环保技术新突破：科学家利用植物纤维素制成新型聚合物

环保技术新突破：科学家利用植物纤维素制成新型聚合物科学家们设计出了一种利用纤维素生产可回收且稳定的聚合物的方法，为传统塑料提供了一种可持续的替代品。这一研究成果为生产环保材料提供了新的可能性。上图为本研究开发的新型可回收聚合物制成的透明薄膜。资料来源：FengLi他们开发出了一种方便、多用途的方法，利用从植物纤维素中提取的化学物质制造各种聚合物；最重要的是，这些聚合物可以完全回收利用。该方法发表在《ACSMacroLetters》杂志上。纤维素是植物生物质中最丰富的成分之一，是所有植物细胞周围坚韧细胞壁的关键部分。纤维素很容易从稻草和锯末等植物废料中获取，因此，将纤维素用作聚合物生产的原料不会减少用于粮食生产的农业用地。纤维素是一种长链多糖聚合物，即由多个糖基（特别是葡萄糖）通过化学键连接而成。为了制造新型聚合物，北海道研究小组使用了两种市售的小分子，即由纤维素制成的左旋葡糖烯酮（LGO）和二氢左旋葡糖烯酮（Cyrene）。他们开发了新颖的化学工艺，将LGO和Cyrene转化为各种非天然多糖聚合物。通过改变聚合物的精确化学结构，可以生成不同的材料，用于各种可能的应用。"我们面临的最大挑战是控制将较小单体分子连接在一起的聚合反应，以及获得对普通应用足够稳定的多糖材料，同时还能在特定化学条件下被分解和回收。"左起研究小组的佐藤俊文、水上雄太、李锋和矶野拓也。图片来源：李锋李补充说，研究过程中最大的惊喜是他们制作的聚合物薄膜具有很高的透明度，这对于这些聚合物似乎最适合的专业应用来说可能至关重要。另一位通讯作者ToshifumiSatoh教授补充说：由于这些材料相当坚硬，可能难以用作塑料袋等柔性塑料材料，因此我认为它们更适合用作光学、电子和生物医学应用领域的高性能材料。世界各地的其他研究小组也在探索用植物制造塑料替代聚合物的潜力，其中一些"生物塑料"已经可以在市场上买到，但佐藤的研究小组为这一快速发展的领域增添了一个重要的新机会。研究小组现在计划探索更多的可能性，但可行的结构变化非常多，因此他们希望与计算化学、人工智能和自动合成方面的专家联手探索这些选择。"我们希望这项工作能开发出多种有用的非天然多糖聚合物，使其成为从生物质到高效回收的可持续合成闭环的一部分。"编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424673.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424673.htm

科学家在聚合物半导体中的新发现：改变非手性聚合物以产生手性结构

科学家在聚合物半导体中的新发现：改变非手性聚合物以产生手性结构伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的化学家们领导的一项新研究为半导体材料的开发带来了新的视角，这种材料可以做到传统硅材料所做不到的事情--利用手性的力量（一种不可叠加的镜像）。手性是自然界用来构建复杂结构的策略之一，DNA双螺旋可能是最著名的例子--由分子"骨架"连接并向右扭曲的两条分子链。在自然界中，手性分子（如蛋白质）通过选择性地传输相同自旋方向的电子，可以非常有效地输送电能。模仿自然界手性的研究几十年来，研究人员一直致力于在合成分子中模仿自然界的手性。由化学与生物分子化学教授刁颖领导的一项新研究调查了对一种名为DPP-T4的非手性聚合物进行各种改性后在聚合物基半导体材料中形成手性螺旋结构的效果。潜在的应用包括像树叶一样发挥作用的太阳能电池、利用电子量子态更高效计算的计算机以及捕捉三维而非二维信息的新型成像技术等。一张光学显微照片显示了一种聚合物的手性液晶相，研究人员正在探索利用这种聚合物生产高效半导体材料。图片来源：YingDiao实验室提供研究结果发表在《美国化学学会中心科学》（ACSCentralScience）杂志上。研究结果和实验Diao说："我们一开始认为，对DPP-T4分子的结构进行细微调整--通过添加或改变与骨架相连的原子来实现--将改变结构的扭转或扭曲，并诱发手性。然而，我们很快发现事情并非如此简单。"利用X射线散射和想象，研究小组发现，他们的"轻微调整"导致了材料相位的重大变化。"我们观察到的是一种金发姑娘效应，"Diao说。"通常情况下，分子会像扭曲的金属丝一样聚集在一起，但突然间，当我们把分子扭转到临界扭力时，它们开始以平板或薄片的形式聚集成新的介相。通过测试这些结构弯曲偏振光的能力--这是对手性的测试--我们惊讶地发现，这些薄片也能扭曲成内聚的手性结构。"研究小组的发现揭示了一个事实，即并非所有聚合物在模仿手性结构中的高效电子传输时都会表现出类似的行为。研究报告指出，至关重要的是，不要忽视为发现未知相而形成的复杂介相结构，这些介相结构可带来前所未有的光学、电子和机械特性。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398365.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398365.htm

