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液體形式存在的壓電材料首現(xiàn)

美國(guó)密歇根州立大學(xué)化學(xué)家首次在液體中觀察到了壓電效應(yīng)。研究團(tuán)隊(duì)指出，液體壓電材料比固體壓電材料更環(huán)保，有望在多個(gè)領(lǐng)域“大顯身手”。相關(guān)研究刊發(fā)于2023年第11期《物理化學(xué)快報(bào)》雜志。

到目前為止，所有壓電材料都是固體。這種材料之所以被稱為壓電材料，是因?yàn)樗鼈兙哂姓Ｇ闆r下保持電荷，在承受壓力時(shí)釋放電荷的特性。這些固體壓電材料目前被廣泛用于聲吶設(shè)備、吉他拾音器和手機(jī)揚(yáng)聲器等產(chǎn)品中。在最新研究中，密歇根州立大學(xué)化學(xué)家伊克巴勒·侯賽因等人發(fā)現(xiàn)了迄今第一種在室溫下以液體形式存在的壓電材料。

最新發(fā)現(xiàn)的液體壓電材料是一種離子液體，離子液體由具有不對(duì)稱性的柔性有機(jī)陽離子和具有對(duì)稱性的弱配位陰離子的鹽制成。電在這些離子液體內(nèi)部積聚，研究人員在用活塞向圓柱體內(nèi)的離子液體樣本施加壓力時(shí)發(fā)現(xiàn)，電被釋放出來。他們還發(fā)現(xiàn)，釋放的電量與施加的壓力成正比。進(jìn)一步的測(cè)試表明，離子液體的光學(xué)性質(zhì)在其釋放電流時(shí)發(fā)生了變化，在某些情況下，液體彎曲光線的方式也發(fā)生了變化。

研究團(tuán)隊(duì)目前仍無法解釋為什么離子液體具有壓電效應(yīng)，但他們認(rèn)為，施加壓力可能有助于分離液體中的電荷，從而釋放出一些電荷。

（來源：科技日?qǐng)?bào)）

首個(gè)嵌入織物的纖維泵制成或改變可穿戴技術(shù)游戲規(guī)則

科技日?qǐng)?bào)2023年4月2日?qǐng)?bào)道，許多基于流體的可穿戴輔助技術(shù)需要將一個(gè)大而嘈雜的泵整合到衣服中，這導(dǎo)致可穿戴設(shè)備與不可穿戴的泵捆綁在一起?，F(xiàn)在，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員開發(fā)出世界上第一臺(tái)纖維形式的泵，這種光纖泵可被直接縫合到紡織品和服裝上，重量輕，功能強(qiáng)大，還可水洗。這項(xiàng)創(chuàng)新可應(yīng)用于從外骨骼到虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域，或?qū)⒏淖兛纱┐骷夹g(shù)的游戲規(guī)則。相關(guān)論文于2023年3月31日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

新研究是在研究人員2019年開發(fā)的可伸縮泵基礎(chǔ)上進(jìn)行的。光纖形式使研究人員能夠制造更輕、更強(qiáng)大的泵，與可穿戴技術(shù)更兼容。光纖泵使用電荷注入電流體動(dòng)力學(xué)的原理，在沒有任何移動(dòng)部件的情況下產(chǎn)生流體流動(dòng)。嵌入泵壁的兩個(gè)螺旋電極對(duì)一種特殊的非導(dǎo)電液體的分子進(jìn)行電離和加速。離子運(yùn)動(dòng)和電極形狀產(chǎn)生凈正向流體流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)安靜、無振動(dòng)的操作，并且只需要手掌大小的電源。

為了實(shí)現(xiàn)泵的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，研究人員開發(fā)了一種新的制造技術(shù)，將銅線和聚氨酯線纏繞在鋼棒上，然后將它們熱熔化。去除鋼棒后，可使用標(biāo)準(zhǔn)編織和縫紉技術(shù)將2毫米纖維整合到紡織品中。這種泵本質(zhì)上是一種能產(chǎn)生自身壓力和流量的管道。

