0.4英寸（1厘米），由先进的水凝胶复合材料制成，其中包括可持续的、植物提取的纤维素纳米颗粒。除了具有生物相容性和无毒性外，这种材料还能自我修复；它可以切割，然后再粘合在一起，无需胶水或其他粘合剂，就能形成不同的形状，用于不同的应用。当受到化学刺激时，水凝胶会改变形状，研究人员可以随意调整纤维素纳米粒子的方向，从而"编程"机器人的形状变化，这对于软体机器人来说是一项重要的能力。研究人员设计并测试了两个具有pH响应的小型机器人。第一个机器人能够在pH值的触发下抓取、转移和释放球形或不规则的软生物货物。第二个机器人可以利用磁场通过远程导航在迷宫中转移轻型货物，如下面滑铁卢工程公司制作的视频所示。完成迷宫后，盐酸会使机器人展开并放下货物。研究人员说，水凝胶的pH响应特性意味着微型机器人有可能用于原生pH值较高的人体器官，并有能力耐受酸性pH环境，如膀胱。研究人员计划改进他们的设计，然后在实际应用中进行测试，包括开发一种机械性能更强的水凝胶配方，以提高承载能力。他们还计划将机器人微型化到纳米级尺寸，以便用于治疗或诊断。这种植物基水凝胶的开发标志着人们不再使用由天然聚合物组成的水凝胶，其中一种天然聚合物是从动物组织中提取的明胶。在最近的另一项研究中，来自新南威尔士大学悉尼分校（UNSW）的研究人员创造了一种实验室制造的水凝胶，这种水凝胶模仿人体组织，具有抗菌和自我修复功能，但不使用动物产品。该研究的第一作者阿什利-阮（AshleyNguyen）说："天然水凝胶在社会中广泛使用，从食品加工到化妆品，但需要从动物身上采集，这就带来了伦理问题。另外，动物提取的材料用于人体也有问题，因为会产生负面的免疫反应"。新南威尔士大学的研究人员转而使用所谓的"色氨酸拉链"（或称Trpzip）来制造水凝胶，Trpzip是含有多个色氨酸的氨基酸短链，可作为拉链促进自组装。新南威尔士大学的Trpzip水凝胶不含动物产品图/新南威尔士大学悉尼分校"我们认为，Trpzip水凝胶和类似材料将为动物源性产品提供更统一、更具成本效益的替代品，"该研究的通讯作者克里斯托弗-基利安（KristopherKilian）说。"如果我们的材料能减少科学研究中使用的动物数量，那将是一个巨大的成果。"滑铁卢大学的研究和新南威尔士大学的研究均发表在《自然通讯》（NatureCommunications）杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1391889.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1391889.htm