科学家开发新汗液传感器 使用“分子印记聚合物”检测更多的代谢物

科学家开发新汗液传感器使用“分子印记聚合物”检测更多的代谢物尽管现在有一些皮肤穿戴式传感器可以识别汗液中的代谢物，但该技术在检测内容上是有限的，而且这些传感器通常不能重复使用。然而，一种新的传感器利用一种“分子印记聚合物”，使其更加有用。该实验装置是由加州理工学院（Caltech）的一个团队开发的，由高伟副教授领导。此前，高伟和他的团队创造了嵌入酶或抗体的传感器，这些酶或抗体与佩戴者汗液中的特定代谢物化学品发生反应。除其他事项外，某些此类化学品的异常高或低水平可以表明需要治疗的特定疾病。但不幸的是，这些酶只能检测到相对较少的代谢物。抗体的用途更广一些，但它们只能使用一次。为了寻求一种性能更好的替代品，研究人员设计了一种传感器，它包含了一种聚合物薄膜，当它与汗水接触时产生电流。重要的是，在该薄膜和皮肤之间形成的一层是经过分子印记的第二种聚合物。压印过程包括在聚合物中嵌入目标代谢物的分子，而它仍处于液体状态，允许聚合物凝固成类似橡胶的稠度，然后使用一种化学过程将分子从其中移除。所产生的是一个包含微小模塑孔的聚合物片，其大小和形状与分子完全一致。当汗水与该聚合物接触时--如果汗水中很少或没有代谢物--液体就会流过大部分开放的小孔，当它到达下面的其他聚合物时就会产生强烈的电流。然而，如果汗液中存在高水平的代谢物，这些分子将堵塞许多孔。这意味着没有那么多的汗液能够通过，所以会产生较弱的电流。因此，通过监测传感器产生的电信号，可以测量佩戴者汗液中目标代谢物的浓度--汗液中的浓度通常与血液中的浓度一致。施加微弱的电流随后会破坏堵塞孔洞的分子，从而使传感器能够被重新使用。该传感器最初确实在皮肤上施加了自己的小电流，以刺激汗液分泌。然而，由于其微流体设计只需要极少量的汗液，因此电流非常微弱，据说不会让佩戴者感到不舒服。它已经在实验室中对志愿者进行了测试，并应很快成为更大规模临床试验的对象。“这种方法使我们能够检测到一堆新的关键营养物质和代谢物。我们可以监测我们何时进食并观察营养素水平的变化，”高伟说。“它不仅监测营养物质，而且还监测激素和药物。它可以为许多健康状况提供连续监测。”有关这项研究的论文最近发表在《自然·生物医学工程》杂志上。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1305285.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1305285.htm

