新研究发现手性也可以出现在完全非手性的材料中

新研究发现手性也可以出现在完全非手性的材料中麻省理工学院的工程师观察到，当液体缓慢流动时，液晶的有序微结构会自发组合成大型扭曲结构（如图）。图片来源：研究人员提供麻省理工学院的突破性发现麻省理工学院的工程师们最近发现，手性也可以出现在完全非手性的材料中，而且是通过非手性的方式。在最近发表于《自然-通讯》（Nature Communications）上的一项研究中，研究小组报告说，他们在一种液晶中观察到了手性一种像液体一样流动、像固体一样具有非有序晶体状微观结构的材料。他们发现，当流体缓慢流动时，其正常的非手性微结构会自发地组合成大型、扭曲的手性结构。这种效果就好像一条蜡笔传送带，所有蜡笔都是对称排列的，当传送带达到一定速度时，蜡笔会突然重新排列成大型螺旋图案。麻省理工学院的一项研究发现，当液晶缓慢流动时，其通常有序的微观结构（左下图）会自发地旋转和扭曲，形成宏观尺度的虎纹状条纹。这一发现为设计用于药物输送和光学传感的结构液体开辟了新途径。图片来源：研究人员提供手性液晶的潜力鉴于液晶天然是非手性的，或者说是"非手性"的，这种几何转换是出乎意料的。因此，研究小组的研究为生成手性结构开辟了一条新途径。研究人员设想，这种结构一旦形成，就可以作为螺旋支架，在其中组装复杂的分子结构。手性液晶还可用作光学传感器，因为它们的结构转变将改变它们与光的相互作用方式。这项研究的合著者、麻省理工学院机械工程副教授 Irmgard Bischofberger 说："这令人兴奋，因为它为我们提供了一种构造这类流体的简便方法。从根本上说，这是手性出现的一种新方式"。该研究的共同作者包括第一作者、22 岁的张庆（音译）博士、香港科技大学的王伟强和张瑞，以及马萨诸塞大学阿默斯特分校的周爽。醒目的条纹液晶是一种同时具有液体和固体特性的物质相。这种介于两者之间的材料像液体一样流动，分子结构像固体一样。液晶是构成液晶显示器像素的主要元素，因为液晶分子的对称排列可以通过电压均匀切换，从而共同形成高分辨率图像。Bischofberger 在麻省理工学院的研究小组研究流体和软材料如何在自然界和实验室中自发形成图案。该研究小组试图了解流体转化的基本力学原理，这些原理可用于制造新型可重构材料。探索流体动力学在他们的新研究中，研究人员重点研究了一种特殊类型的向列液晶一种含有微小棒状分子结构的水基流体。在整个流体中，杆状分子结构通常朝同一方向排列。张瑞最初对这种液体在各种流动条件下的表现感到好奇。"2020年，我在家里第一次尝试了这个实验，"张回忆道。"我有液体样本和一个小型显微镜，有一天我把它调到低流量。当我回来时，我看到了这个非常引人注目的图案。"她和同事们在实验室里重复了最初的实验。他们用两块玻璃板制作了一个微流体通道，两块玻璃板之间隔着很薄的空间，并与一个主贮水池相连。研究小组缓慢地将液晶样品泵入储液器，再泵入玻片之间的空间，然后拍摄液体流过时的显微镜图像。与张博士最初的实验一样，研究小组观察到了意想不到的变化：通常均匀的流体在通道中缓慢移动时，开始形成虎纹状条纹。Bischofberger 说："它形成的任何结构都令人惊讶，但当我们真正知道它形成的是哪种结构时，就更令人惊讶了。这就是手性的作用所在"。扭转与流动研究小组利用各种光学和建模技术有效地回溯了流体的流动过程，意外地发现流体的条纹具有手性。他们观察到，在不动的情况下，流体的微观杆通常排列得近乎完美。当流体被快速泵送通过通道时，微棒会完全混乱。但在流速较慢、介于两者之间的情况下，这些结构开始摆动，然后像微小的螺旋桨一样逐渐扭曲，每一根都比下一根转动得稍多一些。如果流体继续缓慢流动，扭曲的晶体就会聚集成大型螺旋结构，在显微镜下呈现条纹状。张说："这里有一个神奇的区域，如果你轻轻地让它们流动，它们就会形成这些大的螺旋结构。"研究人员建立了流体动力学模型，发现当流体在粘度和弹性这两种力之间达到平衡时，就会出现大型螺旋图案。粘度描述的是材料流动的容易程度，而弹性则主要是指材料变形的可能性（例如，流体的棒状物摆动和扭曲的容易程度）。比绍夫伯格解释说："当这两种力大致相同时，我们就会看到这些螺旋结构。纳米级的单个结构，只需将其推离平衡状态一点点，就能组装成更大的、毫米级的结构，而且非常有序，这有点令人惊讶。"研究小组意识到，扭曲的组合体具有手性几何结构：如果将一个螺旋做成镜像，那么无论怎样重新排列螺旋，都不可能将其叠加到原来的螺旋上。手性螺旋从一种非手性材料中通过非手性方式产生，这是一个创举，也为结构流体的工程化提供了一种相对简单的方法。影响和未来方向米兰大学副教授朱利亚诺-赞切塔（Giuliano Zanchetta）没有参与这项研究，他说："研究结果确实令人惊讶，也很有趣。探索这一现象的边界将是非常有趣的。我认为报告中的手性图案是在微观尺度上周期性调节光学特性的一种很有前景的方法"。编译自:ScitechDaily ... PC版：手机版：

