新型光学超材料可实现真正的单向透光玻璃

新型光学超材料可实现真正的单向透光玻璃在纳米尺度上控制和操纵光的能力为超材料在各个领域的应用开辟了广阔天地。现在，芬兰阿尔托大学的研究人员创造出了一种新的光学超材料，它可能使真正的单向透光玻璃成为现实。磁电（ME）效应的最一般形式是指材料的磁性和电性之间的耦合。在光学频率下，磁化对传统材料的影响可以忽略不计，但使用超材料则可以增强这种影响，在超材料中，光的电分量可以诱导磁化，而磁分量可以产生偏振。以往的研究表明，微波频率的磁性很强，在这一频谱范围内会产生明显的超材料效应。尽管经过了二十年的理论研究，但直到现在，人们还很难实现在这一范围之外工作的超材料。全电磁频谱示意图这种新型超材料依赖于非互惠磁电效应（NME）。非互易磁电效应意味着材料的磁化和偏振特性与光或其他电磁波的不同成分相关联。"到目前为止，NME效应还没有实现现实的工业应用，"该研究的主要作者沙迪-萨法伊-贾兹（ShadiSafaeiJazi）说。"大多数提出的方法只能用于微波，而不能用于可见光，而且也无法用现有技术制造出来"。研究人员利用现有技术和纳米制造技术成功克服了这些问题，创造出一种三维光学NME超材料，其单个元原子由传统材料钴和硅制成，可自发磁化。这种新型超材料为那些原本需要强大外部磁场才能发挥作用的应用铺平了道路，例如真正的单向玻璃。目前所谓的"单向"玻璃实际上只是半透明的，光线可以从两个方向穿过。当两侧亮度不同时，它就像单向玻璃。然而，基于NME的单向玻璃不需要这种亮度差异，因为光线只能够从一个方向穿过。"想象一下，在你的房子、办公室或汽车里有一扇装有这种玻璃的窗户，"Safaei说。"无论外面的光线如何，人们都无法看到里面的任何东西，而你却可以从窗户欣赏到完美的景色。"这种超材料还有可能阻挡现有太阳能电池向太阳辐射的热辐射，从而降低其捕获的能量，从而提高太阳能电池的效率。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1418279.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1418279.htm

发射紫外线的玻璃可清除微生物膜造成的污损 解决一系列水下问题

发射紫外线的玻璃可清除微生物膜造成的污损解决一系列水下问题当任何物质在海水中放置足够长的时间后，细菌、真菌、藻类和其他海洋微生物就会在其表面形成一层黏糊糊的薄膜。藤壶等大型生物就会在这层薄膜上立足，并以此为家，不断生长繁殖。不用说，这种涂层会大大降低船体的流体动力，使船只在一定速度下行驶时耗费更多燃料。生物膜还对水下结构、防护网甚至海水淡化厂造成问题。这种现象被称为生物污损。防止这种现象的主要方法包括在水下表面涂上抗菌涂料（可能会对环境造成危害）或特殊的不粘材料（必须经常重新涂抹）。一种建议的替代方法是用外部紫外线照射表面，紫外线可以杀死微生物。但遗憾的是，紫外线离光源越远，效果就越差，而且浑浊的水也会吸收紫外线。这就是紫外线发光玻璃（UEG）的作用所在。它不是由单独的光源照射，而是光源。LeilaAlidokht（左）和MarianaLanzarini-Lopes（右）与研究生研究助理AthiraHaridas（中）一起研究紫外线发射玻璃马萨诸塞大学阿默斯特分校这种材料是由马萨诸塞大学阿默斯特分校工程师领导的科学家团队创造的，它由一个普通的玻璃载玻片组成，载玻片背面涂有一层二氧化硅纳米粒子和透明聚合物。紫外线发光二极管不会将光线投射到玻璃的正面或背面，而是投射到玻璃的一个边缘，当紫外线穿过玻璃的厚度时，它们会被纳米粒子散射和扩散，纳米粒子会反射紫外线，但不会吸收紫外线。因此，紫外线发光玻璃的整个正面（水侧）都能均匀地发出紫外线。在保持令人满意的可见光和红外线透射率的同时，其效果比以同样方式照射的未镀膜玻璃好10倍。在对该技术的测试中，UEG幻灯片和未涂层的对照幻灯片被浸没在佛罗里达州卡纳维拉尔港的海水中长达20天。试验结束后发现，UEG能将可见生物膜的生长减少98%无生物膜UEG幻灯片与无涂层对照样品的比较科学家们现在计划用更大的玻璃片进行实验，这些玻璃片被浸没的时间将更长。该研究的第一作者、博士后助理研究员LeilaAlidokht说："所开发的技术可用于透明表面的消毒，如船舶窗户、浮球和系泊浮标、相机镜头以及海洋学、农业和水处理应用中的传感器。"有关这项研究的论文最近发表在《生物膜》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425972.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425972.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