科学家开发出具有高性能的本征聚合物电解质

科学家开发出具有高性能的本征聚合物电解质科学家们从一种交联聚合物中开发出了一种固态电解质，这种电解质具有很高的离子传导性和稳定性，有望用于下一代锂电池。这种新材料在循环300次后仍能保持90%以上的电池存储容量，是目前液态电解质更安全的替代品。这种新开发的高导电性固体电解质可能会为固态锂电池铺平道路。电池通过化学反应储存能量，这取决于带电离子通过电解质从阴极流向阳极。本征聚合物电解质聚合反应路径。资料来源：Li等人遗憾的是，聚合物电解质在室温下的离子电导率太低，无法实用。最近生产并被描述为"固态"的其他电解质实际上含有凝胶。QuanfengDong及其同事设计并合成了一种固态电解质，它由1,3-dioxolane(DOL)和季戊四醇缩水甘油醚(PEG)组成的交联聚合物制成。这种本征聚合物电解质（IPE）具有三维（3D）网状结构，在室温下离子电导率高达0.49毫西门子/厘米，远远高于PEO。本征聚合物电解质的锂离子迁移率高达0.85。使用本征聚合物电解质制造的电池在经过300次充放电循环后，仍能保持90%以上的存储容量。作者说，这种材料可能是下一代高能量密度全固态锂电池的良好选择。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382137.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382137.htm

科学家创造出的新材料兼具玻璃聚合物的硬度和凝胶的拉伸性

科学家创造出的新材料兼具玻璃聚合物的硬度和凝胶的拉伸性研究人员创造了一种名为"玻璃凝胶"的新型材料，这种材料与玻璃聚合物一样坚硬，但如果施加足够的力，它可以拉伸到原长度的五倍，而不会断裂。玻璃态凝胶的一个关键特点是，它们的液体含量超过50%，这使得它们比具有类似物理特性的普通塑料更能有效导电。资料来源：北卡罗来纳州立大学王美香科学家们发明了一种名为"玻璃凝胶"的新型材料，这种材料尽管含有50%以上的液体，但却非常坚硬且不易破裂。加上玻璃凝胶易于生产，这种材料有望应用于多种领域。凝胶体和玻璃态聚合物是历来被视为截然不同的两类材料。玻璃态聚合物质地坚硬，通常比较脆。它们用于制造水瓶或飞机窗户等物品。凝胶（如隐形眼镜）含有液体，柔软而有弹性。"我们创造了一类被称为玻璃凝胶的材料，这种材料和玻璃聚合物一样坚硬，但如果施加足够的力，它可以拉伸到原来长度的五倍，而不会断裂，"这项研究论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程系卡米尔和亨利-德雷福斯教授迈克尔-迪基（MichaelDickey）说。"更重要的是，一旦材料被拉伸，你就可以通过加热使其恢复原状。此外，玻璃凝胶的表面具有很强的粘性，这在硬质材料中并不多见。"该论文的共同第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后研究员王美香说："玻璃凝胶的一个关键特点是，它们的液体含量超过50%，这使得它们比物理特性相当的普通塑料更能高效导电。考虑到这些材料所具有的许多独特性质，我们对它们的用途感到乐观。"玻璃态凝胶，顾名思义，实际上是一种结合了玻璃态聚合物和凝胶最诱人特性的材料。为了制造玻璃态凝胶，研究人员首先将玻璃态聚合物的液态前体与离子液体混合。将这种混合液体倒入模具中，暴露在紫外线下，使材料"固化"。然后移除模具，留下玻璃状凝胶。"离子液体是一种溶剂，就像水一样，但完全由离子组成，"Dickey说。"通常在聚合物中添加溶剂时，溶剂会推开聚合物链，使聚合物变得柔软、可伸展。这就是为什么湿隐形眼镜柔软，而干隐形眼镜不柔软的原因。在玻璃态凝胶中，溶剂会将聚合物分子链推开，使其像凝胶一样具有拉伸性。然而，溶剂中的离子会强烈吸引聚合物，从而阻止聚合物链移动。链条无法移动就使其成为玻璃状。最终的结果是，由于吸引力的作用，材料变得坚硬，但由于额外的间距，材料仍然能够拉伸。"研究人员发现，玻璃凝胶可以用各种不同的聚合物和离子液体制成，但并非所有类别的聚合物都能用于制造玻璃凝胶。Dickey说："带电或极性的聚合物有望用于玻璃凝胶，因为它们会被离子液体吸引。也许玻璃凝胶最吸引人的特点就是它们的粘性，因为虽然我们知道是什么让它们变得坚硬和可拉伸，但我们只能猜测是什么让它们如此具有粘性。"在测试中，研究人员发现，玻璃状凝胶即使含有50-60%的液体，也不会蒸发或变干。他们还认为，玻璃凝胶易于制造，因此有望得到实际应用。Dickey说："制造玻璃态凝胶是一个简单的过程，可以通过在任何类型的模具中固化或3D打印来实现。大多数具有类似机械性能的塑料都要求制造商将聚合物作为原料进行生产，然后将聚合物运输到另一个工厂，在那里聚合物被熔化并形成最终产品。我们很高兴看到如何使用玻璃凝胶，并愿意与合作者一起确定这些材料的应用"。这篇题为"由溶剂增韧的玻璃凝胶"的论文于6月19日发表在《自然》杂志上。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435551.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435551.htm