該泵的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)具有許多優(yōu)點(diǎn)。所需的材料便宜且容易獲得，擴(kuò)展制造過程也比較輕松。由于泵產(chǎn)生的壓力大小與其長(zhǎng)度直接相關(guān)，因此可根據(jù)應(yīng)用情況對(duì)管道進(jìn)行切割，從而在優(yōu)化性能的同時(shí)將重量降至最低。堅(jiān)固的設(shè)計(jì)也使其適用于傳統(tǒng)的洗滌劑清洗。

論文還描述了由織物和嵌入式纖維泵制成的人造肌肉，這種肌肉可用來為柔軟的外骨骼提供動(dòng)力，幫助患者移動(dòng)和行走。該泵甚至可通過模擬溫度感覺為虛擬現(xiàn)實(shí)世界帶來新的維度。在這種情形下，用戶戴著一只手套，手套上的泵裝滿了熱的或冷的液體，用戶能夠感受到與虛擬物體接觸時(shí)溫度的變化。

（來源：科技日?qǐng)?bào)）

極長(zhǎng)壽命新型氧離子電池問世

科技日?qǐng)?bào)2023年3月29日?qǐng)?bào)道，鋰離子電池儲(chǔ)存能量非常高效，這使得大量能量可裝入一個(gè)相當(dāng)小的電池中。但鋰離子電池會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化，儲(chǔ)存電量越來越少，且易著火。奧地利維也納工業(yè)大學(xué)研究人員正試圖通過一項(xiàng)新發(fā)明來解決其中的一些問題，他們已成功開發(fā)出一種性能可與鋰離子電池媲美的氧離子電池，據(jù)稱這種電池壽命極長(zhǎng)。相關(guān)論文即將發(fā)表在美國(guó)《先進(jìn)能源材料》雜志上。

雖然氧離子電池不能提供與鋰離子電池一樣高的能量密度，但它的存儲(chǔ)容量不會(huì)隨著時(shí)間的推移而不可逆轉(zhuǎn)地降低。氧離子電池可在不含稀有元素的情況下生產(chǎn)，并且由不可燃材料制成。研究人員表示，這些電池的工作方式與鋰離子電池非常相似，它們使離子在兩個(gè)表面之間來回跳躍并產(chǎn)生電流。

維也納工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用一種名為氧化釔穩(wěn)定氧化鋯的陶瓷材料作為電解質(zhì)。陶瓷材料可吸收和釋放帶雙負(fù)電荷的氧離子。當(dāng)施加電壓時(shí)，氧離子從一種陶瓷材料遷移到另一種陶瓷材料，之后可使它們?cè)俅芜w移回來，從而產(chǎn)生電流。

陶瓷不易燃，這意味著它們不太可能著火，而鋰離子電池經(jīng)常會(huì)發(fā)生這種情況。此外，也不需用昂貴或只能以對(duì)環(huán)境有害的方式提取的稀有元素。

研究人員認(rèn)為，新電池技術(shù)最重要的優(yōu)勢(shì)在于其潛在的使用壽命。氧離子電池可以再生能量，如果氧氣由于副反應(yīng)而損失，那么損失可簡(jiǎn)單地通過空氣中的氧氣來補(bǔ)償。

（來源：科技日?qǐng)?bào)）

我國(guó)科學(xué)家證實(shí)水結(jié)晶可形成立方冰

2023年3月29日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心研究員白雪冬、副研究員王立芬團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)物理學(xué)院教授王恩哥、研究員陳基合作，在《自然》雜志在線發(fā)表文章，成功實(shí)現(xiàn)了以分子級(jí)分辨率觀測(cè)冰的生長(zhǎng)結(jié)晶過程，發(fā)現(xiàn)水結(jié)晶可以形成單晶立方冰，并展示了立方冰晶中存在兩種不同的缺陷結(jié)構(gòu)。

冰是物態(tài)最豐富的晶體之一，在目前已發(fā)現(xiàn)的二十種晶相中，僅有六角冰和立方冰可能存在于地球環(huán)境下。其中六角冰廣泛存在于自然界和人們?nèi)粘Ｉ钪?，而立方冰是否存在長(zhǎng)期以來具有爭(zhēng)議。

王立芬解釋，在實(shí)驗(yàn)室中，由于生長(zhǎng)過程常伴隨缺陷，傳統(tǒng)的衍射手段難以將立方冰與堆垛無序冰（六角冰與立方冰在堆垛面隨機(jī)分布的特殊結(jié)構(gòu)）區(qū)分開來，人們始終難以給出水結(jié)晶可以形成立方冰的直觀證據(jù)。

