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：

《侏罗纪公园》剧情成真：麻省理工学院创造出用于储存 DNA 的合成琥珀

《侏罗纪公园》剧情成真：麻省理工学院创造出用于储存 DNA 的合成琥珀 DNA 保存技术的进步在电影《侏罗纪公园》中，科学家提取了在琥珀中保存了数百万年的 DNA，并用它创造了早已灭绝的恐龙种群。麻省理工学院的研究人员部分受这部电影的启发，开发出一种玻璃状、类似琥珀的聚合物，可用于长期存储 DNA，无论是整个人类基因组还是照片等数字文件。目前大多数储存 DNA 的方法都需要冷冻温度，因此需要消耗大量能源，在世界上许多地方都不可行。相比之下，新型琥珀状聚合物可以在室温下储存 DNA，同时保护分子不受热量或水的破坏。研究人员证明，他们可以用这种聚合物存储编码《侏罗纪公园》主题音乐的 DNA 序列以及整个人类基因组。他们还证明，DNA 可以很容易地从聚合物中取出，而不会对其造成损坏。简化 DNA 保存技术前麻省理工学院博士后詹姆斯-巴纳尔（James Banal）说："冷冻 DNA 是保存 DNA 的首要方法，但这种方法非常昂贵，而且无法扩展。我认为，我们的新保存方法将成为一种可能推动未来在 DNA 上存储数字信息的技术"。巴纳尔和麻省理工学院A. Thomas Geurtin化学教授杰里迈亚-约翰逊（Jeremiah Johnson）是这项研究的资深作者，他们的研究成果于6月12日发表在《美国化学学会学报》（Journal of the American Chemical Society）上。麻省理工学院前博士后 Elizabeth Prince 和麻省理工学院博士后 Ho Fung Cheng 是论文的主要作者。麻省理工学院的研究人员设计出了一种将 DNA 封装到一种名为交联聚苯乙烯的热固性聚合物中的方法。DNA 被嵌入聚合物后，可以通过用半胱胺处理聚合物再次释放出来。图片来源：研究人员提供探索新的 DNA 编码方法DNA 是一种非常稳定的分子，非常适合存储海量信息，包括数字数据。数字存储系统将文本、照片和其他类型的信息编码为一系列 0 和 1。同样的信息可以通过构成遗传密码的四种核苷酸编码到 DNA 中：例如，G 和 C 可用来表示 0，而 A 和 T 则表示 1。DNA 提供了一种高密度存储数字信息的方法：从理论上讲，一个装满 DNA 的咖啡杯就可以储存全世界的数据。DNA 还非常稳定，合成和排序也相对容易。2021 年，巴纳尔和他的博士后导师、麻省理工学院生物工程教授马克-巴特（Mark Bathe）开发出一种将 DNA 储存在二氧化硅颗粒中的方法，这些颗粒可以贴上标签，显示颗粒中的内容。这项工作促成了名为"Cache DNA"的衍生公司的诞生。这种储存系统的一个缺点是，将 DNA 嵌入二氧化硅颗粒需要几天的时间。此外，从颗粒中移除 DNA 需要氢氟酸，而氢氟酸会对处理 DNA 的工人造成危害。用于 DNA 存储的创新聚合物设计为了找到替代存储材料，巴纳尔开始与约翰逊及其实验室成员合作。他们的想法是使用一种被称为可降解热固性的聚合物，这种聚合物在加热时会形成固体。这种材料还包括易于断裂的可裂解链节，使聚合物能够以可控的方式降解。约翰逊说："有了这些可解构热固性塑料，根据我们在其中加入的可裂解键，我们可以选择如何降解它们。"在这个项目中，研究人员决定用苯乙烯和一种交联剂来制造热固性聚合物，它们共同形成了一种琥珀色的热固性聚合物交联聚苯乙烯。这种热固性聚合物还具有很强的疏水性，因此可以防止水分进入并破坏 DNA。为了使这种热固性物质可以降解，苯乙烯单体和交联剂与称为亚硫酰内酯的单体共聚。通过使用一种名为半胱胺的分子对其进行处理，可以切断这些连接。