在Telegram中查看

相关推荐

研究人员发明一种扭曲的多层晶体结构为经典“材料设计”注入新的活力

研究人员发明一种扭曲的多层晶体结构为经典“材料设计”注入新的活力科学家们发现，当晶体被夹在两个基底之间时，它们会发生扭曲这是探索电子和其他应用领域新材料特性的关键一步。来自美国能源部SLAC 国家加速器实验室、斯坦福大学和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的研究人员首次培育出了一种扭曲的多层晶体结构，并测量了该结构的关键特性。这种创新结构有望帮助创造先进的材料，应用于太阳能电池、量子计算、激光器和其他各种技术。"这种结构是我们以前从未见过的这对我来说是一个巨大的惊喜，"斯坦福大学和SLAC教授、论文合著者崔毅说。"在未来的实验中，这种三层扭曲结构中可能会出现一种新的量子电子特性。"该团队设计的晶体扩展了外延生长的概念，即一种晶体材料有序地生长在另一种材料之上的现象有点像在土壤之上长出整齐的草坪，但却是原子级的。50 多年来，了解外延生长对许多行业，尤其是半导体行业的发展至关重要。事实上，外延生长是我们今天使用的许多电子设备的一部分，从手机、电脑到太阳能电池板，都允许电力在其中流动或不流动。迄今为止，外延研究的重点是在一层材料上生长另一层材料，并且两种材料在界面上具有相同的晶体取向。几十年来，这种方法在晶体管、发光二极管、激光器和量子设备等许多应用领域都取得了成功。但是，为了找到性能更好的新材料，以满足量子计算等更高的需求，研究人员正在寻找其他外延设计可能更复杂但性能更好的外延设计，这就是本研究中展示的"扭曲外延"概念。在最近发表在《科学》（Science）杂志上的一篇论文中详细介绍了他们的实验，研究人员在传统半导体材料二硫化钼（MoS2）的两层薄片之间添加了一层金。崔教授在斯坦福大学材料科学与工程系的研究生、该论文的共同作者崔毅（音译）说，由于上下两层板的方向不同，金原子无法同时与两层板对齐，因此金结构发生了扭曲。研究生崔毅说："只有底层MoS2时，金很乐意与之对齐，因此不会发生扭曲。但如果有两层扭曲的MoS2，金就不能确定是与顶层对齐还是与底层对齐。我们设法帮助金解决了它的困惑，并发现了金的取向与双层MoS2 扭转角度之间的关系。"为了详细研究金层，斯坦福材料与能源科学研究所（SIMES）和 LBNL 的研究团队将整个结构的样品加热到 500摄氏度。然后，他们利用一种名为透射电子显微镜（TEM）的技术将电子流穿过样品，从而揭示了金纳米盘在不同温度下退火后的形态、取向和应变。测量金纳米盘的这些特性是了解未来如何将新结构设计用于实际应用的必要第一步。崔说："如果没有这项研究，我们根本不知道在半导体顶部扭曲金属外延层是否可能。用电子显微镜测量完整的三层结构证实，这不仅是可能的，而且可以用令人兴奋的方式控制新结构"。下一步，研究人员希望利用 TEM 进一步研究金纳米盘的光学特性，并了解其设计是否会改变金的带状结构等物理特性。他们还希望扩展这一概念，尝试用其他半导体材料和其他金属构建三层结构。斯坦福大学材料科学与工程学院查尔斯-皮戈特（Charles M. Pigott）教授、论文合著者鲍勃-辛克莱尔（Bob Sinclair）说："我们正在开始探索是否只有这种材料组合才能实现这种效果，或者这种效果是否会更广泛地发生。这一发现开启了我们可以尝试的一系列全新实验。我们可能即将找到可以利用的全新材料特性。"编译来源：ScitechDaily ... PC版：手机版：

