麻省理工学院的微观超材料可抵御超音速撞击

麻省理工学院的微观超材料可抵御超音速撞击这就是麻省理工学院工程师在微观超材料实验中的发现--这些材料是有意打印、组装或以其他方式设计的，其微观结构赋予了材料整体特殊的性能。在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，工程师们报告了一种快速测试超材料结构阵列及其对超音速撞击的适应性的新方法。通过以超音速发射微粒子，麻省理工学院的工程师们可以测试各种超材料的弹性，这些超材料是由小到一个红血球的结构制成的。图为微粒子撞击超材料结构的四段视频截图。图片来源：研究人员提供在实验中，研究小组将印刷好的微小超材料晶格悬挂在微观支撑结构之间，然后以超音速向材料发射更微小的粒子。然后，研究小组利用高速摄像机以纳秒级的精度捕捉每次撞击及其后果的图像。他们的研究发现了一些超材料结构，与完全固态、非结构化的同类材料相比，它们更能抵御超音速撞击。研究人员说，他们在微观层面观察到的结果可以推广到类似的宏观冲击，从而预测新材料结构在不同长度尺度上如何抵御现实世界中的冲击。研究人员打印出错综复杂的蜂窝状材料，悬浮在相同材料的支撑柱之间（如图）。这种微观结构的高度相当于人类三根头发的宽度。图片来源：研究人员提供"我们正在学习的是，材料的微观结构很重要，即使在高速变形的情况下也是如此，"研究报告的作者、麻省理工学院机械工程系教授卡洛斯-波特拉（CarlosPortela）说。"我们希望找出抗冲击结构，将其制成涂层或面板，用于航天器、车辆、头盔以及任何需要轻质和保护的物体。"该研究的其他作者包括第一作者、麻省理工学院研究生托马斯-布特鲁伊尔（ThomasButruille）和DEVCOM陆军研究实验室的约书亚-克龙（JoshuaCrone）。纯粹的影响团队的新高速实验建立在之前工作的基础上，工程师们在实验中测试了一种超轻碳基材料的韧性。这种材料比人的头发丝还细，由微小的碳支柱和碳束制成，研究小组打印了这些碳支柱和碳束，并将其放置在玻璃载玻片上。然后，他们以超过音速的速度向材料发射微粒子。这些超音速实验表明，微结构材料能够承受高速撞击，有时能使微粒子偏转，有时则能捕获它们。Portela说："但有许多问题我们无法回答，因为我们是在基底上测试材料，这可能会影响它们的行为。"麻省理工学院的工程师们捕捉到了微粒子通过精确设计的超材料发射的视频，其测量厚度比人的头发丝还细。图片来源：研究人员提供在他们的新研究中，研究人员开发了一种测试独立超材料的方法，以观察材料在没有背衬或支撑基底的情况下，自身如何承受撞击。在目前的设置中，研究人员将感兴趣的超材料悬挂在两根由相同基础材料制成的微型支柱之间。根据被测试超材料的尺寸，研究人员计算出两根支柱必须相距多远，才能在两端支撑材料，同时让材料对任何冲击做出反应，而不受支柱本身的影响，这样就能确保我们测量的是材料特性，而不是结构特性。研究小组确定了支柱支撑设计后，便开始测试各种超材料架构。对于每种结构，研究人员首先在一个小型硅芯片上打印出支撑柱，然后继续打印超材料作为柱子之间的悬浮层，在一个芯片上打印和测试数百个这样的结构。穿孔和裂缝研究小组打印出的悬浮超材料类似于错综复杂的蜂巢状截面。每种材料都印有特定的三维微观结构，如重复八面体或多面体多边形的精确支架。每个重复单元的大小与一个红血球相当。由此产生的超材料比人的头发丝还要细。随后，研究人员以每秒900米（每小时2000多英里）的速度-完全在超音速范围内向这些结构发射玻璃微粒子，测试每种超材料的抗冲击能力。他们用相机捕捉了每次撞击，并逐帧研究了生成的图像，以了解射弹是如何穿透每种材料的。接下来，他们在显微镜下检查了这些材料，并比较了每次撞击的物理后果。波特拉说："在建筑材料中，我们看到了撞击后小圆柱形弹坑的形态。但在固体材料中，我们看到了许多径向裂缝和被刨出的大块材料"。总之，研究小组观察到，发射的粒子在晶格超材料上造成了小的穿孔，而材料却保持完好无损。与此相反，当以相同的速度将相同的粒子发射到质量相等的非晶格固体材料中时，它们会产生大裂缝，并迅速扩散，导致材料破碎。因此，微结构材料能更有效地抵御超音速撞击以及多重撞击。尤其是印有重复八面体的材料似乎最坚硬。意见和未来方向"在相同的速度下，我们看到八面体结构更难断裂，这意味着单位质量的超材料能够承受的冲击力是块状材料的两倍，"波特拉说。"这告诉我们，有一些结构可以使材料变得更坚硬，从而提供更好的冲击保护"。展望未来，该团队计划利用新的快速测试和分析方法来确定新的超材料设计，希望能标记出可升级为更坚固、更轻便的防护装备、服装、涂层和镶板的架构。波特拉说："最让我兴奋的是，我们可以在台式机上进行大量这些极端实验。这将大大加快我们验证新型高性能弹性材料的速度。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1420685.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1420685.htm

