一种新设计的疏水涂层可在水下数月保持表面干燥

一种新设计的疏水涂层可在水下数月保持表面干燥一种蜘蛛一生都生活在水下，尽管它的肺只能呼吸大气中的氧气。它是如何做到的？这种名为Argyronetaaquatica的蜘蛛身上有数百万根粗糙的憎水绒毛，这些绒毛能捕捉身体周围的空气，形成一个氧气库，成为蜘蛛肺部与水之间的屏障。几十年来，材料科学家们一直在试图利用这层薄薄的空气保护作用。这样做可以制造出水下超疏水表面，防止腐蚀、细菌生长、海洋生物附着、化学污垢以及液体对表面的其他有害影响。但事实证明，plastrons在水下极不稳定，只能在实验室中保持表面干燥几个小时。现在，由哈佛大学约翰-保尔森工程与应用科学学院（SEAS）、哈佛大学Wyss生物启发工程研究所、德国埃尔兰根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学和芬兰阿尔托大学领导的研究小组开发出了一种超疏水表面，这种表面具有稳定的质膜，可在水中保持数月之久。该团队的总体战略是创造持久的水下超疏水性表面，这种表面能排斥血液，并大大减少或防止细菌和藤壶、贻贝等海洋生物的附着，从而在生物医学和工业领域开辟了一系列应用前景。"生物启发材料研究是一个极其令人兴奋的领域，它不断将大自然中进化出的优雅解决方案带入人造材料领域，使我们能够推出具有前所未见特性的新材料，"该论文的共同作者、SEAS材料科学艾米-史密斯-贝里尔森教授（AmySmithBerylsonProfessorofMaterialsScience）、化学与化学生物学教授乔安娜-艾曾伯格（JoannaAizenberg）说。"这项研究证明了揭示这些原理可以开发出在水中保持超疏水性的表面。"Aizenberg还是Wyss研究所的副教员。这项研究发表在《自然-材料》（NatureMaterials）杂志上。20年前，研究人员就已经知道，稳定的水下底盘在理论上是可行的，但直到现在，他们还未能在实验中证明这一点。Plastrons的最大问题之一是，它们需要粗糙的表面才能形成，就像Argyronetaaquatica的毛发一样。但这种粗糙使表面的机械性不稳定，容易受到温度、压力或微小缺陷的任何微小扰动的影响。由一种常用且廉价的钛合金制成的嗜气性表面具有持久的质膜，在血液培养皿中浸泡数百次后仍能保持干燥。图片来源：AlexanderB.Tesler/Friedrich-Alexander-UniversitätErlangen-Nürnberg创新技术和发现目前评估人工制造的超疏水表面的技术只考虑了两个参数，而这两个参数并不能提供足够的信息来说明空气质点在水下的稳定性。来自阿尔托大学的Aizenberg、JaakkoV.I.Timonen和RobinH.A.Ras，以及来自佛罗里达大学的AlexanderB.Tesler和WolfgangH.Goldmann及其团队确定了更多的参数，包括表面粗糙度、表面分子的疏水性、质面覆盖率、接触角等信息。利用这种新方法和一种简单的制造技术，研究小组用一种常用的廉价钛合金设计出了一种所谓的亲气表面，这种表面具有持久的质膜，比以前的实验更能保持表面干燥数千小时，甚至比生物物种的质膜更持久。特斯勒曾在SEAS和Wyss研究所从事博士后研究，也是这篇论文的第一作者，他说："我们使用了20年前理论家提出的一种表征方法，证明了我们的表面是稳定的，这意味着我们不仅制造出了一种新型的极其排斥、极其持久的超疏水性表面，而且我们还可以有途径用不同的材料再做一次。"为了证明羽状体的稳定性，研究人员对其表面进行了各种试验--弯曲、扭曲、用热水和冷水喷射、用沙子和钢材打磨，以阻止其表面保持嗜气性。它在水中浸泡了208天，并在血液培养皿中浸泡了数百次。它严重减少了大肠杆菌和藤壶在其表面的生长，并完全阻止了贻贝的粘附。"该系统的稳定性、简易性和可扩展性使其在实际应用中非常有价值，"论文共同作者、SEAS研究生StefanKolle说。"通过这里展示的表征方法，我们展示了一个简单的工具包可以优化超疏水表面以达到稳定性，这极大地改变了应用空间。"该论文的资深作者、前哈佛大学研究员戈德曼表示，这一应用空间包括生物医学应用，可用于减少术后感染，或用作支架等可生物降解的植入物。它还可用于水下，防止管道和传感器腐蚀。未来，它甚至可以与艾森伯格和她的团队十多年前开发的被称为SLIPS的超滑涂层（注入液体的多孔表面）结合使用，进一步保护表面不受污染。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1391885.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1391885.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