基于像差矯正電鏡和低劑量電子束成像技術(shù)，研究人員展示了-170 ℃左右的低溫襯底上氣相水凝結(jié)成冰晶的過程，發(fā)現(xiàn)立方冰在這種低溫襯底上優(yōu)先形核生長(zhǎng)。分子級(jí)成像證實(shí)了水結(jié)晶可以形成各種形貌不一的單晶立方冰。同時(shí)，隨著時(shí)間增加，冰晶整體中六角冰的占比逐漸增加。

研究人員分析，這表明異質(zhì)界面在立方冰的形成中起著重要作用。而自然界中常見的降雪大多都是水分子在灰塵礦物質(zhì)等表面的凝聚生長(zhǎng)，這種異質(zhì)界面無處不在。

進(jìn)一步地，研究人員表征了立方冰內(nèi)部的常見缺陷。根據(jù)是否引進(jìn)堆垛無序晶疇為標(biāo)準(zhǔn)，研究人員將立方冰內(nèi)部的常見缺陷分為兩類，并利用電子束的激發(fā)效應(yīng)探究了堆垛無序晶疇部分的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，這種富缺陷的結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，在電子束的擾動(dòng)下缺陷層發(fā)生結(jié)構(gòu)構(gòu)型的協(xié)同扭曲乃至整體的攀爬。

“這項(xiàng)研究創(chuàng)造性地利用透射電鏡對(duì)冰的形成以及動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行高分辨直接成像，以直觀的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)了水結(jié)晶可以形成單晶立方冰，有望促進(jìn)對(duì)冰與自然界關(guān)系的新認(rèn)識(shí)?！蓖趿⒎腋嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“我們利用透射電鏡將冰的實(shí)驗(yàn)研究深入到分子水平，這也為其他結(jié)構(gòu)敏感材料的研究提供了新思路?！?/p>

（來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)）

二維材料成功集成到硅微芯片內(nèi)

有望用于高級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算

科技日?qǐng)?bào)2023年3月28日?qǐng)?bào)道，沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)科學(xué)家在2023年3月27日出版的《自然》雜志上發(fā)表論文指出，他們成功將二維材料集成在硅微芯片上，并實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的集成密度、電子性能和良品率。研究成果將幫助半導(dǎo)體公司降低制造成本，以及人工智能公司減少數(shù)據(jù)處理時(shí)間和能耗。

二維材料有望徹底改變半導(dǎo)體行業(yè)，但盡管科學(xué)家們研制出了多款類似設(shè)備，但技術(shù)制備水平較低，因?yàn)榇蟛糠旨夹g(shù)使用與目前的半導(dǎo)體工業(yè)不兼容的合成和加工方法，在無功能的基板上制造出大型器件，且成品率較差。例如，IBM曾試圖將石墨烯集成到用于射頻應(yīng)用的晶體管中，但這些器件無法存儲(chǔ)或處理信息。

最新研究將名為多層六方氮化硼的二維絕緣材料（約6納米厚），集成到包含由互補(bǔ)金屬—氧化物半導(dǎo)體技術(shù)制成的硅晶體管的微芯片內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的集成密度、電子性能和良品率。研究人員表示，研制出的器件寬度僅260納米，能用于高級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算。未來大多數(shù)微芯片將會(huì)利用這些二維材料優(yōu)異的電子和熱屬性。

最新制造出的微芯片顯示出了高耐久性和特殊的電子性能，使制備出功耗極低的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為可能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，但現(xiàn)有大多數(shù)設(shè)備都不適合實(shí)現(xiàn)這種類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最新研究為此開辟了一條新途徑。此外，最新研究有望幫助微芯片制造商和人工智能公司開發(fā)新硬件，以減少數(shù)據(jù)處理時(shí)間并降低能耗。

研究人員強(qiáng)調(diào)，最新研究對(duì)納米電子和半導(dǎo)體領(lǐng)域來說具有重要意義，因?yàn)樗a(chǎn)的器件和電路性能優(yōu)異，且具有深遠(yuǎn)的工業(yè)應(yīng)用潛力。

