從腦洞大開到動(dòng)手成真-來自實(shí)驗(yàn)室的科技成果擷英

1、從腦洞大開到動(dòng)手成真來自實(shí)驗(yàn)室的科技成果擷英從20世紀(jì)初到現(xiàn)在是科學(xué)技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)的時(shí)代。 這一階段人類取得的科技成就和創(chuàng)造的物質(zhì)財(cái)富超過了以 往任何時(shí)期。而這些科技成果幾乎無一例外都是先由科學(xué) 家的大膽設(shè)想開始，然后在實(shí)驗(yàn)室反復(fù)實(shí)驗(yàn)，接著在市 場(chǎng)中鍛煉成長(zhǎng)，最終成為改變世界、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)持 續(xù)發(fā)展的科技力量。強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)室正是國(guó)家科技力量的 強(qiáng)大支撐。從這些實(shí)驗(yàn)室里正經(jīng)久不息地傳出令人振奮 的科技捷報(bào)。3D打印成為“變色龍”美國(guó)科學(xué)進(jìn)展在線期刊近日發(fā)表了一項(xiàng)新研究。 該研究顯示，經(jīng)改進(jìn)的3D打印可實(shí)現(xiàn)油墨由單一顏色生成 多種顏色。自然界中鮮艷的顏色源自被稱為結(jié)構(gòu)著色的納米效應(yīng)。 動(dòng)物的翼下

2、、皮膚或礦物質(zhì)中存在某種周期性結(jié)構(gòu)。光線 從這些結(jié)構(gòu)反射時(shí)會(huì)相互影響，導(dǎo)致不同波長(zhǎng)同時(shí)出現(xiàn)放 大或抑制的現(xiàn)象。研究人員表示，當(dāng)這些結(jié)構(gòu)井然有序且 足夠小時(shí)，反射線就會(huì)呈現(xiàn)出美麗的色彩。研究團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)、美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校化學(xué)與生 物分子工程學(xué)教授刁穎（音譯）說：“讓生產(chǎn)環(huán)保涂料和高 選擇性濾光片等的聚合物呈現(xiàn)鮮艷色彩是具有挑戰(zhàn)性的。 這需要精確控制聚合物的合成和加工過程，以形成難以想 象薄而有序的表層，從而產(chǎn)生我們?cè)谧匀唤缈吹降念伾??！痹撗芯繄?bào)告指出，通過仔細(xì)調(diào)整3D打印過程中結(jié)構(gòu) 獨(dú)特瓶刷狀聚合物的組裝順序，就可以打印可調(diào)整厚度的 光子晶體。這種晶體可反射來自油墨的可見光譜，這種油 墨具有

3、兩個(gè)鍵合的、不同鏈段的支鏈聚合物。研究人員將 材料溶解在溶液中，該溶液在印刷前就將聚合物鏈粘合 在一起。待溶液干燥后，各組分在微觀尺度上分離形成 納米級(jí)層，這些納米級(jí)層根據(jù)組裝速度表現(xiàn)出不同的物 理特性。“聚合物合成的最大挑戰(zhàn)是將納米級(jí)組裝所需精度與 3D打印過程所需大量材料生產(chǎn)結(jié)合起來?！被瘜W(xué)與生物分 子工程學(xué)教授達(dá)米安吉倫內(nèi)說。在實(shí)驗(yàn)室中，研究團(tuán)隊(duì)使用改良的家用3D打印機(jī)微調(diào) 打印噴嘴在溫度受控表面的移動(dòng)速度。“對(duì)油墨沉積速度和 溫度的控制，使我們能夠控制納米級(jí)的組裝速度和內(nèi)層厚 度。這是普通3D打印機(jī)無法做到的。”該研究主要參與者 畢加帕特爾說，“這決定了光如何從它們中反射出來，進(jìn) 而決

4、定人們看到的顏色?！毖芯咳藛T說，用這種方法獲得的色譜是有限的，但他 們正通過研究此過程中的動(dòng)力學(xué)知識(shí)并加以改進(jìn)，以期擴(kuò) 大色譜范圍。此外，由于當(dāng)前的方法不適合大批量打印，研究團(tuán)隊(duì) 正致力于提升該過程的工業(yè)相關(guān)性。他們正在與伊利諾伊 大學(xué)的其他科研小組合作，開發(fā)易于控制的聚合物和印刷 工藝，使其更接近于匹配自然產(chǎn)生的鮮艷色彩。石墨烯生產(chǎn)新突破奇妙的材料石墨烯可以因不同目的形成多種形態(tài)，但 生產(chǎn)超薄的石墨烯條是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)?，F(xiàn)在，歐美科學(xué)家們聲稱在這一領(lǐng)域取得了突破，他 們首次實(shí)現(xiàn)了在半導(dǎo)體表面直接有效地生產(chǎn)石墨烯納米帶。與構(gòu)成傳統(tǒng)蜂窩狀排列的石墨烯碳原子片相反，石墨 烯納米僅由幾個(gè)原子寬度的細(xì)