新型AI技术打破了原子力材料表面成像技术的基本限制

新型AI技术打破了原子力材料表面成像技术的基本限制原子力显微镜（AFM）是一种广泛使用的技术，可以定量绘制材料表面的三维图。然而，原子力显微镜的精度受到显微镜探针尺寸的限制。为了突破这一限制，我们开发了一种新型人工智能技术，使显微镜在材料分析中达到更高的分辨率。伊利诺伊大学香槟分校的研究人员开发的深度学习算法经过训练，可以从原子力显微镜图像中去除探针宽度的影响。据《纳米快报》（NanoLetters）杂志报道，该算法超越了其他方法，首次以低于显微镜探针尖端宽度的分辨率给出了真正的三维表面轮廓。材料表面成像技术的突破"精确的表面高度轮廓对于纳米电子学的开发以及材料和生物系统的科学研究至关重要，而原子力显微镜是一种能够无创测量轮廓的关键技术，"该项目负责人、工大材料科学与工程系教授张英杰说。"我们已经展示了如何更加精确地观察更小的东西，我们也展示了如何利用人工智能来克服看似无法克服的限制。"显微镜技术通常只能提供二维图像，基本上只能为研究人员提供材料表面的航拍照片。原子力显微镜可提供完整的地形图，准确显示表面特征的高度剖面。这些三维图像是通过在材料表面移动探针并测量其垂直偏转而获得的。经深度学习算法处理的原子力显微镜图像。左列包含模拟的原子力显微镜图像，中间一列包含经过算法处理和重建的图像，右列包含添加原子力显微镜效应之前的原始图像。来源：NanoLett.如果表面特征接近探针尖端的大小（约10纳米），显微镜就无法分辨，因为探针变得太大，无法"感觉"出这些特征。几十年来，显微镜学家们一直意识到这一局限性，但伊利诺伊大学的研究人员是第一个给出确定性解决方案的人。"我们之所以求助于人工智能和深度学习，是因为我们想获得高度剖面--精确的粗糙度--而不受传统数学方法的固有限制。"研究人员开发了一种具有编码器-解码器框架的深度学习算法。它首先通过将原始原子力显微镜图像分解为抽象特征对其进行"编码"。在对特征表示进行处理以消除不良影响后，再将其"解码"回可识别的图像。为了训练该算法，研究人员生成了三维结构的人工图像，并模拟了它们的原子力显微镜读数。然后构建算法，利用探针尺寸效应转换模拟原子力显微镜图像，并提取基本特征。博纳吉里说："实际上，我们必须做一些非标准的事情才能做到这一点。典型的人工智能图像处理的第一步是根据某个标准重新调整图像的亮度和对比度，以简化比较。但在我们的案例中，绝对亮度和对比度才是有意义的部分，因此我们不得不放弃第一步。这让问题变得更具挑战性。"为了测试他们的算法，研究人员在硅主机上合成了已知尺寸的金和钯纳米粒子。该算法成功消除了探针尖端效应，并正确识别了纳米粒子的三维特征。张说："我们已经给出了概念验证，并展示了如何使用人工智能来显著改善原子力显微镜图像，但这项工作仅仅是个开始。与所有人工智能算法一样，我们可以通过在更多更好的数据上进行训练来改进它，但前进的道路是明确的。"编译自：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1422273.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1422273.htm