麻省理工学院工程师利用日本剪纸工艺制作出超强轻质结构

麻省理工学院工程师利用日本剪纸工艺制作出超强轻质结构麻省理工学院的研究人员利用日本的剪纸和折纸艺术-Kirigami，开发出了具有可调机械性能（如刚度和柔度）的超强轻质材料。这些材料可用于飞机、汽车或航天器。图片来源：研究人员提供麻省理工学院的研究人员修改了一种常见的折纸折痕图案，使波纹结构的尖点变成了刻面。这些刻面就像钻石上的刻面一样，提供了平坦的表面，可以用螺栓或铆钉更方便地将板材固定在上面。图片来源：研究人员提供麻省理工学院的研究人员利用日本古老的折纸和剪纸艺术-Kirigami，制造出了一种名为"板格"的高性能结构材料，其规模远远超过了科学家们之前通过添加剂制造所能实现的规模。这项技术使他们能够用金属或其他材料制造出具有定制形状和特别定制机械性能的这些结构。"这种材料就像钢软木。它比软木轻，但具有高强度和高刚度，"麻省理工学院比特与原子中心（CBA）负责人尼尔-格申菲尔德（NeilGershenfeld）教授说，他是有关这种方法的一篇新论文的资深作者。研究人员开发了一种模块化制造工艺，在这种工艺中，许多较小的部件被成型、折叠并组装成三维形状。利用这种方法，他们制造出了超轻、超强的结构和机器人，在特定载荷下，它们可以变形并保持形状。研究人员通过在顺应面上张紧钢丝，然后将其连接到滑轮和电机系统，从而驱动波纹结构，使其能够向任一方向弯曲。图片来源：研究人员提供由于这些结构重量轻、强度高、刚度大，而且相对容易大规模生产，因此在建筑、飞机、汽车或航空航天部件中特别有用。与格申菲尔德一起撰写论文的还有共同第一作者、CBA研究助理阿方索-帕拉-鲁比奥（AlfonsoParraRubio）和麻省理工学院电气工程与计算机科学研究生克拉拉-蒙迪洛娃（KlaraMundilova），以及CBA研究生大卫-普雷斯（DavidPreiss）和麻省理工学院计算机科学教授埃里克-德梅因（ErikD.Demaine）。该研究成果在美国机械工程师学会工程计算机与信息大会上发表。像晶格这样的结构材料经常被用作一种复合材料的核心，这种复合材料被称为三明治结构。要设想夹层结构，可以想象一下飞机机翼，在机翼上，一系列相交的对角梁构成了夹在顶部和底部面板之间的网格核心。这种桁架结构具有很高的刚度和强度，但重量却很轻。板格是由板而不是梁的三维交叉组成的蜂窝结构。这些高性能结构的强度和刚度甚至超过了桁架晶格，但由于其形状复杂，使用3D打印等普通技术制造它们具有挑战性，尤其是在大规模工程应用中。麻省理工学院的研究人员利用桐纸克服了这些制造难题，桐纸是一种通过折叠和切割纸张来制作3D形状的技术，其历史可追溯到7世纪的日本艺术家。研究人员利用他们的方法制造出了压缩强度超过62千牛顿的铝结构，但每平方米的重量仅为90千克。图片来源：研究人员提供Kirigami已被用于利用部分折叠的之字形折痕制作板格。但要制作夹层结构，必须将平板连接到波纹芯材的顶部和底部，再连接到人字形折痕形成的窄点上。这通常需要强力粘合剂或焊接技术，从而导致组装速度慢、成本高，而且难以扩大规模。麻省理工学院的研究人员修改了一种常见的折纸折痕图案，使波纹结构的尖点变成了刻面。这些刻面就像钻石上的刻面一样，提供了平整的表面，可以用螺栓或铆钉更方便地将板块固定在上面。ParraRubio说："在重量和内部结构保持不变的情况下，板晶格在强度和刚度方面优于梁晶格。通过使用双光子光刻技术进行纳米级生产，理论刚度和强度已达到H-S上限。板晶格的构建非常困难，因此在宏观尺度上的研究很少。我们认为，折叠是一条更容易利用金属制成的这种板状结构的途径。"此外，研究人员设计、折叠和切割图案的方式使他们能够调整某些机械性能，如刚度、强度和弯曲模量（材料的抗弯倾向）。他们将这些信息以及三维形状编码成折痕图，用来创建这些叽里纸波纹。例如，根据褶皱的设计方式，可以对一些细胞进行塑形，使其在压缩时保持形状，而对另一些细胞进行修改，使其弯曲。通过这种方式，研究人员可以精确控制结构的不同区域在压缩时的变形情况。由于可以控制结构的灵活性，这些波纹可用于机器人或其他具有移动、扭曲和弯曲部件的动态应用中。为了制作像机器人这样的大型结构，研究人员采用了模块化组装工艺。他们批量生产较小的折痕图案，并将其组装成超轻、超强的三维结构。较小的结构具有较少的折痕，从而简化了制造过程。研究人员利用经过改良的三浦织图案，创造出一种能产生所需形状和结构特性的折痕图案。然后，他们利用一台独特的机器--Zund切割台--切割出平整的金属板，并将其折叠成三维形状。"要制造汽车和飞机等产品，需要在模具上投入巨资。这种制造工艺不需要工具，就像3D打印一样。但与3D打印不同的是，我们的工艺可以设定记录材料特性的极限，"格申菲尔德说。利用他们的方法，他们制造出的铝结构压缩强度超过62千牛顿，但每平方米重量仅为90千克。(软木每平方米重约100千克）他们的结构非常坚固，可以承受的力是普通铝波纹的三倍。这种多用途技术可用于钢材和复合材料等多种材料，因此非常适合生产飞机、汽车或航天器的轻质减震部件。不过，研究人员发现，他们的方法可能难以建模。因此，他们计划在未来为这些叽里格米板格结构开发用户友好的CAD设计工具。此外，他们还希望探索各种方法，以降低模拟设计所需性能的计算成本。帕拉-卢比奥、蒙迪洛娃和其他麻省理工学院的研究生还利用这种技术用铝复合材料制作了三件大型折叠艺术品，并在麻省理工学院媒体实验室展出。尽管每件作品都长达数米，但这些结构的制作只用了几个小时。"归根结底，艺术作品之所以成为可能，是因为我们在论文中展示了数学和工程方面的贡献。但我们也不想忽视我们作品的美学力量，"ParraRubio说。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1384883.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1384883.htm

