科学家开发出新型"液滴"电池 为集成到人体组织中的微型设备做好准备

科学家开发出新型"液滴"电池为集成到人体组织中的微型设备做好准备为了解决这个问题，牛津大学化学系的研究人员开发出了一种微型电源，能够改变培养的人类神经细胞的活性。受电鳗发电方式的启发，该装置利用内部离子梯度产生能量。这种微型软电源是通过沉积由五个纳升大小的导电水凝胶液滴（一种含有大量吸收水的聚合物链的三维网络）组成的链而产生的。每个液滴都有不同的成分，从而在整个链上形成盐浓度梯度。液滴与相邻液滴之间由脂质双分子层隔开，脂质双分子层提供机械支撑，同时防止离子在液滴之间流动。通过将结构冷却到4°C并改变周围介质来开启电源：这会破坏脂质双分子层，使液滴形成连续的水凝胶。这样，离子就能通过导电水凝胶，从两端的高盐液滴移动到中间的低盐液滴。将末端液滴连接到电极上，离子梯度释放的能量就会转化为电能，从而使水凝胶结构成为外部元件的电源。在研究中，活化液滴电源产生的电流可持续30分钟以上。由50纳升液滴组成的装置的最大输出功率约为65纳瓦（nW）。这些装置在储存36小时后仍能产生类似的电流。左图：液滴动力源的放大版，用于可视化。500nL体积的液滴被封装在柔性可压缩有机凝胶中。比例尺：10毫米。右图：由50nL液滴组成的标准尺寸液滴动力源放大图。比例尺：500μm500微米。图片来源：YujiaZhang水凝胶液滴动力装置的激活过程。左图：电池激活前，绝缘脂阻止液滴之间的离子流动。右图：电源通过热凝胶化过程激活，使脂质双分子层破裂。离子随后通过导电水凝胶，从两端的高盐液滴移动到中间的低盐液滴。银/氯化银电极用于测量电输出。图片来源：YujiaZhang。研究小组随后演示了如何将活细胞附着在装置的一端，使其活动直接受离子电流调节。研究小组将该装置连接到含有人类神经祖细胞的液滴上，这些细胞已用荧光染料染色，以显示它们的活性。接通电源后，延时记录显示，在局部离子电流的诱导下，神经元中出现了细胞间钙信号波。该研究的首席研究员张雨佳博士（牛津大学化学系）说："微型软电源代表了生物集成设备的一个突破。通过利用离子梯度，我们开发出了一种微型、生物兼容的系统，可在微观尺度上调节细胞和组织，这为生物和医学领域的应用开辟了广阔的前景。"据研究人员称，该装置的模块化设计允许将多个单元组合在一起，以增加产生的电压和/或电流。这将为下一代可穿戴设备、生物混合界面、植入物、合成组织和微型机器人提供动力。通过将20个五液滴单元串联起来，他们能够照亮一个发光二极管，而这需要大约2伏特的电压。他们设想，通过使用液滴打印机等方式实现设备的自动化生产，可以生产出由数千个动力单元组成的液滴网络。这项研究的小组负责人哈根-贝利教授（牛津大学化学系）说："这项工作解决了一个重要问题，即如何将软性生物兼容设备产生的刺激与活细胞结合起来。这对包括生物混合界面、植入物和微型机器人在内的设备具有重大潜在影响。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1381201.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1381201.htm