T-REX 方法：DNA 储存的新方法由于苯乙烯非常疏水，研究人员必须想出一种方法来诱导 DNA（一种亲水性、带负电荷的分子）进入苯乙烯。为此，他们找到了三种单体的组合，并将其转化为聚合物，通过帮助 DNA 与苯乙烯相互作用来溶解 DNA。每种单体都有不同的特性，它们通力合作，使 DNA 离开水进入苯乙烯。在那里，DNA 形成球形复合物，带电的 DNA 位于中心，疏水基团形成与苯乙烯相互作用的外层。加热后，这种溶液会变成玻璃状的固体块，其中嵌入 DNA 复合物。研究人员将他们的方法命名为 T-REX（热固性强化湿保存）。研究人员说，将DNA嵌入聚合物网络的过程需要几个小时，但随着进一步优化，这个时间可能会缩短。为了释放 DNA，研究人员首先加入半胱胺，半胱胺会裂解将聚苯乙烯热固性材料连接在一起的键，将其分解成小块。然后，再加入一种名为 SDS 的洗涤剂，这样就能在不损坏聚苯乙烯的情况下将 DNA 从聚苯乙烯中分离出来。DNA 存储技术的未来研究人员利用这些聚合物证明，他们可以封装不同长度的 DNA，从几十个核苷酸到整个人类基因组（超过 50000 个碱基对）。除了《侏罗纪公园》的主题音乐外，他们还能存储编码《解放奴隶宣言》和麻省理工学院徽标的 DNA。在对 DNA 进行存储和移除之后，研究人员对其进行了测序，发现没有引入任何错误，这是任何数字数据存储系统的关键特征。研究人员还发现，这种热固性聚合物可以在高达 75摄氏度（167华氏度）的温度下保护 DNA。目前，他们正在研究如何简化聚合物的制作过程，并将其制成胶囊，以便长期储存。对个性化医疗和未来研究的影响Cache DNA 是由 Banal 和 Bathe 创办的一家公司，Johnson 是该公司科学顾问委员会的成员。他们设想的最早应用是存储用于个性化医疗的基因组，他们还预计，随着未来更好技术的开发，这些存储的基因组可能会被进一步分析。"我们的想法是，为什么不永远保存生命的主记录呢？巴纳尔说。"10年或20年后，当科技的进步远远超出我们今天的想象时，我们可以了解到越来越多的东西。我们对基因组及其与疾病的关系的了解还处于起步阶段。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院的新型人工智能模型能准确预测人类行为

麻省理工学院的新型人工智能模型能准确预测人类行为 要建立能与人类有效协作的人工智能系统，首先要有一个良好的人类行为模型。但是，人类在做出决策时往往会有一些次优行为。这种非理性尤其难以建模，通常归结为计算上的限制。人类不可能花几十年的时间去思考一个问题的理想解决方案。开发新的建模方法麻省理工学院和华盛顿大学的研究人员开发了一种为代理（无论是人类还是机器）的行为建模的方法，这种方法考虑到了可能妨碍代理解决问题能力的未知计算限制。他们的模型只需看到代理之前的一些行为痕迹，就能自动推断出代理的计算限制。其结果，即一个代理的所谓"推理预算"，可用于预测该代理的未来行为。实际应用和模型验证在一篇新论文中，研究人员展示了他们的方法如何用于从先前的路线推断某人的导航目标，以及预测棋手在国际象棋比赛中的后续行动。他们的技术与另一种用于此类决策建模的流行方法不相上下，甚至更胜一筹。最终，这项工作可以帮助科学家教会人工智能系统人类的行为方式，从而使这些系统能够更好地回应人类合作者。电子工程与计算机科学（EECS）研究生、这一技术相关论文的第一作者阿图尔-保罗-雅各布（Athul Paul Jacob）说，能够理解人类的行为，然后从这种行为推断出他们的目标，会让人工智能助手变得更有用。"如果我们知道人类即将犯错，看到他们以前的行为方式，人工智能代理可以介入并提供更好的方法。或者，人工智能代理可以适应人类合作者的弱点。"他说："能够为人类行为建模，是建立一个能够真正帮助人类的人工智能代理的重要一步。"