原子定格：科学家首次捕捉到水中的电子运动

原子定格：科学家首次捕捉到水中的电子运动2月15日，《科学》（Science）杂志报道了这一研究成果，它为研究液相分子的电子结构提供了一个新的视窗，而这种视窗的时间尺度是以前的X射线所无法达到的。这项新技术揭示了当目标被X射线击中时的即时电子反应，这是了解辐照对物体和人的影响的重要一步。这项研究的资深作者、阿贡国家实验室特聘研究员琳达-杨说："我们想研究的辐射诱导的化学反应是目标电子反应的结果，这种反应发生在阿秒时间尺度上。到目前为止，辐射化学家只能分辨皮秒级的事件，比阿秒级慢一百万倍。这有点像说'我出生了，然后我死了'。你想知道这中间发生了什么。这正是我们现在能够做到的。""我们开发的方法允许研究......辐射诱导过程产生的反应物，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的反应物。"阿贡杰出研究员、芝加哥大学物理系和詹姆斯-弗兰克研究所教授琳达-杨介绍说。来自美国能源部多个国家实验室以及美国和德国多所大学的多机构科学家小组将实验与理论相结合，实时揭示了X射线源的电离辐射撞击物质时产生的后果。在发生作用的时间尺度上进行研究，将使研究小组能够更深入地理解复杂的辐射诱导化学反应。事实上，这些研究人员最初是为了开发必要的工具来了解长期暴露于电离辐射对核废料中化学物质的影响而走到一起的。这项研究得到了能源部赞助的放射性环境和材料界面动力学（IDREAM）能源前沿研究中心的支持，该中心总部设在太平洋西北国家实验室（PNNL）。水样照片：为了记录X射线辐射激发的电子运动，科学家们制作了一张约1厘米宽的液态水薄片，作为X射线光束的目标。图片来源：EmilyNienhuis太平洋西北国家实验室亚原子粒子的运动速度非常快，要捕捉它们的行动，需要一个能够以阿秒为单位测量时间的探测器，阿秒的时间范围非常小，以至于一秒钟中的阿秒比宇宙历史上已经度过的秒数还要多。目前的研究以获得2023年诺贝尔物理学奖的新科学--阿秒物理学为基础。阿秒X射线脉冲仅在全球少数几个专业设施中可用。该研究团队在位于加利福尼亚州门洛帕克的SLAC国家加速器实验室的里纳克相干光源（LCLS）进行了实验工作，当地团队率先在这里开发了阿秒X射线自由电子激光器。来自SLAC国家加速器实验室的阿戈-马里内利（AgoMarinelli）说："阿秒时间分辨实验是里纳克相干光源的旗舰研发项目之一，"他与詹姆斯-克赖恩（JamesCryan）共同领导了此次实验所使用的一对同步X射线阿秒泵浦/探针脉冲的开发工作。"看到这些研发成果被应用于新型实验，并将阿秒科学带入新的发展方向，我们感到非常兴奋"。2022年6月，团队成员在SLAC国家加速器实验室里纳相干光源的控制室。从左至右：SLAC的DavidJ.Hoffman、阿贡国家实验室（ANL）和芝加哥大学的KaiLi、西北太平洋国家实验室IDREAM主任CarolynPearce、SLAC的Ming-FuLin和ANL的ShuaiLi。