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液體形式存在的壓電材料首現(xiàn)

美國密歇根州立大學(xué)化學(xué)家首次在液體中觀察到了壓電效應(yīng)。研究團(tuán)隊指出，液體壓電材料比固體壓電材料更環(huán)保，有望在多個領(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》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，是因為它們具有正常情況下保持電荷，在承受壓力時釋放電荷的特性。這些固體壓電材料目前被廣泛用于聲吶設(shè)備、吉他拾音器和手機揚聲器等產(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稱性的柔性有機陽離子和具有對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)一步的測試表明，離子液體的光學(xué)性質(zhì)在其釋放電流時發(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：科技日報）

首個嵌入織物的纖維泵制成或改變可穿戴技術(shù)游戲規(guī)則

科技日報2023年4月2日報道，許多基于流體的可穿戴輔助技術(shù)需要將一個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。現(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，功能強大，還可水洗。這項創(chuàng)新可應(yīng)用于從外骨骼到虛擬現(xiàn)實等領(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力學(xué)的原理，在沒有任何移動部件的情況下產(chǎn)生流體流動。嵌入泵壁的兩個螺旋電極對一種特殊的非導(dǎo)電液體的分子進(jìn)行電離和加速。離子運動和電極形狀產(chǎn)生凈正向流體流動，從而實現(xiàn)安靜、無振動的操作，并且只需要手掌大小的電源。

為了實現(xiàn)泵的獨特結(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。

該泵的簡單設(shè)計具有許多優(yōu)點。所需的材料便宜且容易獲得，擴展制造過程也比較輕松。由于泵產(chǎn)生的壓力大小與其長度直接相關(guān)，因此可根據(jù)應(yīng)用情況對管道進(jìn)行切割，從而在優(yōu)化性能的同時將重量降至最低。堅固的設(shè)計也使其適用于傳統(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力，幫助患者移動和行走。該泵甚至可通過模擬溫度感覺為虛擬現(xiàn)實世界帶來新的維度。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溫度的變化。

（來源：科技日報）

極長壽命新型氧離子電池問世

科技日報2023年3月29日報道，鋰離子電池儲存能量非常高效，這使得大量能量可裝入一個相當(dāng)小的電池中。但鋰離子電池會隨著時間的推移而退化，儲存電量越來越少，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。相關(guān)論文即將發(fā)表在美國《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，但它的存儲容量不會隨著時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，氧離子從一種陶瓷材料遷移到另一種陶瓷材料，之后可使它們再次遷移回來，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)常會發(fā)生這種情況。此外，也不需用昂貴或只能以對環(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，那么損失可簡單地通過空氣中的氧氣來補償。

（來源：科技日報）

我國科學(xué)家證實水結(jié)晶可形成立方冰

2023年3月29日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員白雪冬、副研究員王立芬團(tuán)隊與北京大學(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，成功實現(xiàn)了以分子級分辨率觀測冰的生長結(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期以來具有爭議。

王立芬解釋，在實驗室中，由于生長過程常伴隨缺陷，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。分子級成像證實了水結(jié)晶可以形成各種形貌不一的單晶立方冰。同時，隨著時間增加，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，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)動力學(xué)。實驗觀測結(jié)合分子動力學(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。

“這項研究創(chuàng)造性地利用透射電鏡對冰的形成以及動力學(xué)行為進(jìn)行高分辨直接成像，以直觀的實驗證據(jù)證實了水結(jié)晶可以形成單晶立方冰，有望促進(jìn)對冰與自然界關(guān)系的新認(rèn)識?！蓖趿⒎腋嬖V《中國科學(xué)報》，“我們利用透射電鏡將冰的實驗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：中國科學(xué)報）

二維材料成功集成到硅微芯片內(nèi)

有望用于高級數(shù)據(jù)存儲和計算

科技日報2023年3月28日報道，沙特阿卜杜拉國王科技大學(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，因為大部分技術(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，能用于高級數(shù)據(jù)存儲和計算。未來大多數(shù)微芯片將會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)處理時間并降低能耗。

研究人員強調(diào)，最新研究對納米電子和半導(dǎo)體領(lǐng)域來說具有重要意義，因為所生產(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：科技日報）

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)與工程國際化示范學(xué)院劉勇教授團(tuán)隊在燃料電池陰極氧化還原反應(yīng)電催化劑的設(shè)計研究上獲得突破，設(shè)計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，在地殼中的儲存量少且價格昂貴，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。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，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：中國科學(xué)報）

我國學(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)胞的球形生長并增強其活力和生物功能。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)動的液相分離在多個生物醫(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：科技日報）

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化合物中，因而C—O鍵的高效構(gòu)建在有機合成中極為重要。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，不能適用于二級以上的親電試劑等含有大位阻的反應(yīng)底物，同時也不能用于手性C—O鍵的構(gòu)建。不對稱Williamson反應(yīng)非常具有挑戰(zhàn)性，目前沒有相關(guān)報道。

陳才友/Gregory C. Fu教授通過引入Cu/手性噁唑啉催化劑，成功實現(xiàn)了alpha-鹵代二級酰胺與一系列的氧親核試劑（廣泛的酚、醇等）的不對稱C—O成鍵反應(yīng)。此外，該催化體系除了能實現(xiàn)不對稱C—O成鍵反應(yīng)外，還能高效實現(xiàn)不對稱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)動力學(xué)、電子順磁共振、DFT計算等機理研究表明，手性C—O及C—N鍵的構(gòu)建涉及Cu（Ⅲ）機制，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)和不對稱催化反應(yīng)的反應(yīng)速率相當(dāng)時為何催化體系仍然能取得優(yōu)異的對映選擇性。

該體系由于能同時實現(xiàn)挑戰(zhàn)性的不對稱C—O和C—N鍵的構(gòu)建，并且使用廉價的豐產(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：中國科學(xué)報）