受蜘蛛启发的新型表面材料可以在水下数月依然保持干燥

受蜘蛛启发的新型表面材料可以在水下数月依然保持干燥在自然界行之有效的东西往往也能为人类所用。问题在于如何利用现有工具创造出所需的生物启发材料，而这有时说起来容易做起来难。现在，由哈佛大学约翰-保尔森工程与应用科学学院（SEAS）领导的研究人员已经做到了这一点，他们从一种水栖蜘蛛身上获得灵感，开发出了一种超疏水的金属表面；也就是说，它能拒水，并能在水下保持干燥数月之久。这项研究的共同作者之一乔安娜-艾曾伯格（JoannaAizenberg）说："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有特性的新材料。这项研究体现了揭示这些原理如何能够开发出在水下保持超疏水性的表面"。Argyronetaaquatica，又称潜水钟蛛，是目前已知的唯一一种几乎完全生活在水下的蜘蛛。数以百万计的粗糙憎水绒毛能捕获身体周围的空气，形成一个氧气库，并在蜘蛛的肺部和水之间形成一道屏障。蜘蛛毛发截留的薄薄一层空气被称为"底盘"（plastron）。几十年来，研究人员已经知道，从理论上讲，创造稳定的水下底盘是可能的。然而，在实践中，制造潜水钟蜘蛛那样的粗糙表面会使表面的机械强度降低，容易受到温度和压力微小变化的影响。而且在以前的实验中，表面只能保持干燥数小时。研究人员知道，润湿性对分子水平的表面特性非常敏感，并受到表面形貌的强烈影响。因此，他们创造了一种亲气钛合金表面--即能吸引和排出空气或气体气泡的表面--并利用电化学氧化形成氧化层，同时对形成的氧化物进行化学溶解，从而产生纳米级的粗糙度。为了测试这种表面的稳定性，研究人员对其进行了弯曲、扭转、冷热水喷射以及沙子和钢材磨蚀，结果发现它仍然具有亲气性。它在水中连续浸泡了208多天（在研究报告发表时，该表面仍浸泡在水中，没有任何降解迹象），并在装满血液的培养皿中浸泡了数百次。该表面能够大大减少大肠杆菌和藤壶的生长，并能完全防止贻贝附着。该研究的第一作者亚历山大-特斯勒（AlexanderTesler）说："我们使用了一种理论家20年前提出的表征方法，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具排斥性、极其耐用的超疏水性表面，而且我们还可以用不同的材料再做一次。"研究人员说，这种表面有多种用途。它可用于生物医学设备，以减少术后感染，或防止水下管道和传感器的腐蚀。它还可以与SEAS团队10多年前开发的另一种生物启发材料一起使用，这种材料被称为滑液注入多孔表面技术（SLIPS）。这项研究的合著者斯特凡-科勒（StefanKolle）说："这种系统的稳定性、简易性和可扩展性使其在现实世界的应用中非常有价值。通过这里展示的表征方法，我们展示了一个简单的工具包，它可以让你优化超疏水表面以达到稳定性，这极大地改变了你的应用空间"。这项研究发表在《自然-材料》（NatureMaterials）杂志上，下面两段由SEAS制作的视频展示了这种新型表面如何排斥水和血液。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388171.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388171.htm