（來源：科技日?qǐng)?bào)）

研究人員在燃料電池陰極ORR電催化劑上獲得突破

記者從武漢理工大學(xué)獲悉，該校材料科學(xué)與工程國(guó)際化示范學(xué)院劉勇教授團(tuán)隊(duì)在燃料電池陰極氧化還原反應(yīng)電催化劑的設(shè)計(jì)研究上獲得突破，設(shè)計(jì)合成出一維各向異性介孔Pt@Pt-skin？Pt？Ni核-殼框架納米線（CSFWs）高效電催化劑，在氧化還原反應(yīng)中表現(xiàn)出了較高的催化活性與電催化穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果2023年3月18日在線發(fā)表于《自然-通訊》上。

氧化還原反應(yīng)（ORR）是燃料電池新能源技術(shù)的核心反應(yīng)，是燃料電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵，發(fā)展新能源體系的高性能催化材料則成為重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。鉑（Pt）作為目前ORR公認(rèn)性能最好的電化學(xué)催化劑，在地殼中的儲(chǔ)存量少且價(jià)格昂貴，這導(dǎo)致了其在燃料電池領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用受阻。如何提高Pt催化劑的原子利用率、反應(yīng)活性和穩(wěn)定性一直是發(fā)展燃料電池等能源技術(shù)的核心問題。

目前，材料化學(xué)家們主要是通過調(diào)控催化劑的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分來提高Pt的利用率和催化性能，將Pt和其他廉價(jià)金屬如鎳（Ni）、鐵（Fe）等合金化并制備成三維（3D）多孔框架結(jié)構(gòu)是一種很有前途的方法。該方法不僅可以極大降低催化劑中Pt的含量，而且可以最大限度地暴露高活性位點(diǎn)。此外，一維（1D）納米結(jié)構(gòu)由于其固有的各向異性、較高的導(dǎo)電性，以及與碳載體存在更大的表面接觸，被認(rèn)為是提高Pt催化劑穩(wěn)定性的最有效途徑。

劉勇教授課題組綜合3D多孔納米框架和1D納米各向異性，設(shè)計(jì)合成出了一維各向異性介孔Pt@Pt-skin？Pt？Ni核-殼框架納米線（CSFWs）高效電催化劑。該催化劑由一維超細(xì)Pt納米線（～3 nm）和介孔Pt-skin Pt？Ni框架核-殼異質(zhì)構(gòu)筑，具有優(yōu)異的電催化活性、穩(wěn)定性和高Pt原子利用率。在ORR催化反應(yīng)中，該催化劑的質(zhì)量活性（MA）和比活性（SA）高達(dá)6.69 A/mgpt和8.42 mA/cm2，分別是商用Pt納米催化劑的29倍和26倍；同時(shí)催化劑也表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，50 000次循環(huán)后其活性衰減不到3%。

研究成果結(jié)合了三維開放的孔結(jié)構(gòu)和一維各向異性的優(yōu)點(diǎn)，有效地解決了Pt基催化劑在燃料電池陰極氧化還原反應(yīng)（ORR）中的瓶頸問題。

（來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)）

我國(guó)學(xué)者研制出細(xì)胞相容性超分子材料

記者2023年3月30日從安徽大學(xué)了解到，該校生命科學(xué)學(xué)院楊雪峰老師與華南理工大學(xué)邊黎明教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種凝聚層—水凝膠轉(zhuǎn)變策略，制備出孔徑為100微米的大孔水凝膠（MPH）。相關(guān)研究成果2023年3月12日發(fā)表在材料領(lǐng)域國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》上。

在水凝膠中引入大孔隙以形成大孔水凝膠（MPH），有望支持所負(fù)載細(xì)胞的球形生長(zhǎng)并增強(qiáng)其活力和生物功能。但是現(xiàn)有MPH主要通過模板法、冷凍法和氣體發(fā)泡法等途徑形成，這會(huì)導(dǎo)致以下問題：首先是孔隙形成過程不具有細(xì)胞相容性；其次，水凝膠的可注射性和孔隙連通性較差，因此無法滿足3D細(xì)胞球培養(yǎng)等生物醫(yī)學(xué)用途的需求。近年來，凝聚作用驅(qū)動(dòng)的液相分離在多個(gè)生物醫(yī)用領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，特別是在微結(jié)構(gòu)生物材料的構(gòu)建方面。

