麻省理工学院科学家发现极端条件下金属的“反直觉”行为

麻省理工学院科学家发现极端条件下金属的“反直觉”行为 麻省理工学院的科学家们发现，铜等金属在加热和高速撞击时会变得更坚固，这对传统观点提出了挑战，并有可能增强用于太空和高速制造等极端环境的材料。金属受热后会变得更软，这就是铁匠如何通过将铁加热至滚烫将其塑造成复杂形状的原因。任何人将铜线与钢衣架进行比较，都会很快发现铜比钢柔韧得多。但麻省理工学院的科学家们发现，当金属被超高速运动的物体撞击时，情况恰恰相反：金属温度越高，强度越大。在这些对金属造成极大压力的条件下，铜实际上和钢一样坚固。这一新发现可能为极端环境下的材料设计带来新的方法，例如保护宇宙飞船或高超音速飞机的防护罩，或高速制造工艺的设备。麻省理工学院研究生伊恩-道丁和麻省理工学院材料科学与工程系前系主任、现任西北大学工程学院院长兼麻省理工学院客座教授克里斯托弗-舒赫最近在《自然》杂志上发表的一篇论文中描述了这一发现。反直觉的结果和潜在应用作者写道，这一新发现"违背直觉，与几十年来在不太极端条件下进行的研究相悖"。这些意想不到的结果可能会影响各种应用，因为这些撞击所涉及的极端速度经常发生在陨石撞击轨道上的航天器，以及用于制造、喷砂和某些增材制造（3D 打印）工艺的高速加工操作中。研究人员用来发现这种效应的实验是将直径仅为百万分之一米的蓝宝石微粒射向平整的金属板。在激光束的推动下，这些微粒达到了每秒几百米的高速度。虽然其他研究人员偶尔也做过类似的高速实验，但他们往往使用更大的冲击器，即厘米或更大的冲击器。由于这些较大的撞击主要受到撞击冲击的影响，因此无法将机械效应和热效应区分开来。说明：麻省理工学院的科学家发现，当金属被高速运动的物体以极快的速度变形时，较高的温度会使金属变得更坚固，而不是更脆弱。图中，3 个粒子以大致相同的速度撞击金属表面。随着金属初始温度的升高，反弹速度更快，颗粒弹得更高，因为金属也变得更硬而不是更软。图片来源：研究人员提供研究小组使用超高速摄像机跟踪粒子。研究数据中的这个序列显示了一个粒子飞入并从表面反弹的过程。资料来源：麻省理工学院新研究中的微小粒子在撞击目标时不会产生明显的压力波。但麻省理工学院经过十年的研究，才开发出以如此高的速度推动这种微小粒子的方法。"我们利用了这一点，"舒赫说，同时还利用了其他新技术来观测高速撞击本身。观察和调查结果他说："研究小组使用了超高速摄像机来观察粒子的来去。当粒子从表面反弹时，进入和飞出速度之间的差异"告诉你有多少能量沉积"到目标中，这是表面强度的指标。"研究人员使用的微粒由氧化铝或蓝宝石制成，"非常坚硬"。这些微粒直径为 10 到 20 微米（百万分之一米），厚度为头发丝的十分之一到五分之一。当这些微粒背后的发射台被激光束击中时，部分材料会汽化，产生一股蒸汽，将微粒推向相反的方向。研究小组使用超高速摄像机跟踪粒子。研究数据中的这个序列显示了一个粒子飞入并从表面反弹的过程。资料来源：麻省理工学院研究人员将微粒射向铜、钛和金的样品，他们希望他们的结果也适用于其他金属。他们说，他们的数据首次为这种热量越大强度越高的反常热效应提供了直接的实验证据，尽管以前也有报道暗示过这种效应。根据研究人员的分析，这种令人惊讶的效应似乎是构成金属结晶结构的有序原子阵列在不同条件下移动的方式造成的。他们的研究表明，金属在应力作用下的变形受三种不同效应的支配，其中两种效应遵循预测的轨迹，即在温度越高时变形越大，而当变形率超过一定临界值时，第三种效应（即阻力强化）的作用会发生逆转。阻力增强效果超过这个交叉点后，较高的温度会增加材料内部声子（声波或热波）的活动，这些声子与晶格中的位错相互作用，限制了它们滑动和变形的能力。道丁说，这种效应随着撞击速度和温度的增加而增强，因此"速度越快，位错的反应能力就越弱"。当然，在某些时候，升高的温度会使金属开始熔化，这时，效果又会发生逆转，导致软化。道丁说，这种强化效应"会有一个极限"，"但我们不知道它是什么"。舒赫说，这些发现可能会促使人们在设计可能会遇到这种极端应力的设备时选择不同的材料。例如，在通常情况下可能弱得多，但成本较低或更容易加工的金属，可能会在以前没有人想到要使用它们的情况下派上用场。研究人员所研究的极端条件并不局限于航天器或极端制造方法。道丁说："如果你在沙尘暴中驾驶直升机，很多沙粒在撞击叶片时会达到很高的速度。"研究人员用来揭示这一现象的技术可以应用于其他各种材料和情况，包括其他金属和合金。他们说，简单地根据已知材料在不太极端条件下的特性来设计在极端条件下使用的材料，可能会导致人们对材料在极端应力下的行为产生严重的错误预期。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