科学家设计制造了一种具有抗病毒特性但不使用任何化学品的表面

科学家设计制造了一种具有抗病毒特性但不使用任何化学品的表面URV（西班牙维尔吉利大学塔拉戈纳公立大学）和皇家墨尔本理工大学开发的创新硅钉能有效中和96%的病毒，有望使实验室和医疗机构更加安全。图为纳米结构表面上的病毒。图片来源：ACSNano研究揭示了这些程序的工作原理，其有效率高达96%。在存在潜在危险生物材料的环境中使用这种技术，将使实验室更容易控制，对在实验室工作的专业人员也更安全。刺杀病毒-这个看似并不复杂的概念需要大量的专业技术知识，但它有一个最大的优点：无需使用化学药品，就能发挥巨大的杀毒潜能。制作杀病毒表面的过程从一块光滑的金属板开始，研究人员用离子轰击金属板，让表面上布满了2纳米粗细的针头，一根头发的范围内就有3万根，高290厘米。URV物理和无机化学系研究员弗拉基米尔-鲍林（VladimirBaulin）解释说："在这种情况下，我们使用硅，因为它在技术上没有其他金属那么复杂。"这种方法对鲍林来说并不陌生，在过去的十年中，他一直在研究控制病原微生物的机械方法，其灵感来自于大自然的世界："他解释说："蜻蜓或蝉等昆虫的翅膀具有纳米结构，可以刺穿细菌和真菌。"然而，在这种情况下，病毒比细菌小一个数量级，因此针头必须相应地更小，才能对它们产生任何影响。本研究的对象hPIV-3就是一个例子，它会导致支气管炎、气管炎或肺炎等呼吸道感染。所谓的副流感病毒导致的急性呼吸道感染占所有急性呼吸道感染的三分之一，并与儿童的下呼吸道感染有关。鲍林说："除了在流行病学上是一种重要的病毒外，它还是一种可以安全处理的模式病毒，因为它不会对成年人造成潜在的致命疾病。"研究小组从理论和实践两方面分析了病毒与纳米结构表面接触后失去传染能力的过程。URV的研究人员VladimirBaulin和VassilTzanov使用有限元法--一种分割病毒表面并独立处理每个片段的计算方法来模拟病毒与针头之间的相互作用及其后果。与此同时，皇家墨尔本理工大学的研究人员还进行了实际实验分析，将病毒暴露在纳米结构表面并观察结果。研究结果表明，这种方法非常有效，能在6小时内使接触表面的96%的病毒丧失能力。研究证实，表面之所以具有杀毒效果，是因为针头能够通过破坏病毒的外部结构或刺穿病毒膜来消灭病毒或使其丧失能力。在实验室或医疗中心等存在潜在危险生物材料的风险环境中使用这种技术，可以更容易地控制传染病，使这些环境对研究人员、医务工作者和病人更加安全。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1418297.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1418297.htm

物理学家发现一种作用于在超疏水表面上运动的水滴的新力

物理学家发现一种作用于在超疏水表面上运动的水滴的新力物理学助理教授MatildaBackholm的独特微吸管力传感器技术可探测超疏水材料与水滴之间的微小作用力。资料来源：MatildaBackholm/阿尔托大学在一种名为黑硅的材料表面，微小的鸿沟形成了一片锥形锯齿状山峰。黑硅通常用于太阳能电池技术，同时也是研究水滴行为物理学的工具。黑硅是一种超疏水材料，这意味着它能排斥水。由于水具有独特的表面张力特性，水滴在黑硅等纹理材料上滑行时，会附着在下面的空气薄膜间隙上。当水滴缓慢移动时，这种方法非常奏效--水滴在滑动过程中毫无阻碍。但是，当液滴移动得更快时，某种未知的力量似乎会拉扯它的底部。这让物理学家们感到困惑，但现在来自阿尔托大学和巴黎ESPCI的一组研究人员给出了解释，而且他们还得到了相关数据的支持。阿尔托大学助理教授玛蒂尔达-巴克霍尔姆（MatildaBackholm）是这篇论文的第一作者，该论文详细介绍了这些发现，并于4月15日发表在《美国国家科学院院刊》（ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences）上。她是在应用物理系罗宾-拉斯（RobinRas）教授的软物质和润湿小组担任博士后研究员期间完成这项研究的。阿尔托大学研究小组对空气剪切力的解决方案是在黑色硅表面建立支柱，然后将其蚀刻成具有类似纹理的帽盖。资料来源：MajaVuckovac/阿尔托大学"在观察水与表面的相互作用时，通常有三种力在起作用：接触线摩擦力、粘性损失和空气阻力。然而，水滴在黑硅等高滑表面上的运动会产生第四种力。这种运动实际上会对下面的空气产生剪切作用，从而对液滴本身产生类似阻力的作用。这种剪切力以前从未被解释过，我们是第一个发现它的人，"Backholm说。流体物理学和软物质物理学的相互作用十分复杂，要将其简化为简单的公式具有挑战性。但是，Backholm成功地开发出了测量这些微小力的技术，解释了这些力的作用原理，并最终提供了完全消除阻力的解决方案。空气剪切效应创造出更好的超疏水表面将使世界上的运输系统更符合空气动力学，医疗设备更能保持无菌，并普遍提高任何需要憎液表面的滑爽性。黑硅利用水的特定表面张力，最大限度地减少水滴与表面的接触。蚀刻在基底上的圆锥体使水滴在空气薄膜间隙上滑行，这种间隙被称为Plastron。但与直觉相反的是，使疏水表面偏转水滴的机制也导致了Backholm论文中概述的剪切效应。用微吸管力传感器探测水滴。图片来源：MatildaBackholm/阿尔托大学"这个领域一直在制造超滑表面，通过缩小锥体的长度尺度使其更小更多，但没有人停下来意识到，嘿！我们实际上是在和自己作对。"Backholm说："实际上，在黑硅表面蚀刻更短的锥体会产生更大的空气剪切效应。"其他研究人员也注意到了这种力的存在，但却无法解释。Backholm的发现促使人们重新考虑超滑表面的设计方式。她的团队采取的变通方法是在黑硅表面上增加带有纹理帽的高锥体，以进一步减小液滴的总接触表面积。"这项工作建立在软物质和润湿研究小组关于超疏水表面的丰富专业知识基础之上。Ras说："很少有机会能完全解释润湿动力学所涉及的微观作用力的微妙之处，但这篇论文恰恰做到了这一点。"专业测量技术Backholm采用了一种独特的微吸管测量技术来测量作用在水滴上的力。她是这些微吸管力传感器方面的专家，曾用它们测量过植物根系的生长动态、中观虾群的游动行为，现在又用它们来观察移动水滴中的力。通过艰苦的微调，她利用这一技术在确定剪切效应方面取得了突破性进展。Backholm对液滴和探针进行摆动，以探测下方微妙的拉扯力。"我们还通过对碳酸液滴进行同样的测试，排除了接触线存在其他作用力的可能性。这些液滴不断释放出二氧化碳，使其悬浮在所处表面的上方。"Backholm说："即便如此，我们还是在一定速度下测得了剪切效应，最终证实这种力的作用与它与黑硅表面的接触无关。"Backholm预计这些发现将进一步帮助物理学家和工程师开发出性能更好的疏水表面，他现在领导着应用物理系的生命物质研究小组。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427765.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427765.htm