基于此，研究人員提出了一種凝聚層—水凝膠轉(zhuǎn)變策略，通過選定的二聚體間主—客體作用所形成的超分子組裝物的凝聚作用，制備出孔徑為100微米的MPH材料。由于超分子組裝物網(wǎng)絡(luò)中弱且可逆的超分子交聯(lián)作用賦予其類似液體的流變性能，這不僅使得超分子組裝物具有可注射性，而且有利于其在生理介質(zhì)中形成大孔凝聚體并最終向MPH轉(zhuǎn)變。

與具有相同初始力學(xué)性能的無孔靜態(tài)水凝膠相比，MPH優(yōu)異的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性和細(xì)胞相容的孔形成過程，可以更好地支持所封裝小鼠胚胎干細(xì)胞和人間充質(zhì)干細(xì)胞的成球化生長(zhǎng)和自我更新，從而顯著促進(jìn)其干性保持和軟骨化。研究人員表示，這種具有自進(jìn)化多孔結(jié)構(gòu)的、可注射和細(xì)胞相容的MPH，在細(xì)胞/類器官培養(yǎng)、細(xì)胞器模擬、藥物、細(xì)胞傳遞和組織再生等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

（來源：科技日?qǐng)?bào)）

新成果助力手性胺類和醚類化合物高效合成

記者從武漢大學(xué)獲悉，該校化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院陳才友教授的研究成果“銅催化氧親核試劑的立體匯聚烷基化”2023年3月30日在線發(fā)表于《自然》。

C—O鍵廣泛地存在于藥物、生物活性分子和材料分子等有機(jī)化合物中，因而C—O鍵的高效構(gòu)建在有機(jī)合成中極為重要。在藥物合成中，雜原子的烷/芳基化是使用率最高的反應(yīng)，而C—O鍵的構(gòu)建在雜原子的烷/芳基化中使用頻率最高，其出現(xiàn)頻次約占被報(bào)道的研究工作的9%～21%。最為高效的構(gòu)建C—O鍵的方法之一是氧親核試劑的烷基化反應(yīng)（Williamson反應(yīng)）。然而，Williamson反應(yīng)有很大的局限性，不能適用于二級(jí)以上的親電試劑等含有大位阻的反應(yīng)底物，同時(shí)也不能用于手性C—O鍵的構(gòu)建。不對(duì)稱Williamson反應(yīng)非常具有挑戰(zhàn)性，目前沒有相關(guān)報(bào)道。

陳才友/Gregory C. Fu教授通過引入Cu/手性噁唑啉催化劑，成功實(shí)現(xiàn)了alpha-鹵代二級(jí)酰胺與一系列的氧親核試劑（廣泛的酚、醇等）的不對(duì)稱C—O成鍵反應(yīng)。此外，該催化體系除了能實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱C—O成鍵反應(yīng)外，還能高效實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱C—N成鍵反應(yīng)，其中包括挑戰(zhàn)性的苯胺和未保護(hù)的烷基胺與烷基親電試劑的C—N成鍵反應(yīng)。該體系能用于合成廣泛的手性烷基醚和胺類化合物，其中包括直接合成IMPDH抑制劑和手性除草劑萘普草。

反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、電子順磁共振、DFT計(jì)算等機(jī)理研究表明，手性C—O及C—N鍵的構(gòu)建涉及Cu（Ⅲ）機(jī)制，其中經(jīng)歷自由基歷程。此外，反應(yīng)可能經(jīng)歷另一種涉及氮丙啶酮中間體的途徑，該途徑可以解釋外消旋的背景反應(yīng)和不對(duì)稱催化反應(yīng)的反應(yīng)速率相當(dāng)時(shí)為何催化體系仍然能取得優(yōu)異的對(duì)映選擇性。

該體系由于能同時(shí)實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)性的不對(duì)稱C—O和C—N鍵的構(gòu)建，并且使用廉價(jià)的豐產(chǎn)金屬Cu和可商業(yè)獲得的手性噁唑啉配體為催化劑，將為手性胺類和醚類化合物的高效合成打開快速發(fā)展的大門。

（來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)）