科学家开发出突破性微型光纤激光器 更锐利、更小巧、更智能

科学家开发出突破性微型光纤激光器更锐利、更小巧、更智能基于氮化硅光子集成电路的全封装混合集成铒激光器的光学图像，可提供光纤激光器相干性和以前无法实现的频率可调谐性。资料来源：AndreaBancora和YangLiu（洛桑联邦理工学院）光纤激光器使用掺杂稀土元素（铒、镱、钕等）的光纤作为光增益源（产生激光的部分）。光纤激光器能发出高质量的光束，输出功率高，效率高，维护成本低，经久耐用，而且体积通常比气体激光器小。光纤激光器也是低相位噪声的"黄金标准"，这意味着它们的光束可以长期保持稳定。尽管如此，人们对芯片级光纤激光器微型化的需求仍在不断增长。基于铒的光纤激光器尤其令人感兴趣，因为它们符合保持激光器高相干性和稳定性的所有要求。但是，要实现光纤激光器的微型化，就必须在小尺度上保持其性能。现在，EPFL的刘洋博士和TobiasKippenberg教授领导的科学家们制造出了首台芯片集成的掺铒波导激光器，其性能接近光纤激光器，将宽波长可调谐性与芯片级光子集成的实用性相结合。这一突破发表在《自然-光子学》（NaturePhotonics）上。制造芯片级激光器研究人员采用最先进的制造工艺开发出了芯片级铒激光器。他们首先在超低损耗氮化硅光子集成电路的基础上构建了一个一米长的片上光腔（一组提供光反馈的反射镜）。刘博士说："尽管芯片尺寸小巧，但我们却能将激光腔设计成米级长度，这要归功于这些微oring谐振器的集成，它们能在不增大设备物理尺寸的情况下有效延长光路。"然后，研究小组在电路中植入高浓度铒离子，选择性地产生激光所需的有源增益介质。最后，他们将电路与III-V族半导体泵浦激光器集成，以激发铒离子，使其发光并产生激光束。基于掺铒光子集成电路的混合集成激光器的光学图像，该激光器具有光纤激光相干性和以前无法实现的频率可调谐性。资料来源：YangLiu（洛桑联邦理工学院）为了完善激光器的性能并实现精确的波长控制，研究人员设计了一种创新的腔内设计，其特点是基于微孔的Vernier过滤器，这是一种可以选择特定光频的光学过滤器。滤波器可在很大范围内对激光波长进行动态调整，从而使其在各种应用中都能发挥作用。这种设计支持稳定的单模激光，其内在线宽仅为50Hz，非常窄，令人印象深刻。它还具有显著的边模抑制功能--激光器能够以单一、稳定的频率发光，同时将其他频率（"边模"）的强度降至最低。这确保了高精度应用在整个光谱范围内的"干净"和稳定输出。这种芯片级铒光纤激光器的输出功率超过10mW，边模抑制比超过70dB，性能优于许多传统系统。它还具有非常窄的线宽，这意味着它发出的光非常纯净和稳定，这对于传感、陀螺仪、激光雷达和光学频率计量等相干应用非常重要。基于微光的Vernier滤波器使激光器在C波段和L波段（用于电信的波长范围）内具有40nm的宽波长可调谐性，在调谐和低光谱尖刺指标（"尖刺"是不需要的频率）方面都超越了传统光纤激光器，同时与当前的半导体制造工艺保持兼容。将铒光纤激光器微型化并集成到芯片级设备中可降低其总体成本，使其可用于电信、医疗诊断和消费电子等领域的便携式高度集成系统。它还可以缩小光学技术在其他各种应用中的规模，如激光雷达、微波光子学、光频合成和自由空间通信。"这种新型掺铒集成激光器的应用领域几乎是无限的，"Liu说。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434644.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434644.htm

科学家开发出不易引发火灾的液体燃料 只可通过电流引燃

科学家开发出不易引发火灾的液体燃料只可通过电流引燃加州大学河滨分校的工程师们创造了一种独特的液体燃料，这种燃料只可通过电流点燃，消除了意外起火的风险，从而提高了安全性。这种创新燃料以改性离子液体为基础，能够实现可控燃烧，并有可能彻底改变车辆安全状况，但还需要进一步的研究和成本考量。消防员在加油站灭火。资料来源：ThomasHawk"我们通常使用的燃料不是很安全。它蒸发后可能点燃，很难阻止这种情况发生，"UCR化学工程博士生、一篇关于这种燃料的新论文的合著者王宇杰说。"当燃料燃烧时，燃烧的并不是液体本身。相反，是徘徊在液体上方的挥发性燃料分子在接触氧气和火焰时被点燃。移除氧气源可以熄灭火焰，但这在发动机外很难做到。如果你把火柴扔进地上的汽油池，燃烧的是汽油的蒸汽。你可以闻到这种蒸汽的气味，马上就知道它是易挥发的，如果你能控制蒸汽，就能控制燃料是否燃烧"。《美国化学学会杂志》的这篇论文介绍了该团队是如何创造出这种燃料的，更多的技术细节也包含在他们申请的专利中。新型燃料的基础是离子液体，这是一种液化盐。王说："它类似于我们用来给食物调味的盐，即氯化钠。我们在这个项目中使用的这种盐的熔点比食盐低，蒸气压低，而且是有机的。"进入实验室后，研究小组修改了离子液体的配方，用高氯酸盐代替了氯。然后，他们用打火机点燃液体，普通打火机的温度已经够高了，如果要燃烧，它就会燃烧。接下来，研究小组尝试施加电压，然后用打火机火焰点燃，结果真的点燃了，而一旦关闭电流，火焰就消失了，随后能够一遍又一遍地重复这个过程--施加电压、看到烟雾、点燃烟雾使其燃烧，然后关闭电流，等于给燃料安装了一个快速启动和停止的系统。离子液体点燃和熄灭火焰过程示意图。资料来源：美国化学学会向液体中添加更多电压可产生更大的火焰，输出更多能量。因此，这种方法也可以像发动机中的计量或节流系统一样发挥作用。加州大学洛杉矶分校化学工程杰出教授、论文通讯作者迈克尔-扎卡里亚（MichaelZachariah）说："可以用这种方法测量燃烧情况，切断电压的作用就像死人开关--一种在操作员丧失能力时自动关闭机器的安全功能。"理论上，离子液体燃料可用于任何类型的车辆。不过，在实现商业化之前，仍有一些问题需要解答。这种燃料需要在各种类型的发动机中进行测试，其效率也需要确定。"离子液体的一个有趣特性是，它可以与传统燃料混合，但仍能保持其本身的性能。"扎卡里亚说："但还需要进行更多的研究，以了解可以混合多少比例的离子液体，并使其不易燃。"尽管对这种液体的研究还有许多方面需要进一步深入，但研究小组还是很高兴能够制造出一种安全的燃料，避免意外的、意外的火灾。"这肯定会比目前生产燃料的方式更昂贵。这些化合物通常不是批量生产的，但如果批量生产，成本就会降低，"扎卡里亚说。"竞争力有多大？我不知道。但如果安全很重要，这就是其中的一个主要方面。如果生产出安全的产品，就会带来超出底线的好处。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399927.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399927.htm