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MIT麻省理工学院关于深度学习方法的入门课程 || #机器学习 麻省理工学院深度学习方法入门课程，可应用于计算机视觉、自然语言处理、生物学等领域！ 学生将获得深度学习算法的基础知识，并获得在 TensorFlow 中构建神经网络的实践经验。 先修课程需要微积分（即求导数）和线性代数（即矩阵乘法），有 Python 经验者将有所帮助，但并非必要。

MIT科学家首次捕捉到超流体中像声波一样运动的热量

MIT科学家首次捕捉到超流体中像声波一样运动的热量 麻省理工学院的科学家们直接观测到了热量在超流体中的奇怪作用 麻省理工学院 Jose-Luis Olivares超流体是一种罕见的物质状态，它的粘度为零，这意味着物质可以在没有任何阻力或摩擦的情况下流动。人们早就预言，热量应该能够像声波一样在超流体中流动，因此被称为"第二声音"，但直到现在才被直接观测到。"这就好比你有一缸水，让其中一半几乎沸腾，"该研究的作者、助理教授理查德-弗莱彻说。"如果你接着观察，水本身可能看起来完全平静，但突然另一边热了，然后另一边又热了，热量来回流动，而水看起来完全静止。第一种声音说明了声波如何在普通流体和超流体中共同震荡第二种声音说明了热量是如何通过超流体从一端振荡到另一端的，正如新研究中所探测到的那样为了给这一现象成像，研究人员必须创造一种全新的热量探测方式。通常情况下会使用红外线传感器，但制造超流体需要将量子气体冷却到几乎绝对零度，而红外线辐射在如此低的温度下是不会发射的。因此，研究小组转而使用无线电。研究人员使用的量子气体由锂-6 费米子组成，结果发现，这些费米子的温度越高，它们共振的频率就越高。研究小组将较高的无线电频率施加到气体中，这将导致其中较热的费米子产生响应共振。通过追踪哪些费米子在不同时间产生了共振，科学家们就能在热波来回摆动时捕捉到"第二种声音"。该研究的第一作者马丁-茨维尔林（Martin Zwierlein）说："我们第一次可以在这种物质冷却到超流体临界温度时对其进行拍照，并直接看到它是如何从热平衡无聊的普通流体转换到热量来回滑动的超流体的。"研究小组表示，观察这种奇怪的现象可以帮助科学家更好地理解包括超导体和中子星在内的稀有物质状态的热传导性，进而帮助他们设计出更好的系统。这项研究发表在《科学》杂志上。 ... PC版： 手机版：

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 Yogesh Surendranath 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（Noah Lewis）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 Ryan Bisbey、麻省理工学院研究生 Karl Westendorff 和耶鲁大学研究科学家 Alexander Soudackov 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： 手机版：

《麻省理工学院公开课：供应链管理》

《麻省理工学院公开课：供应链管理》 简介：本书系统解析麻省理工学院公开课：供应链管理的核心内容，并结合实用案例帮助读者加深理解。内容涵盖其发展历程、关键概念及实际应用，提供深入的知识探索路径。适合对该主题有兴趣的学习者，帮助拓宽视野并提高专业素养。 标签： #麻 #麻省理工 #知识 #学习 文件大小：NG 链接：https://pan.quark.cn/s/f67d29b69fd8

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（Carlos Portela）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（Thomas Butruille）和DEVCOM陆军研究实验室的约书亚-克龙（Joshua Crone）。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： 手机版：