雅各布与华盛顿大学助理教授阿比舍克-古普塔（Abhishek Gupta）以及资深作者雅各布-安德烈亚斯（Jacob Andreas）共同撰写了这篇论文，雅各布-安德烈亚斯是电子工程科学系副教授和计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）成员。这项研究将在学习表征国际会议（International Conference on Learning Representations）上发表。行为建模几十年来，研究人员一直在建立人类行为的计算模型。许多先前的方法都试图通过在模型中加入噪音来解释次优决策。模型可能会让代理人在 95% 的情况下做出正确的选择，而不是让代理人总是选择正确的选项。然而，这些方法可能无法捕捉到这样一个事实，即人类并不总是以同样的方式做出次优行为。麻省理工学院的其他人还研究了在决策不理想的情况下制定计划和推断目标的更有效方法。为了建立他们的模型，雅各布和他的合作者从之前对国际象棋选手的研究中汲取了灵感。他们注意到，棋手在走简单的棋步时，在行动前花费的思考时间较少，而在具有挑战性的比赛中，实力较强的棋手往往比实力较弱的棋手花费更多的时间进行规划。雅各布说："最后，我们发现，规划的深度，或者说一个人思考问题的时间长短，可以很好地代表人类的行为方式。"他们建立了一个框架，可以从先前的行动中推断出代理的规划深度，并利用该信息来模拟代理的决策过程。方法的第一步是在一定时间内运行算法，以解决所研究的问题。例如，如果研究的是一场国际象棋比赛，他们可能会让下棋算法运行一定步数。最后，研究人员可以看到算法在每一步做出的决定。他们的模型会将这些决策与解决相同问题的代理行为进行比较。它将使代理的决策与算法的决策保持一致，并确定代理停止规划的步骤。由此，模型可以确定代理的推理预算，或该代理将为这一问题计划多长时间。它可以利用推理预算来预测该代理在解决类似问题时会如何反应。可解释的解决方案这种方法非常高效，因为研究人员无需做任何额外工作，就能获取解决问题的算法所做的全部决策。这一框架也可应用于任何可以用某一类算法解决的问题。"对我来说，最令人震惊的是，这种推理预算是非常可解释的。它是说，更难的问题需要更多的规划，或者说，成为一名强者意味着需要更长时间的规划。"雅各布说："我们刚开始着手做这件事的时候，并没有想到我们的算法能够自然而然地发现这些行为。"研究人员在三个不同的建模任务中测试了他们的方法：从先前的路线推断导航目标、从某人的语言暗示猜测其交流意图，以及预测人与人国际象棋比赛中的后续棋步。在每次实验中，他们的方法要么与流行的替代方法相匹配，要么优于后者。此外，研究人员还发现，他们的人类行为模型与棋手技能（国际象棋比赛）和任务难度的测量结果非常吻合。展望未来，研究人员希望利用这种方法为其他领域的规划过程建模，例如强化学习（机器人技术中常用的一种试错方法）。从长远来看，他们打算在这项工作的基础上继续努力，以实现开发更有效的人工智能合作者这一更远大的目标。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院在将二维材料集成到设备方面取得突破

麻省理工学院在将二维材料集成到设备方面取得突破 这幅艺术家的作品展示了麻省理工学院研究人员开发的一种新型集成平台。通过对表面力进行工程设计，他们只需一个接触和释放步骤，就能将二维材料直接集成到设备中。图片来源：Sampson Wilcox/电子研究实验室提供但是，将二维材料集成到计算机芯片等设备和系统中是众所周知的难题。这些超薄结构可能会受到传统制造技术的破坏，这些技术通常依赖于使用化学品、高温或蚀刻等破坏性工艺。为了克服这一挑战，麻省理工学院和其他大学的研究人员开发出了一种新技术，只需一步就能将二维材料集成到设备中，同时保持材料表面和由此产生的界面原始无缺陷。