【波士顿联储和麻省理工学院发布OpenCBDC】

【波士顿联储和麻省理工学院发布OpenCBDC】波士顿联邦储备银行和麻省理工学院公布了汉密尔顿项目（ProjectHamilton）第一阶段的结果，汉密尔顿项目是一项专注于央行数字货币研究的合作研究工作。今天，波士顿联邦储备银行和麻省理工学院公布还在GitHub上发布了央行数字货币交易处理开源软件OpenCBDC，据悉该软件在技术上已经足够完善，可以支持在“美国这样大的国家运行通用央行数字货币”，在核心处理引擎方面，OpenCBDC处理速度超过每秒170万笔交易，“绝大多数交易”可以在两秒内完成结算。波士顿联邦储备银行和麻省理工学院表示，OpenCBDC技术具有灵活性，可以根据政策决定进行调整，在第二阶段，他们将继续研究其他技术设计，以进一步优化第一阶段技术的“强大的隐私、弹性和功能”，同时更好地阐明不同设计之间的权衡关系。

麻省理工学院革新细胞成像技术：观察活细胞内部活动的新方法

麻省理工学院革新细胞成像技术：观察活细胞内部活动的新方法活细胞会受到多种分子信号的轰击，这些信号会影响细胞的行为。如果能够测量这些信号以及细胞如何通过下游分子信号网络对这些信号做出反应，就能帮助科学家更多地了解细胞是如何工作的，包括当细胞衰老或患病时会发生什么。目前，这种全面的研究还不可能实现，因为目前的细胞成像技术仅限于同时对细胞内的少数不同分子类型进行成像。然而，麻省理工学院的研究人员开发出了一种替代方法，可以一次观察多达七种不同的分子，甚至有可能观察到比这更多的分子。分子成像技术的突破"在生物学中，有许多例子表明，一个事件会引发一长串下游事件，进而导致特定的细胞功能，"谭以骅神经技术教授爱德华-博伊登（EdwardBoyden）说。"这是如何发生的？这可以说是生物学的基本问题之一，因此我们想知道，能不能简单地观察它的发生？"新方法利用了以不同速率闪烁的绿色或红色荧光分子。通过对细胞进行数秒、数分钟或数小时的成像，然后利用计算算法提取每个荧光信号，就能跟踪每个目标蛋白质随时间变化的数量。利用四种可切换荧光团，麻省理工学院的研究人员能够标记并成像这些细胞内的四种不同激酶（前四行）。下一行中，细胞核被标记为蓝色。图片来源：研究人员提供博伊登是这项研究的资深作者，他也是麻省理工学院生物工程教授、脑与认知科学教授、霍华德-休斯医学研究所研究员、麻省理工学院麦戈文脑研究所和科赫综合癌症研究所成员，以及杨丽莎仿生学中心（K.LisaYangCenterforBionics）的联合主任。麻省理工学院博士后钱勇是论文的第一作者。荧光信号的进步用荧光蛋白标记细胞内的分子使研究人员能够大量了解许多细胞分子的功能。这类研究通常使用绿色荧光蛋白（GFP），该蛋白在20世纪90年代首次用于成像。从那时起，又开发了几种能发出其他颜色光的荧光蛋白用于实验。然而，典型的光学显微镜只能分辨出其中的两三种颜色，研究人员只能窥见细胞内发生的整体活动。如果能追踪更多的标记分子，研究人员就能测量脑细胞在学习过程中对不同神经递质的反应，或者研究促使癌细胞转移的信号。"理想情况下可以实时观察细胞内的信号波动，然后了解它们之间的关系。这将告诉我们细胞是如何计算的，"博伊登说。"问题是，无法同时观察很多东西。"2020年，博伊登的实验室开发出一种方法，通过将发光报告器瞄准细胞内的不同位置，同时对细胞内的多达五种不同分子进行成像。