受东部蓝鸟羽毛启发的新材料可用于构建更好的电池和滤水器

受东部蓝鸟羽毛启发的新材料可用于构建更好的电池和滤水器研究人员使用透明硅橡胶作为起始材料，将其置于油性溶液中，在加热到140°F（60°C）的烤箱中让其膨胀数天。然后将其冷却以降低液体的溶解度，并从油性溶液中提取橡胶。研究人员在显微镜下分析这种材料，查看其纳米结构在加工过程中发生了哪些变化，结果发现其网络结构与蓝鸟羽毛中的网络结构相似。唯一真正的区别是形成的通道的厚度；在羽毛中，通道的厚度约为200纳米，而在合成材料中，通道的厚度为800纳米。东部蓝鸟及其羽毛的微观结构（左）与合成材料及其结构（D）的对比（图片：Fernández-Rico在材料中形成新颖网络结构的关键是相分离。您可能在厨房里尝试混合油和醋制作沙拉酱时遇到过这种现象。摇晃时液体确实会混合，但停止摇晃后就会分离。不过，也可以使用另一种方法来混合油和醋：加热，然后冷却。研究人员在这里应用了这一原理，中断这一过程就能产生所需的通道。该研究的第一作者卡拉-费尔南德斯-里科（CarlaFernández-Rico）说："我们能够控制和选择条件，从而在相分离过程中形成通道。我们成功地在两相再次完全融合之前停止了这一过程"。用于制造新型合成材料的相分离过程Fernández-Ricoetal.研究人员使用这种方法制造出了几厘米大小的合成材料，而且这种材料是可扩展的。里科说："原则上你可以使用一块任意大小的橡胶塑料。不过也需要相应的大型容器和烤箱。"研究人员说，他们的新型材料已经引起了物理学界的兴趣："我们有一个仅由两种成分组成的简单系统，但最终获得的结构却非常复杂，并受成分特性的控制。一些理论小组已经与我们进行了接触，他们建议使用物理模型来理解这一新过程的关键物理原理，并预测其结果。"实际上，他们说这种材料有可能用于电池和滤水器。对于滤水器来说，如果使用通道式结构，表面积与体积的比例就会非常大，从而更有效地去除污染物。如果表面积不足，固体物质就会高速撞击滤料，导致过滤器表面膜或底层滤料过早降解。过滤面积不足还会增加通过系统的压降，导致能耗增加。电池电解液是电池内部的液体或糊状溶液，在阴极和阳极之间传输带正电的离子。电池随着时间的推移而失去充电能力或失效的原因之一是离子与电解液发生反应，导致电极发生物理接触并损坏电池。用这种材料制成的固体电解质可以避免电极之间的物理接触，同时保持电池中离子的良好传输。里科说："然而，该产品距离投放市场还有很长的路要走。橡胶材料既便宜又容易获得，而油性相却相当昂贵。这里需要一对不那么昂贵的材料"。研究人员计划改进这种材料，重点关注其可持续性。许多天然聚合物，如纤维素或甲壳素，其结构与我们工作中使用的橡胶相似。这项研究发表在《自然-材料》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401855.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401855.htm