他们的方法依赖于纳米级的工程表面力，使二维材料可以物理叠加到其他预制设备层上。由于二维材料不会受损，研究人员可以充分利用其独特的光学和电学特性。所开发的平台利用行业兼容的工具集，使这一过程可以扩展。在这里，主要作者彼得-萨特斯韦特（Peter Satterthwaite）使用 MIT.nano 中修改过的配准工具进行图案化配准集成。他们利用这种方法制造出了二维晶体管阵列，与使用传统制造技术制造出的器件相比，实现了新的功能。他们的方法用途广泛，可用于多种材料，可在高性能计算、传感和柔性电子器件等领域广泛应用。释放这些新功能的核心是形成清洁界面的能力，所有物质之间存在的特殊力量（称为范德华力）将这些界面连接在一起。电子工程与计算机科学（EECS）助理教授、电子学研究实验室（RLE）成员 Farnaz Niroui 是介绍这项工作的新论文的资深作者。"范德华积分有一个基本限制，"她解释说，"由于这些作用力取决于材料的内在特性，因此无法轻易调整。因此，有些材料无法仅利用其范德华相互作用来直接相互整合。我们提出了一个解决这一限制的平台，以帮助范德华集成变得更加通用，从而促进具有新功能和改进功能的基于二维材料的设备的开发。"Niroui 与论文第一作者、电子工程与计算机科学研究生 Peter Satterthwaite，电子工程与计算机科学教授、RLE 成员 Jing Kong，以及麻省理工学院、波士顿大学、台湾国立清华大学、台湾国家科学技术委员会和台湾国立成功大学的其他人共同撰写了这篇论文，这项研究最近发表在《自然-电子学》上。纳米级表面力的多样性使研究人员能够将粘合剂基质转移到许多不同的材料上。例如，在这里，通过使用粘合聚合物，他们能够将图案化的石墨烯（一原子厚的碳薄片）从源基底（上图）转移到接收粘合聚合物（下图）上。图片来源：Niroui 小组提供使用传统制造技术制造计算机芯片等复杂系统可能会变得一团糟。通常情况下，像硅这样的硬质材料会被凿成纳米级，然后与金属电极和绝缘层等其他元件连接，形成有源器件。这种加工过程会对材料造成损害。最近，研究人员专注于使用二维材料和一种需要连续物理堆叠的工艺，自下而上地构建设备和系统。在这种方法中，研究人员不是使用化学胶水或高温将脆弱的二维材料粘合到硅等传统表面上，而是利用范德华力将一层二维材料物理集成到设备上。范德华力是存在于所有物质之间的自然吸引力。例如，壁虎的脚会因为范德华力而暂时粘在墙上。虽然所有材料都存在范德华力，但根据材料的不同，范德华力并不总是强大到足以将它们粘在一起。例如，一种名为二硫化钼的流行半导体二维材料会粘在黄金上，但不会通过与二氧化硅等绝缘体表面的物理接触直接转移到该表面上。然而，通过整合半导体层和绝缘层制成的异质结构是电子设备的关键组成部分。以前，实现这种集成的方法是将二维材料粘合到一个中间层（如金）上，然后使用该中间层将二维材料转移到绝缘体上，最后再使用化学品或高温去除中间层。麻省理工学院的研究人员没有使用这种牺牲层，而是将低粘性绝缘体嵌入高粘性基质中。这种粘合基质使二维材料粘附在嵌入的低粘合力表面上，提供了在二维材料和绝缘体之间形成范德华界面所需的力。制作矩阵为了制造电子设备，他们在载体基底上形成金属和绝缘体的混合表面。然后将该表面剥离并翻转，就会看到一个完全光滑的顶面，其中包含所需的器件构件。这种光滑度非常重要，因为表面和二维材料之间的间隙会阻碍范德华相互作用。然后，研究人员在完全洁净的环境中单独制备二维材料，并将其与制备好的器件堆栈直接接触。"一旦混合表面与二维层接触，无需任何高温、溶剂或牺牲层，它就能拾取二维层并将其与表面整合在一起。"萨特斯韦特解释说："通过这种方式，我们可以实现传统上被禁止的范德华集成，但现在却可以实现，而且只需一步就能形成功能齐全的器件。"