新型粘合剂可按需生效 甚至可在水下切换状态

新型粘合剂可按需生效甚至可在水下切换状态设计粘合剂意味着要平衡两种相互冲突的特性--粘合的好坏和分离的难易程度。显然，提高其中一项通常会牺牲另一项。理想的胶水应该是在使用过程中保持牢固，但在出现错误或产品不再有用时又能按需释放。现在，日本国立材料科学研究所（NIMS）的科学家们开发出了一种可以做到这一点的粘合剂。其中的关键成分是咖啡酸，它可以在不同波长的光线下形成和破坏交联。在这种情况下，研究小组制作了一种含有咖啡酸的聚合物，将其涂在表面上，然后将其暴露在波长为365纳米（nm）的紫外线下。这样就能将其固化成一层坚固的薄膜，在室温下保持牢固，剪切粘附强度高达7.2兆帕。当不再需要这种粘附力时，可将薄膜暴露在254纳米紫外线下，紫外线会破坏交联，使其恢复原状。这样，它就不会在表面上留下任何残留物，也不会失去任何粘合特性，基本上可以像新的一样重复使用。研究人员对这种粘合剂进行了一系列测试，包括反复弯曲样品和举起40千克（88磅）重物。在其他测试中，他们用这种粘合剂修复破裂的硅管，然后用高压水冲洗硅管，没有发现任何泄漏。在后续测试中，研究小组证明它甚至可以在水下使用。在粘合剂中嵌入了磁性纳米粒子，当施加磁场时，磁性纳米粒子就会升温，从而将粘合剂与基底融为一体。研究小组说，这种材料的应用范围很广，可以让产品在使用寿命结束后更容易地拆卸成部件，并转化成新产品。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/1374539.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374539.htm