单原子催化：科学家发现钯对抗甲烷污染的能力

单原子催化：科学家发现钯对抗甲烷污染的能力在最近的一项研究中，使用单个或仅有几个钯原子的催化剂可在低温条件下去除天然气发动机废气中90%未燃烧的甲烷。虽然还需要进行更多的研究，但单个原子催化技术的进步有可能降低甲烷的尾气排放，甲烷是最有害的温室气体之一，其捕获热量的速度约为二氧化碳的25倍。华盛顿州立大学和SLAC国家加速器实验室的研究工作在《自然-催化》杂志上报告说，单原子催化剂能够在较低温度（低于350摄氏度（662华氏度））下清除发动机尾气中的甲烷，同时在较高温度下保持反应稳定性。西悉尼大学吉恩和琳达-沃兰德化学工程与生物工程学院摄政教授、论文通讯作者王勇说："这几乎是一个自我调节的过程，它奇迹般地克服了人们一直面临的挑战--低温不活跃和高温不稳定。"全球约有3000万至4000万辆汽车使用天然气发动机，在欧洲和亚洲很受欢迎。天然气工业也使用天然气发动机运行压缩机，将天然气泵送到居民家中。一般认为，天然气发动机比汽油或柴油发动机更清洁，产生的碳和微粒污染更少。然而，当这些天然气发动机启动时，它们会排放出未燃烧的、捕获热量的甲烷，因为它们的催化转换器在低温下不能很好地工作。去除甲烷的催化剂要么在较低的排气温度下效率低下，要么在较高的温度下严重降解。"现在人们都在大力推广使用天然气，但当将天然气用于内燃机时，尾气中总会有未燃烧的天然气，你必须想办法将其去除。如果不这样做，就会导致更严重的全球变暖，"合著者、SLAC国家加速器实验室的科学家弗兰克-阿比尔德-佩德森（FrankAbild-Pedersen）说。"如果能从废气中去除90%的甲烷，并保持反应稳定，那就太了不起了"。王勇补充说，活性金属单独分散在载体上的单原子催化剂还能利用昂贵的贵金属的每个原子。如果能让它们更具活性，那就更是锦上添花了。在他们的工作中，研究人员能够证明，他们用氧化铈载体上的单个钯原子制成的催化剂能够有效去除发动机废气中的甲烷，即使发动机刚刚启动时也是如此。他们发现，发动机尾气中始终存在的微量一氧化碳在室温下动态形成反应活性位点方面发挥了关键作用。一氧化碳帮助钯的单原子迁移，形成双原子或三原子簇，从而在低温下有效地分解甲烷分子。然后，随着排气温度的升高，亚纳米级的簇重新分散为单个原子，从而使催化剂具有热稳定性。这一可逆过程使催化剂能够有效工作，并在发动机运行的整个过程中（包括冷启动时）利用每一个钯原子。克里斯托弗-塔索内（ChristopherTassone）是SLAC国家加速器实验室的一名科学家，也是这篇论文的共同作者，他对研究小组保持钯催化剂稳定和高活性的能力大加赞赏，并将其归功于研究小组的各种专业知识。他说："我们确实能够找到一种方法来保持支撑钯催化剂的稳定和高活性，而且由于整个团队拥有不同的专业知识，我们能够理解为什么会出现这种情况。"虽然研究人员试图进一步改进催化剂技术，并更好地理解钯与铂等其他贵金属表现不同的原因，但他们承认，这项研究距离应用于汽车还有一定距离。不过，他们正在与行业合作伙伴和太平洋西北国家实验室合作，以推动这项技术更接近商业化。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374893.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374893.htm