不是科幻小说：哈佛科学家们开发出了一种可编程响应的元流体

不是科幻小说：哈佛科学家们开发出了一种可编程响应的元流体这种元流体可用于各种领域，从用于机器人编程的液压致动器，到可根据撞击强度消散能量的智能减震器，再到可从透明过渡到不透明的光学设备。这项研究发表在《自然》杂志上。SEAS材料科学与机械工程副研究员、论文第一作者Adel Djellouli说："我们对这种新型流体的可能性还只是肤浅的了解。有了这个平台，你可以在许多不同的领域做许多不同的事情。"超流体与固体超材料超材料其特性由结构而非成分决定的人造材料多年来已被广泛应用于各种领域。但是，大多数材料如东南欧科学院应用物理学罗伯特-L-华莱士教授兼电气工程文顿-海斯高级研究员费德里科-卡帕索实验室首创的金属透镜都是固体。元流体下方显示哈佛标志的可调谐光学元件。资料来源：哈佛大学科学与工程学院"与固体超材料不同，超流体具有独特的流动能力，能够适应其容器的形状，"SEAS应用力学威廉和阿米-宽-达诺夫（William and Ami Kuan Danoff）教授、论文资深作者卡蒂娅-贝尔托迪（Katia Bertoldi）说。"我们的目标是创造出一种元流体，它不仅拥有这些非凡的特性，还能为可编程粘度、可压缩性和光学特性提供一个平台。"研究小组利用 SEAS 的马林克罗特物理学和应用物理学教授 David A. Weitz 实验室开发的一种高度可扩展的制造技术，制造出了数十万个这种充满空气的高变形球形胶囊，并将它们悬浮在硅油中。当液体内部的压力增大时，胶囊就会塌陷，形成一个透镜状的半球。当压力消失时，胶囊又会弹回球形。元流体的特性和应用这种转变会改变液体的许多特性，包括粘度和不透明度。这些特性可以通过改变液体中胶囊的数量、厚度和大小来调整。研究人员通过将元流体装入液压机器人抓手，让抓手抓起一个玻璃瓶、一个鸡蛋和一颗蓝莓，展示了液体的可编程性。在由简单空气或水驱动的传统液压系统中，机器人需要某种传感或外部控制才能调整抓取力，在不压碎所有三个物体的情况下将其抓起。但有了元流体，就不需要传感了。液体本身会对不同的压力做出反应，改变其顺应性，从而调整抓手的力度，使其能够抓起沉重的瓶子、精致的鸡蛋和小蓝莓，而且无需额外编程。Djellouli说："我们的研究表明，我们可以利用这种流体为一个简单的机器人赋予智能。"研究小组还展示了一种流体逻辑门，通过改变元流体就能重新编程。光学特性和流体状态当压力发生变化时，元流体的光学特性也会发生变化。当胶囊呈圆形时，它们会散射光线，使液体变得不透明，就像气泡使充气的水呈现白色一样。但当施加压力，胶囊塌陷时，它们就会像微透镜一样聚焦光线，使液体变得透明。这些光学特性可用于一系列应用，例如根据压力改变颜色的电子墨水。研究人员还发现，当胶囊呈球形时，元流体的表现就像牛顿流体，这意味着它的粘度只会随着温度的变化而变化。然而，当胶囊塌陷时，悬浮液就会转变为非牛顿流体，这意味着它的粘度会随着剪切力的变化而变化剪切力越大，流动性越强。这是第一种能在牛顿和非牛顿状态之间转换的元流体。接下来，研究人员将探索元流体的声学和热力学特性。Bertoldi 说："这些可扩展、易生产的元流体应用空间巨大。"编译自:ScitechDaily ... PC版：手机版：