这种单步工艺可使二维材料界面保持完全清洁，从而使材料达到其性能的基本极限，而不会受到缺陷或污染的影响。而且，由于二维材料的表面也保持原始状态，研究人员可以对二维材料的表面进行工程设计，以形成与其他元件的特征或连接。例如，他们利用这种技术制造出了 p 型晶体管，而利用二维材料制造这种晶体管通常是具有挑战性的。他们的晶体管在以前的研究基础上有所改进，可以为研究和实现实用电子产品所需的性能提供一个平台。展望未来他们的方法可以大规模地制造更大的装置阵列。粘合基质技术还可用于一系列材料，甚至与其他力量结合使用，以增强这一平台的多功能性。例如，研究人员将石墨烯集成到器件上，利用聚合物基质形成所需的范德华界面。在这种情况下，粘附依靠的是化学作用，而不仅仅是范德华力。未来，研究人员希望以此平台为基础，整合各种二维材料库，在不受加工损伤影响的情况下研究其内在特性，并利用这些卓越功能开发新的设备平台。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

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：

麻省理工学院在土星最大卫星土卫六上发现惊人的波浪活动

麻省理工学院在土星最大卫星土卫六上发现惊人的波浪活动 土卫六表面，麻省理工学院地质学家的模拟结果表明，土星最大卫星土卫六上的湖泊和海洋是由海浪侵蚀形成的。图片来源：NASA/JPL-Caltech土卫六是土星最大的卫星，也是太阳系中目前唯一拥有活跃河流、湖泊和海洋的行星。这些异世界的河流系统被认为充满了液态甲烷和乙烷，它们流入宽阔的湖泊和海洋，有些甚至与地球上的五大湖一样大。2007 年，美国国家航空航天局卡西尼号宇宙飞船拍摄的图像证实了土卫六上存在大型海洋和小型湖泊。从那时起，科学家们就开始仔细研究这些图像和其他图像，寻找月球神秘液体环境的线索。现在，麻省理工学院的地质学家研究了土卫六的海岸线，并通过模拟显示，月球上的大海洋很可能是由海浪形成的。到目前为止，科学家们根据土卫六表面的遥感图像，发现了间接的、相互矛盾的波浪活动迹象。土卫六的湖泊麻省理工学院的研究人员利用模拟技术研究了土卫六海岸线的侵蚀情况，发现土卫六最大的卫星上有活跃的河流、湖泊和海洋，很可能是由海浪形成的。资料来源：美国国家航空航天局麻省理工学院的研究小组采用了一种不同的方法来研究土卫六上是否存在波浪，他们首先模拟了地球上湖泊的侵蚀方式。然后，他们将模型应用于土卫六的海洋，以确定卡西尼号图像中的海岸线是由哪种形式的侵蚀造成的。他们发现，海浪是最有可能的解释。研究人员强调，他们的结果并不是最终结果；要证实土卫六上有波浪，需要对月球表面的波浪活动进行直接观测。麻省理工学院地球、大气和行星科学塞西尔和艾达-格林教授泰勒-佩伦（Taylor Perron）说："根据我们的研究结果，我们可以说，如果土卫六海域的海岸线受到侵蚀，那么海浪很可能是罪魁祸首。如果我们能站在土卫六海洋的边缘，我们可能会看到液态甲烷和乙烷的波浪拍打着海岸，并在风暴期间撞击海岸。它们会侵蚀海岸的材料。"模型景观示例，从河谷被洪水淹没的海岸线（左）开始，被海浪侵蚀（右上）或均匀侵蚀（右下）。图片来源：研究人员提供佩伦和他的同事们，包括第一作者罗斯-巴勒莫（前麻省理工学院-伍兹霍尔海洋研究所联合项目研究生、美国地质调查局研究地质学家），将在即将出版的《科学进展》（Science Advances）杂志上发表他们的研究成果。他们的合著者包括麻省理工学院研究科学家杰森-索德布洛姆（Jason Soderblom）、麻省理工学院前博士后萨姆-伯奇（Sam Birch，现为布朗大学助理教授）、伍兹霍尔海洋研究所的安德鲁-阿什顿（Andrew Ashton）和康奈尔大学的亚历山大-海斯（Alexander Hayes）。