AI协助设计一种透明的窗户涂料 可在不使用能源的情况下冷却建筑物

AI协助设计一种透明的窗户涂料可在不使用能源的情况下冷却建筑物这种窗膜（左上角用手指拿着）通过允许可见光进入，同时反射不可见的红外线和紫外线，并将热量辐射到外太空，使房间保持明亮和凉爽。资料来源：改编自ACS能源通讯2022，DOI:10.1021/acsenergylett.2c01969根据以前的研究估计，冷却占全球能源消耗的15%左右。这种需求可以通过一种能够阻挡太阳紫外线和近红外光的窗户涂层来降低。这些是太阳光谱中人类不可见的部分，但它们通常通过玻璃来加热一个封闭的房间。如果涂层以穿过大气层进入外层空间的波长从窗户表面辐射热量，能源的使用甚至可以进一步减少。然而，很难设计出能同时满足这些标准的材料，同时还能传输可见光，这是需要的，这样它们就不会干扰视线了。EungkyuLee、TengfeiLuo及其同事着手设计一种"透明辐射冷却器"（TRC），它可以做到这一点。该团队用AI构建了计算机模型，TRCs由普通材料（如二氧化硅、氮化硅、氧化铝或二氧化钛）在玻璃底座上交替形成的薄层组成，上面有一层聚二甲基硅氧烷薄膜。他们使用机器学习和量子计算指导的迭代方法来优化层的类型、顺序和组合，量子计算使用亚原子粒子来存储数据。这种计算方法比传统计算机更快、更好地进行优化，因为它可以在几分之一秒内有效地测试所有可能的组合。这产生了一种涂层设计，在制造时，除了市场上最好的商业减热玻璃之一外，还击败了传统设计的TRC的性能。研究人员说，在炎热、干燥的城市，与传统窗户相比，优化的TRC可能会减少31%的冷却能源消耗。他们指出，他们的发现可以应用于其他领域，因为TRC也可以用在汽车和卡车的窗户上。此外，该小组的量子计算支持的优化技术可用于设计其他类型的复合材料。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1331631.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1331631.htm

研究人员发明一种新的、更好的海水脱盐方式

研究人员发明一种新的、更好的海水脱盐方式领导这项研究的YuHan说："水淡化膜应该同时表现出高水流量和高盐分排斥。碳纳米材料，如碳纳米管和石墨烯，预计可以满足这些要求，因为它们具有独特的表面化学特性，并倾向于堆积成直径小于一纳米的通道。然而，通道排列和堆叠的挑战阻碍了它们在膜中的大规模使用。"KAUST的研究人员开发了一种膜（如上图），在正向和反向渗透配置中具有出色的水淡化性能。"解决这些限制的一种方法是通过二维多孔碳质膜，它具有规则和均匀分布的亚纳米大小的分子传输通道，"第一作者、Han小组的博士后JieShen说。然而，这些膜通常是在溶液中合成的，这促进了无序的三维结构的随机生长，其微孔定义不清。YuHan、VincentTung、IngoPinnau和LanceLi（前KAUST研究员，现在隶属于香港大学）利用化学气相沉积技术，开发了一种有助于控制二维共轭聚合物框架生长为超薄碳膜的技术。研究科学家CaiYichen和团队现在正致力于改善该膜的防污性能、机械强度和长期化学稳定性，以备将来实际应用。研究人员在作为催化剂的有机碱的存在下，将单体三乙炔苯沉积在原子平坦的单晶铜基底上。三乙炔苯带有三个反应性基团，作为额外单体的锚点。这些基团相互之间呈现120度角，产生了有组织的阵列式的明确的环状结构，堆积成亚纳米级的菱形疏水通道。该膜在正向和反向渗透配置中显示出优异的水淡化性能，超过了含有碳纳米管和石墨烯等先进材料的膜。它还显示了对二价离子以及小型带电和中性分子的强烈排斥。ShenJie博士后是该论文的第一作者，该论文发表在《自然材料》上。研究人员发现，水分子在膜内形成了一个三维网络，而不是像一维链一样沿着垂直三角通道在膜内移动。这解释了水在膜上的快速运输。Han说："这个出乎意料的结果显示，看似不连续的垂直通道实际上是由短的水平通道相互连接的，在预测的结构模型中很容易被忽略。"该团队现在正致力于改善该膜的防污性能、机械强度和长期化学稳定性，以备将来实际应用。他们还在对其表面电荷特性和通道尺寸进行微调。"我们的最终目标是提供一个多功能的平台，以满足各种应用的需要，如离子筛分、单分子传感和神经接口，"Han说。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1332801.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1332801.htm