研究人员创造了一种利用快速电子研究材料中慢速电子的方法

研究人员创造了一种利用快速电子研究材料中慢速电子的方法访问：NordVPN 立减 75% + 外加 3 个月时长另有NordPass密码管理器然而，这些慢速电子却极难测量。有关它们在固体材料中行为的知识非常有限，科学家们往往只能依靠反复试验。不过，维也纳工业大学现已成功获得有关这些电子行为的宝贵新信息：利用快速电子直接在材料中产生慢速电子。这样就能破译以前无法通过实验获得的细节。该方法现已发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。同时产生两种电子维也纳工业大学应用物理研究所的沃尔夫冈-维尔纳（Wolfgang Werner）教授说："我们对慢速电子在材料内部（例如晶体内部或活细胞内部）的作用很感兴趣。要想找出答案，实际上必须直接在材料中建造一个小型实验室，才能直接进行现场测量。但这当然是不可能的。"Felix Blödorn、Julian Brunner、Alessandra Bellissimo、Florian Simperl、Wolfgang Werner。资料来源：维也纳工业大学迄今为止只能测量从材料中出来的电子，但这并不能告诉我们电子是在材料的哪个部位被释放出来的，以及从那时起电子发生了什么变化。维也纳科技大学的团队借助快速电子解决了这一问题，快速电子可以穿透材料并激发材料中的各种过程。例如，这些快速电子会扰乱材料正负电荷之间的平衡，从而导致另一个电子脱离其位置，以相对较低的速度移动，并在某些情况下逃离材料。现在的关键步骤是同时测量这些不同的电子："一方面，我们将电子射入材料，并测量它再次离开时的能量。另一方面，我们也同时测量哪些慢速电子从材料中出来。将这些数据结合起来，就有可能获得以前无法获得的信息。"快速电子在穿过材料的过程中损失了多少能量，可以提供它穿透材料多深的信息。这反过来又提供了有关慢速电子从其位置释放出来的深度的信息。现在可以利用这些数据来计算材料中的慢速电子释放能量的程度和方式。有关的数值理论首次可以通过这些数据得到可靠的验证。这让人大吃一惊：以前人们认为，材料中电子的释放是以级联的方式进行的：一个快速电子进入材料，撞击到另一个电子，然后将其从原处撕开，导致两个电子移动。然后，这两个电子又会从自己的位置上带走两个电子，依此类推。新数据表明，事实并非如此：相反，快速电子经历了一系列碰撞，但始终保持着大部分能量，而且在每一次相互作用中，只有一个相对较慢的电子脱离其位置。沃尔夫冈-维尔纳说："我们的新方法在非常不同的领域提供了机会。我们现在终于可以研究电子在与材料相互作用时如何释放能量了。例如，正是这种能量决定了在癌症治疗中能否摧毁肿瘤细胞，或者在电子束光刻中能否正确形成半导体结构的最精细部分。"编译来源：ScitechDaily ... PC版：手机版：

研究人员开发出受撞击后会硬化的非牛顿流体[弹力导电材料

研究人员开发出受撞击后会硬化的非牛顿流体[弹力导电材料该项目的主要研究人员王跃（Jessica）指出，当玉米淀粉和水慢慢搅拌在一起时，搅拌勺很容易在混合物中移动。当你移开勺子并试图用力将其重新插入时，却会得到不同的结果，这就是非牛顿流体的特性。王说："这就像在一个坚硬的表面上捅了一刀，勺子再也进不去了。"团队的目标是在固体导电材料中模拟这种奇特的性质。为了实现目标，研究小组必须确定共轭聚合物的正确组合，共轭聚合物是一种长条状导电分子，形状就像一串串意大利面条，大多数柔性聚合物在受到反复、快速或剧烈冲击时会断裂。研究人员首先使用由四种聚合物组成的水溶液：意大利面条状的聚（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸）、较短的聚苯胺分子和称为聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）的导电组合。他们调整了配方以提高导电性和自适应耐久性。例如，在混合物中增加 10% 的 PEDOT:PSS 可提高导电性和自适应耐久性。研究小组还尝试在混合物中添加小分子，注意每种添加剂如何改变聚合物的特性。最终，带正电荷的纳米粒子添加剂最能改善适应性功能。实验室的博士后研究员吴迪说："在我们的材料中加入带正电荷的分子，使其在更高的拉伸速率下更加坚固。"实际应用可能包括用于智能手表的集成表带和背面传感器，可以轻松承受人类手腕上日常生活的恶劣环境。这种柔性材料还可以应用于医疗领域，也许可以集成到心血管传感器或血糖监测仪等可穿戴设备中。吴和团队甚至改良了适合 3D 打印的早期材料版本，并制作了一只人手的复制品，以展示其作为假肢使用的潜力。王说："它有许多潜在的应用领域，我们很高兴看到这一全新的、非传统的特性将把我们带向何方。" ... PC版：手机版：