受壁虎启发而设计的抓手可进行扭转 安全释放易碎物品

受壁虎启发而设计的抓手可进行扭转安全释放易碎物品受这些脚垫的启发，研究人员之前开发了一种干粘合剂，用微小的蘑菇状结构复制了刚毛。虽然这种材料能很好地粘住易碎物体并将它们托起，但并不能总是在不造成损坏的情况下将它们释放。这就是新技术的用武之地。显示受壁虎启发的抓手如何在不损坏表面的情况下脱离表面的示意图图/先进材料科学与技术韩国国立庆北大学和东亚大学的科学家将蘑菇状结构融入软硅胶抓手，并将其安装在机械臂的末端。该抓手能轻松地粘住并从倾斜表面上抓起一个精致的玻璃圆盘，而不会像通常情况下那样将其打碎。然而，一旦需要松开玻璃圆片，机械手就会同时向上抬起并扭转。这一系列动作使夹具与玻璃分离时所需的力降低了10倍。因此，物品不会发生任何损坏。作为参考，壁虎只需将脚向前抬起，就能松开对表面的抓握。Kyungpook研究员SungHoLee说："我们希望我们的研究能引起业界的浓厚兴趣，因为许多公司都对使用干粘合剂临时固定和移动部件非常感兴趣，尤其是在机器人应用领域。"最近发表在《先进材料科学与技术》（ScienceandTechnologyofAdvancedMaterials）杂志上的一篇论文介绍了这项研究。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1397287.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1397287.htm

受乌贼启发的新型人造皮肤能忍受极度寒冷 并能杀灭微生物

受乌贼启发的新型人造皮肤能忍受极度寒冷并能杀灭微生物像其他头足类动物、热带鱼和变色龙一样，鱿鱼拥有周期性的光子纳米结构，使它们能够改变皮肤颜色以应对外部环境的刺激，并用于伪装、交流和求爱。鱿鱼在其皮肤表面下有成千上万的细胞，称为色团，与它们的神经系统相连。在色团的中心是一个充满色素的弹性囊。肌肉收缩控制色团的大小，改变乌贼的皮肤颜色，使它们能够改变其图案，以配合附近的岩石或珊瑚。在某些鱿鱼品种中发现的反射蛋白会折射光线，并负责动物的动态色素和彩虹色。在过去，研究人员已经调整了这一过程，以创造保暖的皮肤，开发监测阳光照射的设备，并使人类细胞变得透明。现在，受乌贼皮肤中存在的先天能力的启发，中国大连理工大学的研究人员创造了一种新的、灵活的人造皮肤，可以抵御极端温度和细菌。该研究的通讯作者牛文斌告诉TechXplore，"生物皮肤将环境信息转化为生物电信号，并将其传递给神经系统，以感知外部压力、触觉、振动、温度等。特别是除了生物电信号之外，头足类动物的皮肤还可以通过颜色变化进一步主动感知复杂的环境"。研究人员模仿了乌贼皮肤中反射蛋白的排列方式，创造了他们称之为PIskin的新型光子-离子皮肤。当PIskin暴露在外部刺激下，例如表面，它的光子（光操纵）纳米结构会引起快速的颜色变化。同时，皮肤中的离子传输发生变化，使机械和温度刺激转变成电信号。"受变色乌贼皮肤的启发，我们在电子皮肤中引入了光子纳米结构，大大丰富了它的感觉能力，"牛文斌说。"除了通过电信号提供定量反馈、记录和分析刺激的变化，更复杂的信息，如刺激的位置、形状和分布，也可以通过其颜色进行视觉识别。"为了进一步推动皮肤的特性，研究人员添加了甘油单月桂酸酯（GML），一种具有强效抗菌特性的化合物，以及聚乙二醇200（PEG-200），一种工业级表面活性剂、乳化剂和洗涤剂。GML使PIskin能够杀死几乎所有的细菌和真菌，而PEG-200的低冰点意味着皮肤能够承受低温而不被冻坏，并且不太可能变干。研究人员发现，这种皮肤在恶劣的条件下表现良好，并准确地测量了应变、压力和温度。PIskin的创造为未来在可穿戴医疗设备、软体机器人、假肢和人机界面领域的应用打开了大门。这也鼓励研究人员去研究其他变色动物。"有许多耐人寻味的动物物种具有这种变色能力，"牛文斌说。"在我们接下来的工作中，我们将进一步探索乌贼以外的物种的生物结构，并开发相应的生物仿生皮肤。最终，这些皮肤可以用于可穿戴设备、互动传感和其他现实世界的应用。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1351959.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1351959.htm