5、條組成。這種材料具有巨大 的潛力，可以作為比硅晶體管更便宜、更小巧的替代品。 它的運(yùn)行速度更快，消耗的功率也更少，甚至可作為在短 短5分鐘內(nèi)充電電池的電極。德國(guó)哈雷維滕貝格大學(xué)康斯坦丁安姆沙羅夫教授解 釋說：“這就是為什么全世界許多研究小組都將精力集中在 石墨烯納米帶上的原因。”一般而言，當(dāng)今的石墨烯納米帶是在黃金表面上合成 的。黃金作為其形成的催化劑，價(jià)格昂貴且導(dǎo)電，抵消了 納米帶的性能。這一缺點(diǎn)限制了其在實(shí)驗(yàn)室外的使用。因此, 需要將納米帶小心地轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面。但這并非易事。安姆沙羅夫與來自德國(guó)、美國(guó)和波蘭的研究人員合作 開發(fā)了更簡(jiǎn)單的石墨烯納米帶生產(chǎn)方法，通過將單個(gè)原子 連接在一起而實(shí)

6、現(xiàn)。這不僅使它們首次在半導(dǎo)電的非金屬 材料二氧化鈦表面上建立了石墨烯帶，而且使它們由材料 形狀和寬度決定的性能得以實(shí)現(xiàn)精心定制。“新方法使我們能夠完全控制石墨烯納米帶的組裝方 式，”安姆沙羅夫說，“該工藝具有技術(shù)意義，因?yàn)樗梢?在工業(yè)水平上使用，比以前的工藝更具成本效益。”該團(tuán)隊(duì)稱，這種新發(fā)現(xiàn)的能力可以直接在半導(dǎo)體表面 上生產(chǎn)可定制的石墨烯納米帶，過程無需中和其能力的金 屬表面。這開啟了令人興奮的可能性:不僅能充當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)， 還可能充當(dāng)高級(jí)電子設(shè)備（包括量子計(jì)算機(jī)）的有效半導(dǎo)體。 該研究發(fā)表在6月25日出版的美國(guó)科學(xué)雜志上。昆蟲防水層用于口罩通過對(duì)昆蟲外殼的研究，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的 研

7、究人員們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)之前無法識(shí)別的納米結(jié)構(gòu)。該納米 結(jié)構(gòu)可用于設(shè)計(jì)更堅(jiān)固、更具彈性的防水涂層。這項(xiàng)研究結(jié)果于7月17日發(fā)表在美國(guó)在線期刊科學(xué) 進(jìn)展上。因其具有較強(qiáng)的防水滴能力，該設(shè)計(jì)可應(yīng)用于個(gè)人防 護(hù)設(shè)備上，可更好地抵抗例如新冠病毒等病毒顆粒。賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系博士生、該論 文主要作者王林（音譯）說：“在過去的幾十年中，常規(guī)設(shè) 計(jì)的防水表層通?；诶绾扇~等植物。”經(jīng)典的工程理論已使用這種結(jié)構(gòu)來創(chuàng)建超疏水或疏水 表層。傳統(tǒng)上，它們由低固相材質(zhì)制造。這種質(zhì)地在低密 度的微觀毛發(fā)狀納米結(jié)構(gòu)上保持了極薄的空氣層，研究人 員將其比作冰球臺(tái)?！霸硎牵绻旱位蛭矬w漂浮在空氣 上方，它就不

8、會(huì)粘在表面上。”王林的指導(dǎo)老師，機(jī)械與生 物醫(yī)學(xué)工程學(xué)副教授王德成（音譯）說。但是，研究人員推出了一種完全不同的方法。在高分 辨率電子顯微鏡下檢查蚊子的眼睛、跳蟲的身體或蟬的翅 膀等表面時(shí)，王林發(fā)現(xiàn)，這些表層上的納米級(jí)毛發(fā)密度更高, 在工程學(xué)中被稱為高固體分材質(zhì)。經(jīng)過進(jìn)一步的探索，這 種與植物結(jié)構(gòu)的明顯偏離可能會(huì)帶來意料之外的防水益處?！跋胂褚幌?，如果在表面上具有高密度的納米結(jié)構(gòu)，” 王林說，“在更高的沖擊力下，可能保持空氣層的穩(wěn)定性?！边@也意味著堆積得更緊密的結(jié)構(gòu)可能能夠排斥例如雨 滴這樣高速移動(dòng)的液體。盡管這一設(shè)計(jì)概念對(duì)人類來說是陌生的，但研究人員 認(rèn)為這種納米結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)昆蟲在自然環(huán)境中的