突破性研究发现液晶可用于高效和可调的自发参量下转换

突破性研究发现液晶可用于高效和可调的自发参量下转换马克斯-普朗克光科学研究所生成光子对的研究装置。图片来源：Tanya Chekhova将单光子一分为二是量子光子学中最有用的工具之一。它可以产生纠缠光子对、单光子、挤压光以及对光量子技术至关重要的更复杂的光状态。这一过程被称为自发参量下转换（SPDC）。马克斯-普朗克光科学研究所"量子辐射"研究组组长 Maria Chekhova 教授在她的实验室。图片来源：Tanya ChekhovaSPDC 与中心对称关系密切。中心对称是指相对于某一点的对称性，例如，正方形是中心对称的，而三角形则不是。SPDC 的本质是将一个光子一分为二，它打破了中心对称。因此，只有在基本单元是中心不对称的晶体中才可能发生 SPDC。SPDC 不可能发生在普通液体或气体中，因为这些物质是各向同性的。然而，最近研究人员发现了具有不同结构的液晶，即所谓的铁电向列液晶。尽管这些材料是流动的，但却具有强烈的中心对称破缺特征。它们的分子细长、不对称，最重要的是，它们可以在外部电场的作用下重新定向。分子的重新定向会改变所产生的光子对的偏振以及产生率。如果包装得当，这种材料的样品可以成为一种非常有用的装置，因为它可以高效地产生光子对，可以很容易地用电场进行调节，还可以集成到更复杂的装置中。马克斯-普朗克光科学研究所的研究人员利用约瑟夫-斯特凡研究所（斯洛文尼亚卢布尔雅那）从默克电子公司合成的铁电向列液晶中制备的样品，首次在液晶中实现了 SPDC。纠缠光子的生成效率与厚度相近的最佳非线性晶体（如铌酸锂）一样高。只需施加几伏特的电场，他们就能开关光子对的产生，并改变这些光子对的偏振特性。这一发现开创了新一代量子光源：灵活、可调、高效。编译自/ScitechDaily ... PC版：手机版：

科学家在2D蛭石材料中发现铁电性有望实现电极间距英寸级的液晶器件

科学家在2D蛭石材料中发现铁电性有望实现电极间距英寸级的液晶器件显示干涉色的二维蛭石 LC 偏振光学图像。然而，无论是商用有机液相色谱分子还是研发的液相色谱纳米材料都不符合上述两个先决条件，而且迄今为止还没有关于这种液相色谱的报道。就目前而言，这种液相色谱是否存在以及其电场响应度的上限是液相色谱界尚未解决的问题。针对这些问题，清华大学深圳研究生院刘碧录教授领导的研究团队首次揭示了具有百年历史的粘土矿物蛭石在单层极限下的铁电性。二维蛭石具有极大的几何各向异性，铁电性赋予其内在的电偶极子。通过将二维蛭石分散在去离子水中，研究团队制备出了含有二维铁电分子的低密度聚乙烯分散体。它的电场响应性（即克尔系数）将克尔系数的记录值提高了一个数量级。考虑到二维蛭石低电平代表了一类新型的二维铁电材料无机各向同性低电平，这项工作提供的物理启示，如低电平材料的响应度和几何各向异性之间的关系，对其他潜在的类似低电平具有普遍意义。a) 二维蛭石的 AFM 图像。 b) 二维蛭石的 PFM 振幅图。 c) 二维蛭石的 PFM 相图。电场响应性的突破实现了超低工作电场，并制造出电极间距仅为英寸级的电光液晶器件，而这在以前是不现实的。研究人员还制作了一个具有英寸级像素的大型节能可显示广告牌原型，用于户外互动场景，可通过智能手机软件或人类手势控制广告牌上的字母和数字。"在科学上，我们给出了一种新的策略来设计具有灵敏电场响应性的先进无机低电平或类低电平系统。关键是从层状体中制备出二维铁电材料分散体。"刘碧录教授说："从另一个角度看，层状天然矿物中二维铁电性的启发性证据为范德华铁电材料的规模化生产和实际应用带来了新的机遇。"编译来源：ScitechDaily ... PC版：手机版：

🔍 发送关键词来寻找群组、频道或视频。

启动SOSO机器人