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科學(xué)家開發(fā)出可定制

和編程納米機(jī)器人

科技日報(bào)2024年11月27日報(bào)道 ，澳大利亞悉尼大學(xué)納米研究所團(tuán)隊(duì)利用DNA折紙技術(shù)，成功開發(fā)出定制設(shè)計(jì)且可編程的納米機(jī)器人。這一創(chuàng)新成果展示了廣泛的應(yīng)用前景，涵蓋靶向藥物遞送、響應(yīng)性材料以及節(jié)能光信號(hào)處理等多個(gè)領(lǐng)域，成果于27日刊登在《科學(xué)·機(jī)器人》雜志上。

DNA折紙技術(shù)基于DNA分子自身的折疊特性，通過精心設(shè)計(jì)，可構(gòu)建出全新的生物結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)此次制作了超過50種納米級(jí)別的物體模型，其中包括一個(gè)“納米恐龍”、一個(gè)“跳舞機(jī)器人”以及一幅寬度僅為150納米的微縮澳大利亞地圖。

該研究特別關(guān)注如何構(gòu)建模塊化的DNA折紙“體素”（類似于三維空間中的像素），以組裝成更為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可根據(jù)特定需求進(jìn)行編程調(diào)整，從而迅速生成各種形態(tài)的原型。此特性對(duì)于開發(fā)能完成合成生物學(xué)、納米醫(yī)學(xué)及材料科學(xué)研究任務(wù)的納米級(jí)機(jī)器人系統(tǒng)尤為重要。

團(tuán)隊(duì)通過引入額外的DNA鏈至納米結(jié)構(gòu)表面，用作可編程的連接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)體素間組合方式的精準(zhǔn)調(diào)控。這些連接點(diǎn)如同彩色尼龍搭扣一般，當(dāng)“顏色”（即DNA序列）匹配時(shí)才能相互連接，這確保了構(gòu)建過程中結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性和特異性。

這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用，在于制造能將藥物精準(zhǔn)遞送至體內(nèi)特定區(qū)域的納米機(jī)器人。借助DNA折紙技術(shù)，科學(xué)家能夠設(shè)計(jì)出對(duì)特定生物信號(hào)敏感的納米載體，保證藥物在預(yù)定的時(shí)間與地點(diǎn)釋放，極大提升了治療效果的同時(shí)減少了副作用。此外，團(tuán)隊(duì)也正在探索開發(fā)能對(duì)外界刺激作出反應(yīng)的新材料。這類材料能夠根據(jù)負(fù)載變化、溫度或酸堿度等因素調(diào)整自身屬性，有望影響醫(yī)療、計(jì)算和電子等多個(gè)行業(yè)。

（2024年11月27日 張夢然 科技日報(bào)）

新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)聚合物剛度

和拉伸性獨(dú)立控制

科技日報(bào)2024年11月27日報(bào)道，傳統(tǒng)材料學(xué)認(rèn)為，聚合物材料越硬，可拉伸性就越差。美國弗吉尼亞大學(xué)研究人員開發(fā)了一種新型聚合物設(shè)計(jì)方法，可能會(huì)顛覆這一延續(xù)近200年的傳統(tǒng)觀念。相關(guān)成果以封面論文的形式發(fā)表在27日《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

研究人員表示，他們正在解決一個(gè)自1839年硫化橡膠發(fā)明以來就被認(rèn)為無法解決的難題。當(dāng)時(shí)，美國發(fā)明家查爾斯·固特異意外發(fā)現(xiàn)，將天然橡膠與硫磺加熱后，橡膠分子鏈之間會(huì)形成化學(xué)交聯(lián)。交聯(lián)過程中形成聚合物網(wǎng)絡(luò)，使原本在高溫下會(huì)熔化和流動(dòng)的黏性橡膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟陀?、有彈性的材料。從那時(shí)起，人們一直認(rèn)為，如果想要讓聚合物網(wǎng)絡(luò)材料變硬，就必須犧牲其部分可拉伸性。

然而，弗吉尼亞大學(xué)研究人員用其研發(fā)的新型可折疊瓶刷狀聚合物網(wǎng)絡(luò)證明事實(shí)并非如此。

剛度和拉伸性是相互關(guān)聯(lián)的，因?yàn)樗鼈冊从谙嗤臉?gòu)成單元——通過交聯(lián)連接的聚合物鏈。傳統(tǒng)上，使聚合物網(wǎng)絡(luò)變硬的方法是增加交聯(lián)的數(shù)量。然而，這么做無法解決剛度與拉伸性之間的權(quán)衡問題。更多的交聯(lián)雖然可讓聚合物網(wǎng)絡(luò)更硬，但變形自由度卻變得更低，拉伸時(shí)很容易斷裂。

新設(shè)計(jì)的可折疊結(jié)構(gòu)并非簡單的線性聚合物鏈，而是呈現(xiàn)類似瓶刷的結(jié)構(gòu)，其中有許多靈活的側(cè)鏈從中心主鏈上輻射而出。主鏈能像手風(fēng)琴一樣折疊和展開，在材料被拉伸時(shí)，聚合物內(nèi)部的隱藏長度會(huì)展開，使其伸長量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)聚合物的40倍以上，且不會(huì)減弱其性能。此外，側(cè)鏈還決定了材料的剛度，從而實(shí)現(xiàn)了剛度和拉伸性的獨(dú)立控制。這種新方法側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)鏈的分子設(shè)計(jì)，而非交聯(lián)。