图片来源：CarolynPearce太平洋西北国家实验室这项研究中开发的技术--液体中的全X射线阿秒瞬态吸收光谱，使他们能够"观察"被X射线激发的电子进入激发态的过程，而这一切都发生在体积更大的原子核有时间移动之前。他们选择液态水作为实验的试验品。芝加哥大学物理系和詹姆斯-弗兰克研究所教授杨说："我们现在有了一种工具，原则上可以跟踪电子的运动，实时看到新电离分子的形成。"这些新报告的发现解决了一个长期存在的科学争论，即在以前的实验中看到的X射线信号是否是水或氢原子动态的不同结构形状或"图案"的结果。这些实验最终证明，这些信号并不是环境液态水中两种结构模式的证据。杨说："基本上，人们在以前的实验中看到的是氢原子运动造成的模糊。我们在原子有时间移动之前进行了所有的记录，从而消除了这种移动"。研究人员将目前的研究视为阿秒科学全新方向的开端。为了实现这一发现，PNNL的实验化学家与阿贡和芝加哥大学的物理学家、SLAC的X射线光谱专家和加速器物理学家、华盛顿大学的理论化学家，以及德国汉堡超快成像中心和德国电子同步加速器（DESY）自由电子激光科学中心（CFEL）的阿秒科学理论家合作。在2021年至2022年全球大流行期间，PNNL团队利用在SLAC开发的技术，在X射线泵脉冲路径上喷射出一片超薄的纯水。PNNL的早期职业化学家艾米丽-尼恩胡斯（EmilyNienhuis）说："我们需要一个漂亮、平整、薄的水片，在那里我们可以聚焦X射线。这种能力是在LCLS开发出来的。在PNNL，Nienhuis演示了这种技术也可用于研究IDREAMEFRC核心的特定浓缩溶液，并将在下一阶段的研究中进行调查。"收集到X射线数据后，来自华盛顿大学的理论化学家李晓松和研究生卢立新运用他们解释X射线信号的知识，再现了在SLAC观察到的信号。由理论家罗宾-桑特拉（RobinSantra）领导的CFEL小组建立了液态水对阿秒X射线响应的模型，以验证观测到的信号确实局限于阿秒时间尺度。"利用华盛顿大学的Hyak超级计算机，我们开发出了一种尖端的计算化学技术，能够详细描述水的瞬态高能量子态，"华盛顿大学LarryR.Dalton化学讲座教授、PNNL实验室研究员李说。"这一方法学上的突破在量子层面理解超快化学转化方面取得了举足轻重的进展，其准确性和原子级细节都非常出色。"首席研究员杨发起了这项研究并监督其实施，第一作者和博士后ShuaiLi在现场领导了这项研究。阿贡的物理学家吉勒-杜米（GillesDoumy）和芝加哥大学的研究生李凯（KaiLi）是进行实验和分析数据的团队成员。阿贡纳米材料中心是美国能源部科学办公室的用户设施，该中心帮助鉴定了水片喷射目标的特性。研究团队一起窥探了液态水中电子的实时运动，而世界上的其他地方却静止不动。杨说："我们开发的方法允许研究辐射诱导过程产生的活性物种的起源和演化，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的活性物种。"编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1418733.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1418733.htm