自从卡西尼号发现土卫六表面有液体以来，土卫六上是否存在波浪一直是一个颇具争议的话题。帕勒莫说："一些试图寻找海浪证据的人没有看到任何海浪，他们说，'这些海面平滑如镜'。其他人说，他们确实看到液体表面有些粗糙，但不确定是否是波浪造成的。"了解土卫六海域是否有波浪活动，可以为科学家提供有关月球气候的信息，例如可以掀起这种波浪的风的强度。波浪信息还可以帮助科学家预测土卫六海域的形状可能会如何随时间演变。佩伦说，研究小组并没有在土卫六的图像中寻找波浪状特征的直接迹象，而是"另辟蹊径，通过观察海岸线的形状，来判断是什么侵蚀了海岸"。土卫六的海洋被认为是在不断上升的液体淹没了河谷纵横交错的地貌后形成的。研究人员对接下来可能发生的三种情况进行了归纳：没有海岸侵蚀；由海浪驱动的侵蚀；以及"均匀侵蚀"，即由"溶解"（液体被动地溶解海岸的物质）或海岸在自身重量的作用下逐渐剥落的机制驱动。研究人员模拟了三种情况下各种海岸线形状的演变过程。为了模拟波浪驱动的侵蚀，研究人员考虑了一个名为"fetch"的变量，它描述了从海岸线上的一点到湖泊或海洋对岸的物理距离。"波浪侵蚀受波浪高度和角度的影响，"巴勒莫解释道。"我们用风口来估算波浪的高度，因为风口越大，风能吹过的距离就越长，波浪也就越大。"为了测试三种情况下的海岸线形状有何不同，研究人员首先模拟了一个边缘有洪水河谷的海域。对于波浪驱动的侵蚀，他们计算了海岸线上每一点到其他每一点的距离，并将这些距离转换成波浪高度。然后，他们进行模拟，观察波浪如何随着时间的推移侵蚀起始海岸线。他们将此与同一海岸线在均匀侵蚀作用下的演变情况进行了比较。研究小组对数百种不同的起始海岸线形状重复进行了这种比较建模。他们发现，根据不同的基本机制，末端形状也大不相同。最值得注意的是，均匀侵蚀产生了膨胀的海岸线，即使在被洪水淹没的河谷中，海岸线也会均匀地向四周拓宽，而波浪侵蚀则主要使海岸线暴露在长取水距离中的部分变得平滑，使被洪水淹没的河谷变得狭窄和粗糙。佩伦说："我们有相同的起始海岸线，我们看到在均匀侵蚀和波浪侵蚀的情况下，最终的形状是完全不同的。由于河谷被洪水淹没，它们看起来都有点像会飞的意大利面条怪，但这两种侵蚀产生的终点却截然不同。"研究小组将他们的模拟结果与地球上的实际湖泊进行了比较，从而检验了他们的研究结果。他们发现，已知受到海浪侵蚀的地球湖泊与受到均匀侵蚀（如石灰岩溶解）影响的湖泊在形状上存在相同的差异。他们的建模揭示了清晰、特征明显的海岸线形状，这取决于它们的进化机制。研究小组于是想知道在这些特征形状中，土卫六的海岸线会分布在哪里呢？他们特别关注了土卫六最大、地图最清晰的四个海域：克拉肯海（Kraken Mare）的大小与里海相当；莱吉亚海（Ligeia Mare）比苏必利尔湖大；彭加海（Punga Mare）比维多利亚湖长；安大略海（Ontario Lacus）的大小约为其陆地同名海的 20%。研究小组利用卡西尼号的雷达图像绘制了土卫六每个海域的海岸线，然后将他们的建模应用于每个海域的海岸线，看看哪种侵蚀机制最能解释它们的形状。他们发现，所有四个海域都完全符合波浪驱动侵蚀模型，这意味着波浪产生的海岸线与土卫六的四个海域最为相似。如果海岸线受到侵蚀，其形状更符合海浪侵蚀的特征，而不是均匀侵蚀或根本没有侵蚀。研究人员正在努力确定土卫六的风必须有多强，才能激起海浪，反复冲刷海岸。他们还希望通过土卫六海岸线的形状来判断风主要是从哪个方向吹来的。"土卫六展示了一个完全未受影响的系统，"巴勒莫说。"它可以帮助我们了解海岸在不受人类影响的情况下是如何侵蚀的，也许这可以帮助我们将来更好地管理地球上的海岸线"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：