科学家开发出阻止癌症生长的新方法 挑战现有范式

科学家开发出阻止癌症生长的新方法挑战现有范式凯斯西储大学的生物化学家们正在集中研究一种驱动癌症的关键蛋白质的降解问题；这是研究领域的一个重大转变。这种蛋白质就是LSD1（赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶1A），它在人体细胞内起着交通警察的作用。它在胚胎发育过程中控制基因活动，并在整个生命过程中调节基因表达。近年来，科学家们还发现，LSD1的过度表达--例如产生过多的蛋白质--会导致癌症和心脏病的发生。最近，一些研究人员希望通过阻止LSDI的催化活性来减缓癌症的生长--LSDI的化学反应会刺激细胞生长，但似乎也会导致其过度表达。但生物化学助理教授曹开祥正带领一个团队挑战这一假设：医学院的研究人员认为，他们可以通过降解整个LSD1蛋白，而不仅仅是短路导致其过度表达的化学反应，来取得更大的成功，从而减缓或阻止干细胞中癌症的生长。他们的研究最近发表在《自然-通讯》（NatureCommunications）杂志上。曾诚艾玛莉-库克（EmmaleeCooke）曹说："我们需要一种真正精确有效的方法来靶向这些蛋白质，我们的研究表明，停止催化可能在15%的情况下有效（阻止过度表达），而我们的方法接近80%。因此，如果我们能开发出一种LSD1的降解剂，我们就能帮助病人减少治疗的次数--即使我们不能完全治愈癌症"。他和他的团队对LSD1主要以催化无关的方式发挥作用感到惊讶，但既然他们已经为研究界提供了"理论基础，这将是治疗这些疾病的更有效方法"，他们将开始进一步测试，首先在癌症组织中测试，然后是动物模型，最终是人体试验。他说："这就是未来--加入降解剂，就能完全杀死蛋白质。这项技术已经存在，因为其他研究人员已经对其他蛋白质进行过研究，但还没有对LSD1进行过研究。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401491.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401491.htm

科学家创造出世界上最小、最轻、最快的全功能微型水黾机器人

科学家创造出世界上最小、最轻、最快的全功能微型水黾机器人华盛顿州立大学的研究人员开发出了体积最小、速度最快的微型机器人，有望改变从人工授粉到外科手术的各个领域。这些机器人利用形状记忆合金进行运动，比以前的型号明显更轻、更快，通过模仿自然界昆虫的行为，有望实现更高的自主性和效率。图片来源：西悉尼大学图片社速度和微型化方面的突破机械与材料工程学院的博士生、这项研究的第一作者康纳-特里格斯塔德（ConorTrygstad）说："与这种规模的其他微型机器人相比，这是非常快的速度，尽管它仍然落后于它们的生物亲戚。一只蚂蚁通常重达五毫克，移动速度可达每秒近一米。"微型机器人的关键在于使机器人移动的微型致动器。特里格斯塔德利用一种新的制造技术，将致动器微型化到不足一毫克，这是目前已知最小的致动器。一个西悉尼大学创造的机器人被放在一个25美分硬币旁边，以显示其大小。资料来源：西悉尼大学领导该项目的西悉尼大学机械与材料工程学院工程学副教授NéstorO.Pérez-Arancibia说："这些致动器是迄今为止为微型机器人开发的最小、最快的致动器。"先进的致动器技术致动器使用一种称为形状记忆合金的材料，这种材料在加热时能够改变形状。之所以称之为"形状记忆"，是因为它能记住并恢复到原来的形状。与移动机器人的典型电机不同，这些合金没有任何活动部件或旋转组件。Trygstad说："它们的机械性能非常好，轻型致动器的开发开辟了微型机器人技术的新领域。"形状记忆合金一般不用于大规模机器人运动，因为它们的速度太慢。但在西悉尼大学的机器人中，执行器是由两根直径为1/1000英寸的微小形状记忆合金线制成的。只需少量电流，这些金属丝就能轻松加热和冷却，使机器人能够以每秒40次的速度扇动鳍或移动脚。在初步测试中，致动器还能举起超过自身重量150倍的物体。与其他用于使机器人移动的技术相比，SMA技术也只需要极少量的电力或热量就能使机器人移动。未来方向与改进Trygstad说："SMA系统对供电系统的要求要低得多。"他是一名狂热的钓鱼爱好者，长期以来一直在观察水黾，并希望进一步研究它们的动作。虽然西悉尼大学的水黾机器人是用扁平的拍打动作来移动自己，但自然界的昆虫会用腿做更有效率的划船动作，这也是真正的昆虫能移动得更快的原因之一。研究人员希望模仿另一种昆虫，开发出一种既能在水面上也能在水面下移动的水黾型机器人。他们还在努力利用微型电池或催化燃烧技术，使机器人完全自主，不受电源束缚。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1419851.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1419851.htm