科学家开发新水凝胶玻璃：阻挡太阳热量的同时允许可见光通过

科学家开发新水凝胶玻璃：阻挡太阳热量的同时允许可见光通过今年夏天，世界上很多地方都是闷热的，很多人都在考虑用更好的方法来冷却建筑物。中国的研究人员现在用水凝胶玻璃来装饰窗户，这种材料可以有选择地阻挡来自太阳的热量而不阻挡其光线。普通的玻璃被设计成允许可见光通过并照亮房间，但它与红外光的相互作用--作为热的感觉--就不那么理想了。玻璃让阳光中的近红外辐射通过，同时阻止中红外光从房间中逸出，从而使建筑物升温。在夏天，这种闷热会促使人们更频繁地打开空调，从而导致更多的能源消耗。为了尝试解决这个问题，武汉大学的科学家们现在已经试验了新的窗户材料，这些材料与光的互动方式不同。研究人员在玻璃上设计了一个只有几毫米厚的水凝胶涂层，以反射更多来自外部的近红外光，并允许更多的中红外光从内部流出，同时对可见光保持同样的透明。这个想法是可见光的光子可以穿透超过1米进入水中，而光谱中近红外部分的光子只能使其达到几毫米。由于水凝胶主要是水，这使其成为一种有用的选择性屏障。在测试中，研究小组发现水凝胶玻璃直接向太空发射多达96%的红外光，因为这些波长没有被大气阻挡。这将有助于保持建筑物内部的温度，其方式与其他辐射冷却系统相似。与此同时，普通玻璃对太阳辐射能的透射比约为84%。重要的是，水凝胶玻璃看起来并不比普通玻璃暗淡--事实上，它实际上能让更多的光线通过。根据水凝胶层的厚度，它允许高达92.8%的可见光进入房间，而普通玻璃为92.3%。研究小组在尺寸为20x20x20厘米的模型房屋上测试了水凝胶玻璃的性能，这些房屋有厚厚的隔热墙和一个大窗户。传感器显示，水凝胶玻璃窗将室内温度降低了3.5℃。研究小组表示，这种材料可以帮助减少制冷的能源消耗，这将有利于环境和减少成本。水凝胶也很常见，而且价格低廉，所以推广起来应该相对简单，这可能使它们比其他更复杂的智能窗更有优势。这项研究发表在《光电子学前沿》杂志上。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1310863.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1310863.htm

剑桥大学创造的新型太阳能设备可将脏水变成氢燃料和饮用水

剑桥大学创造的新型太阳能设备可将脏水变成氢燃料和饮用水研究人员发明了一种太阳能装置，可将脏水转化为清洁的氢气和净水图/ChanonPornrungroj/剑桥大光催化水分裂技术可将太阳光直接转化为可储存的氢气，但通常需要纯净水和土地来安装设备，同时还会产生无法利用的废热。由于水是一种宝贵的资源，利用任何未经处理的水源（如河流、海洋、水库或工业废水）的光催化装置将是一种更可持续的选择。因此，剑桥大学的研究人员从光合作用过程中汲取灵感，创造了一种太阳能装置，能够同时利用污染水或海水生产清洁氢燃料和清洁饮用水。该研究的第一作者ChanonPornrungroj说："将太阳能燃料生产和水生产结合在一个装置中是非常棘手的。太阳能驱动的水分裂（水分子被分解成氢气和氧气）需要从完全纯净的水开始，因为任何污染物都可能毒害催化剂或引起不必要的化学副反应。"研究人员希望模仿植物的光合作用能力，但与以往利用洁净水源生产绿色氢燃料的设备不同，他们希望自己的设备能够使用受污染的水，从而使其在难以找到洁净水的地区也能使用。研究报告的合著者阿里芬-穆罕默德-安努阿尔（AriffinMohamadAnnuar）说："在偏远或发展中地区，洁净水相对稀缺，净水所需的基础设施也不容易获得，因此水分裂极为困难。一个可以利用受污染的水进行工作的装置可以同时解决两个问题：它可以分水制造清洁燃料，也可以制造清洁饮用水"。他们将一种吸收紫外线的光催化剂沉积在一种吸收红外线的纳米结构碳网上，这种碳网对光和热都有很好的吸收作用，从而产生光催化剂用来制造氢气的水蒸气。经过拒水处理的多孔碳网有助于光催化剂漂浮，并使其远离下面的水，从而避免污染物干扰其功能。此外，这种结构还能让装置利用更多的太阳能量。装置构造示意图Pornrungroj等人/剑桥大学安努阿尔说："制造太阳能燃料的光驱动过程只使用了太阳光谱的一小部分，还有大量光谱没有使用。"因此，研究人员在浮动装置的顶部使用了一层白色的紫外线吸收层，通过水分裂来制氢。太阳光谱中的其余光线被传输到装置底部，使水汽化。研究人员说，这更接近于模仿植物的蒸腾作用，即水在植物体内的流动过程，以及水从叶、茎和花等气生部分蒸发的过程。Pornrungroj说："这样，我们就能更好地利用光--我们获得了用于制氢的水蒸气，剩下的就是水蒸气了。我们就真正模仿了真实的叶子，因为我们现在已经能够将蒸腾作用的过程纳入其中。"研究人员利用真实世界的开放水源对他们的装置进行了测试，包括剑桥市中心坎河的水和造纸业的浑浊工业废水。在人工海水中，该装置在154小时后保持了80%的初始性能。研究人员说，由于光催化剂与水源中的污染物隔离，并保持相对干燥，因此该装置可以保持其运行稳定性。它对污染物的耐受性很强，而且浮动设计使基底可以在非常浑浊或泥泞的水中工作，因此这是一个用途广泛的系统。研究人员认为，他们的设备有可能解决可持续发展和循环经济问题。这项研究的通讯作者ErwinReisner说："我们的设备仍然只是一个原理验证，但如果我们要发展真正的循环经济和可持续的未来，我们就需要这些解决方案。气候危机与污染和健康问题密切相关，开发一种有助于同时解决这两个问题的方法将改变许多人的命运。"这项研究发表在《自然-水》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1396809.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1396809.htm