9、適應(yīng)能力。王林說：“對(duì)于這些昆蟲外殼而言，排斥水滴可謂攸關(guān) 生死。雨滴的撞擊力足以將其帶到地面并致死。因此，對(duì) 它們而言保持干燥真的很重要。我們已掌握了如何做到這 一點(diǎn)?！苯柚鷱淖匀唤缰蝎@得的知識(shí)，研究人員希望將這種設(shè) 計(jì)原理應(yīng)用于新一代涂層。開發(fā)可以承受更快速度和更高 沖擊力的液滴防水表層，其用途顯然十分廣泛。從小型飛行機(jī)器人車輛（如美國(guó)亞馬遜公司希望用于 運(yùn)送包裹的無人機(jī)）到商用客機(jī)，都可以模仿這些昆蟲表 面的涂層以提高其效率和安全性?！拔覀兿Ｍ@種涂層可以用于聚丙乙烯。例如，如果有 人在面罩周圍打噴嚏，使用傳統(tǒng)涂層，那種高速液滴顆粒 可能會(huì)粘在聚丙乙烯表面?！蓖醯鲁烧f，“如果成功采用本

10、研究詳述的設(shè)計(jì)原理，將能夠更好地排斥這些水滴，并保 持表面無菌。”王德成說：“雖然我們?cè)陧?xiàng)目開始之初沒有想到應(yīng)用前 景，但是新冠病毒讓我們開始考慮如何使用該設(shè)計(jì)原理使 更多人受益。作為工程師，我們需要掌握這些發(fā)現(xiàn)并以有 意義的方式應(yīng)用它們?！边@項(xiàng)工作的下一步將是開發(fā)大規(guī)模經(jīng)濟(jì)高效的方法來 制造模仿這些特性的涂層。王德成說：“過去，我們沒有有效的表層可以排斥高速 水滴。但是昆蟲告訴了我們應(yīng)該怎么做。自然界有如此多 的例子，我們只需要向它們學(xué)習(xí)。”將海水變?yōu)槿剂厦绹?guó)羅切斯特大學(xué)、美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)匹茲 堡大學(xué)和美國(guó)。xEon能源公司的研究人員合作，證實(shí)了在 鉀的促進(jìn)下，碳化鉬催化劑能夠有效地

11、將二氧化碳轉(zhuǎn)化為 一氧化碳。這是將海水變成燃料的關(guān)鍵一步?！斑@是該碳化鉬催化劑可以在工業(yè)規(guī)模上使用的第 一個(gè)證明?！绷_切斯特大學(xué)化學(xué)工程系助理教授馬克波 羅索夫說。在7月7日出版的英國(guó)能源與環(huán)境科學(xué)雜志的一 篇論文中，研究人員們描述了他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室和中試規(guī)模上 進(jìn)行的一系列詳盡的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。除少數(shù)核動(dòng)力航母和潛艇外，大多數(shù)海軍艦船必須定 期與油輪對(duì)接以補(bǔ)充燃油，這在惡劣天氣下極為困難。如 果海軍艦船能夠在航行中通過海水產(chǎn)生自己所需的燃料， 那么艦船就可以輕松繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。2014年，由希瑟威勞領(lǐng)導(dǎo)的海軍研究實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)宣 布，其已使用催化轉(zhuǎn)化器從海水中提取二氧化碳和氫氣， 然后以92%的效率將氣體轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴。從那時(shí)起，美國(guó)科學(xué)家們就把攻關(guān)重點(diǎn)放在提高過程 效率和擴(kuò)大規(guī)模上。在海水中提取的二氧化碳極難通過現(xiàn)有方法直接轉(zhuǎn)化 為液態(tài)烴。因此，必須首先通過逆水煤氣變換（RWGS）反 應(yīng)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳，然后通過費(fèi)托合成將一氧 化碳轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴。通常，逆水煤氣變換的催化劑包含昂貴的貴金屬并且 在反應(yīng)條件下會(huì)迅速失活。但是，鉀改性的碳化鉬催化劑 是由低成本物質(zhì)合成的，且在連續(xù)10天的中試規(guī)模研究運(yùn) 行中沒有出現(xiàn)任何失活跡象。這就是這一碳化鉬催化劑被 人們珍視的主要原因。波羅索夫發(fā)現(xiàn)，在Y-氧化鋁表面支撐的碳化鉬催化 劑中添加鉀，可以作為低成本、穩(wěn)定且高選擇性的催化劑， 在逆水煤氣變