物理学家揭露比脂肪细胞小得多的脂滴所带来的隐藏威胁

物理学家揭露比脂肪细胞小得多的脂滴所带来的隐藏威胁宾夕法尼亚大学的研究人员发现，比脂肪细胞小得多的充满脂肪的脂滴有可能刺穿并损坏细胞核，导致与癌症等疾病相关的DNA损伤加剧。这些发现挑战了人们对脂肪的传统看法，强调了脂肪在微观尺度上的物理特性，而不仅仅是其代谢功能。充满脂肪的脂滴--比脂肪细胞小很多倍的微小脂肪球--是科学界越来越感兴趣的主题。这些脂质微粒存在于许多不同类型的细胞中，但长期以来却鲜为人知。研究已经开始揭示这些脂滴参与新陈代谢和保护细胞的功能，但我们对脂肪的物理特性仍然知之甚少。现在，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员将目光投向了生物化学之外，发表了有关这些液滴物理特性的突破性研究成果，揭示了它们对细胞核的潜在威胁。在最近发表于《细胞生物学杂志》（JournalofCellBiology）上的一篇论文中，他们首次发现充满脂肪的脂滴具有令人惊讶的能力，可以压入和刺穿细胞核，而细胞核是包含和调节细胞DNA的细胞器。他们的发现意义重大，因为细胞核破裂会导致DNA损伤加剧，而DNA损伤是包括癌症在内的多种疾病的特征。这项研究由化学与生物分子工程系罗伯特-D-本特（RobertD.Bent）教授丹尼斯-E-迪舍尔（DennisE.Discher）、宾夕法尼亚大学分子与细胞生物物理学实验室副研究员伊雷娜-伊万诺夫斯卡（IrenaIvanovska）博士和生物工程系博士候选人迈克尔-托宾（MichaelTobin）共同领导。迪舍尔说："直觉上，人们认为脂肪是柔软的。从细胞层面来看，的确如此。但这种小液滴的尺寸只有几微米，而不是成熟脂肪细胞的几百微米，它就不再柔软了。它的形状具有更高的曲率，能使其他物体急剧弯曲。这就改变了它在细胞中的物理特性。它可以变形，它会损坏，甚至可以破裂"。伊万诺夫斯卡补充说："想象一下，用拳头打爆一个气球。这是不可能的。你可以让气球变形，但不会戳破它。现在想象一下用钢笔戳破它。这就是脂肪细胞和体内小脂肪滴细胞的区别。这是基本的物理差异，而不是新陈代谢差异。"研究小组的研究重新构建了对脂肪的科学探索，强调脂肪在体内的作用远不止是体重秤上的一个数字。托宾说："这不是传统意义上的脂肪。这是关于脂肪如何在比细胞更小的尺度上发挥作用，并对细胞成分构成物理风险，甚至在DNA层面上。"研究小组的工作建立在十年的基础研究之上，包括伊万诺夫斯卡对赋予细胞核保护性结构品质的核蛋白质行为的主要贡献。这些蛋白质是动态的，它们会随着机械环境的变化而变化，并提供细胞核保持其完整性所需的物质。伊万诺夫斯卡说："在细胞中，DNA损伤有一个持续的修复过程。要实现这一过程，细胞核需要有足够的DNA修复蛋白。如果细胞核破裂，这些蛋白质就会分散，无法及时修复损伤。这会造成DNA损伤累积，并有可能导致癌细胞的产生。"细胞生活在一个动态的物理和机械环境中，在这个环境中可能出错，也确实会出错。但它也有一支分子助手大军，一直在维护和修复它。问题在于，当细胞核受到损害时--毒素、过度暴露于紫外线或这些充满脂肪的脂滴。那么DNA就很有可能受到损伤，从而对健康造成影响。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380467.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380467.htm

钙过量 - 科学家开发出杀死癌细胞的新方法

钙过量-科学家开发出杀死癌细胞的新方法钙离子在细胞功能中起着至关重要的作用，但如果钙离子含量过高，就会对细胞造成危害。研究人员最近开发出一种化合物，可通过调节细胞内的钙离子流入来靶向摧毁肿瘤细胞。这种创新方法利用了肿瘤组织内已有的钙离子，无需外部钙源。《AngewandteChemie》杂志上发表的一篇论文详细介绍了这一研究成果。生物细胞需要钙离子来维持线粒体（细胞的动力室）的正常运转。然而，如果钙离子过多，线粒体过程就会失衡，细胞就会窒息。由韩国首尔梨花女子大学的尹珠英（JuyoungYoon）领导的研究小组与来自中国的研究小组一起，利用这一过程开发出了一种协同抗肿瘤药物，它可以打开钙离子通道，从而在肿瘤细胞内引发致命的钙离子风暴。研究人员瞄准了两个通道，第一个是外膜上的通道，另一个是内质网中的钙通道，内质网也是一个储存钙离子的细胞器。位于外膜的通道在暴露于大量活性氧（ROS）时打开，而内质网中的通道则被一氧化氮分子激活。为了产生能打开外膜钙通道的ROS，研究人员使用了染料吲哚菁绿。这种生物活性剂可通过近红外线照射激活，不仅能引发导致ROS的反应，还能使环境升温。研究小组解释说，局部高温会激活另一种活性剂BNN-6释放一氧化氮分子，从而打开内质网中的通道。在肿瘤细胞系试验成功后，研究小组又在植入肿瘤的小鼠体内测试了一种注射制剂。为了创造出一种生物兼容的复合药物，研究人员将活性成分装入了微小的改性多孔硅珠中，这种硅珠对人体无害，但能被肿瘤细胞识别并转运到细胞内。将这些微珠注入小鼠血液后，研究人员观察到药物在肿瘤内积聚。照射近红外线成功地触发了作用机制，接受这种制剂的小鼠几天后肿瘤就消失了。作者强调，这种离子流入方法可能也适用于相关的生物医学研究领域，因为类似的机制可以激活不同于钙离子通道的离子通道，从而找到新的治疗方法。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1415569.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1415569.htm