白蚁丘揭示了建造“鲜活”的建筑以减少能源消耗的秘密

白蚁丘揭示了建造“鲜活”的建筑以减少能源消耗的秘密发表在《材料前沿》上的一项突破性研究表明，我们可以从白蚁丘中学到宝贵的经验，以便在我们的建筑中创造舒适的室内气候。令人振奋的是，这些技术有可能将通常与空调有关的碳足迹降至最低。隆德大学生物数字物质研究小组的高级讲师、该研究的第一作者DavidAndréen博士说："这里我们表明，'出口复合体'，即白蚁丘中发现的相互连接的隧道的复杂网络，可以在人类建筑中以新的方式促进空气、热量和水分的流动。"印度班加罗尔的白蚁丘Andréen和共同作者RupertSoar博士，诺丁汉特伦特大学建筑、设计和建筑环境学院的副教授，研究了纳米比亚的Macrotermesmichaelseni白蚁丘。这个物种的殖民地可以由超过一百万个个体组成。白蚁丘的核心是共生的真菌园，白蚁以这些真菌为食物。研究人员把重点放在出口复合体上：一个密集的、格子状的隧道网络，宽度在3毫米到5毫米之间，将内部较宽的管道与外部相连。在雨季（11月至4月），当土丘正在生长时，这延伸到其朝北的表面，直接暴露在正午的阳光下。在这个季节之外，白蚁工人保持出口通道被封锁。人们认为这种复合体可以使多余的水分蒸发，同时保持足够的通风。但它是如何工作的呢？纳米比亚沃特贝格的白蚁丘Andréen和Soar探讨了出口综合体的布局如何实现振荡或脉冲式流动。他们的实验基于2005年2月从野外收集的一个出口复合体碎片的扫描和3D打印副本。这块碎片有4厘米厚，体积为1.4升，其中16%是隧道。他们用一个扬声器鼓动空气来模拟风，驱动二氧化碳-空气混合物在碎片中振荡，同时用一个传感器跟踪质量转移。他们发现，气流在30赫兹和40赫兹之间的振荡频率下最大；在10赫兹和20赫兹之间的频率下适中；而在50赫兹和120赫兹之间的频率下最小。研究人员得出结论，该建筑群中的隧道与吹在土丘上的风相互作用，以加强空气的质量转移，从而实现通风。某些频率的风振荡在内部产生湍流，其效果是将呼吸道气体和多余的水分从土丘的心脏地带带走。"当给建筑物通风时，你想保持内部产生的温度和湿度的微妙平衡，而不妨碍陈旧空气向外和新鲜空气向内的流动。大多数暖通空调系统都在努力解决这个问题。在这里，我们有一个结构化的界面，允许呼吸气体的交换，只是由一侧和另一侧的浓度差异驱动。内部条件因此得以维持，"Soar解释说。Macrotermesmichaelseni白蚁出口复合体的一个片段的三维扫描。资料来源：D.Andréen和R.Soar然后，作者用一系列的二维模型模拟了出口复合体，这些模型的复杂性从直线隧道增加到格子。他们用一个电动马达驱动一个摆动的水体（用染料使之可见）通过隧道，并拍摄了质量流。他们惊讶地发现，电机只需要来回移动空气几毫米（相当于微弱的风的振荡），退潮和流动就可以穿透整个建筑群。重要的是，只有在布局足够格子化的情况下才会产生必要的湍流。作者的结论是，在弱风下，出口复合体可以实现白蚁丘的风力通风。"我们想象未来的建筑墙体，用粉末床打印机等新兴技术制造，将包含与出口复合体类似的网络。"Andréen说："这些将使空气的移动成为可能，通过嵌入式传感器和执行器，只需要极少量的能量。"Soar总结道："只有当我们能够设计出与自然界一样复杂的结构时，建筑规模的3D打印才有可能。出口综合体是一个复杂结构的例子，它可以同时解决多个问题：保持我们室内的舒适度，同时调节呼吸道气体和水分在建筑围护结构中的流动。""我们正处于向类似自然的建筑过渡的边缘：第一次有可能设计出真正有生命、会呼吸的建筑"。这项研究得到了工程和物理科学研究委员会、瑞典研究委员会和人类前沿科学计划的资助。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1364551.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1364551.htm