这种方法被称为"空间多路复用"，它能让研究人员分辨出不同分子的信号，即使它们发出的荧光颜色相同。在这项新研究中，研究人员采用了一种不同的方法：他们没有根据信号的物理位置来区分信号，而是创建了随时间变化的荧光信号。这种技术依赖于"可切换荧光团"--能以特定速率开启和关闭的荧光蛋白。在这项研究中，博伊登和他的研究小组成员确定了四种绿色可切换荧光团，然后又设计了另外两种，它们都以不同的速率开启和关闭。他们还确定了两种以不同速率开关的红色荧光蛋白，并设计了另外一种红色荧光团。每种可切换的荧光团都可以用来标记活细胞内不同类型的分子，如酶、信号蛋白或细胞骨架的一部分。在对细胞进行数分钟、数小时甚至数天的成像后，研究人员使用一种计算算法，从每种荧光团中挑选出特定信号，这类似于人耳挑选出不同频率的声音。"在交响乐团中，有长笛等高音乐器，也有大号等低音乐器。中间是小号等乐器。"博伊登说："它们都有不同的声音，而我们的耳朵会把它们分拣出来。"研究人员用来分析荧光团信号的数学技术被称为线性非混合法。这种方法可以提取不同的荧光团信号，类似于人耳使用一种称为傅立叶变换的数学模型来提取乐曲中的不同音高。分析完成后，研究人员就能看到在整个成像过程中，细胞中每个荧光标记分子出现的时间和位置。成像本身只需一台简单的光学显微镜即可完成，无需专业设备。探索生物现象在这项研究中，研究人员通过标记哺乳动物细胞中参与细胞分裂周期的六种不同分子，展示了他们的方法。这样，他们就能确定细胞周期中依赖细胞周期蛋白的激酶的水平是如何变化的。研究人员还发现，他们还能标记其他类型的激酶，这些激酶几乎涉及细胞信号传导的方方面面，还能标记细胞结构和细胞器，如细胞骨架和线粒体。除了使用在实验室培养皿中生长的哺乳动物细胞进行实验外，研究人员还证明这种技术可以在斑马鱼幼体的大脑中发挥作用。研究人员表示，这种方法有助于观察细胞如何对营养物质、免疫系统因子、激素或神经递质等任何输入做出反应。它还可以用来研究细胞如何对基因表达的变化或基因突变做出反应。所有这些因素都在生长、衰老、癌症、神经变性和记忆形成等生物现象中发挥着重要作用。博伊登说："我们可以认为所有这些现象都代表了一类普遍的生物问题，即某些短期事件--如摄入某种营养物质、学习某些知识或受到感染--会产生长期变化。"除了进行这些类型的研究，博伊登的实验室还在努力扩大可切换荧光团的范围，以便研究细胞内的更多信号。他们还希望调整该系统，使其能用于小鼠模型。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401541.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401541.htm

【英格兰银行与麻省理工学院就央行数字货币研究开展合作】

【英格兰银行与麻省理工学院就央行数字货币研究开展合作】3月26日消息，英格兰银行周五宣布，已经与麻省理工学院媒体实验室数字货币计划（简称DCI）达成协议，将共同开展为期12个月的央行数字货币（CBDC）研究项目。该银行在一份声明中说，这个新项目仅用于研究目的，并不打算开发一个可操作的CBDC。此前报道，加拿大银行上周宣布了与麻省理工学院为期一年的联合研究工作，而波士顿联储则在2020年启动了与DCI的合作。

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