這種可折疊瓶刷狀聚合物網(wǎng)絡(luò)可3D打印，即使與無機(jī)納米粒子混合后，仍然能保持3D打印能力。這些無機(jī)納米粒子經(jīng)過設(shè)計(jì)，可展現(xiàn)出復(fù)雜的電學(xué)、磁學(xué)或光學(xué)性質(zhì)。例如，可以向其中添加導(dǎo)電納米粒子，這對(duì)可拉伸和可穿戴電子設(shè)備至關(guān)重要。

（2024年11月27日 張佳欣 科技日報(bào)）

超快充鋰硫電池續(xù)航上千公里

科技日報(bào)2024年11月28日報(bào)道，澳大利亞莫納什大學(xué)科學(xué)家研制出一款超快速充電鋰硫電池，可為長途旅行電動(dòng)汽車和商用無人機(jī)供電。相關(guān)論文11月15日在線發(fā)表于《先進(jìn)能源材料》雜志。

研究人員表示，這款新型電池能量密度為傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍，其“體重”更輕，價(jià)格更低廉。這一創(chuàng)新成果代表了可再生電池技術(shù)領(lǐng)域的一大進(jìn)展，并為更實(shí)用的鋰硫電池設(shè)定了新標(biāo)桿。

一直以來，鋰硫電池復(fù)雜的化學(xué)成分導(dǎo)致其充電速度緩慢，成為其商業(yè)化道路上的“絆腳石”。研究人員表示，他們受家用消毒劑甜菜堿化學(xué)成分的啟發(fā)，成功研制出一種新型催化劑。這種催化劑顯著提升了鋰硫電池的充放電速度，使其煥發(fā)新生。

測試結(jié)果顯示，這款鋰硫電池充電一次，就能讓電動(dòng)汽車行駛1 000公里，同時(shí)充電時(shí)間也大幅縮短至幾個(gè)小時(shí)。這一性能上的提升，使鋰硫電池不僅成為長途電動(dòng)汽車的優(yōu)選，也適用于電池輕量且能快速充電的航空和海運(yùn)等行業(yè)。

研究人員稱，隨著商業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，這項(xiàng)技術(shù)可以提供高達(dá)400瓦時(shí)/千克的能量密度，這非常適合航空領(lǐng)域，未來有望為高性能、可持續(xù)的電動(dòng)飛機(jī)供電。此外，傳統(tǒng)鋰電池依賴儲(chǔ)量有限且對(duì)環(huán)境有害的鈷等材料，而鋰硫電池則提供了一種更環(huán)保的選擇。他們正在不斷探索新方法，以進(jìn)一步提高這款鋰硫電池的充放電速度，同時(shí)減少所需鋰量。

（2024年11月28日 劉霞 科技日報(bào)）

新技術(shù)生產(chǎn)出高分散性

碳納米管粉末

科技日報(bào)2024年11月29日據(jù)美國趣味工程網(wǎng)站28日報(bào)道，韓國電氣技術(shù)研究院研發(fā)了一種全球首創(chuàng)的技術(shù)，能夠生產(chǎn)高分散性的碳納米管粉末。這項(xiàng)技術(shù)不僅簡化了碳納米管在二次電池（即充電電池或蓄電池）環(huán)保型干法工藝中的應(yīng)用，同時(shí)也為制造高容量電池開辟了新途徑，對(duì)促進(jìn)綠色儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)展具有重要意義，標(biāo)志著材料科學(xué)和可持續(xù)電池技術(shù)取得了進(jìn)一步進(jìn)展。

碳納米管以其卓越的機(jī)械強(qiáng)度（比鋼高出100倍），以及與銅相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電性而著稱。這種材料由長條狀的六角形碳環(huán)組成。相較于傳統(tǒng)二次電池中常用的碳黑等導(dǎo)電材料，碳納米管在導(dǎo)電性和柔韌性方面表現(xiàn)更為出色。

當(dāng)碳納米管用作導(dǎo)電添加劑加入到二次電池中時(shí)，能顯著提高電池的能量密度。不過，由于碳納米管有很強(qiáng)的自我聚集傾向，容易形成纏結(jié)結(jié)構(gòu)，這使得它在電池中與其他材料的混合變得十分困難。

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新技術(shù)，能夠有效地控制碳納米管束維持分離狀態(tài)，可大幅減少團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生，確保了碳納米管在干法加工過程中均勻分布。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了碳納米管小束在粉末狀態(tài)下的獨(dú)立存在，即使在沒有溶劑的情況下，也能利用其獨(dú)特的長條形結(jié)構(gòu)制造出高效導(dǎo)體。

這些高導(dǎo)電性的碳納米管通過在電池內(nèi)部材料間建立有效的電連接，極大提升了二次電池的整體性能。此外，干法工藝因其環(huán)保特性而備受青睞。它避免了有毒溶劑的使用，從而免去了溶劑回收步驟，簡化了生產(chǎn)流程并降低了成本。這也正是該技術(shù)吸引了全球電動(dòng)汽車制造商廣泛關(guān)注的關(guān)鍵因素之一。

（2024年11月29日 張佳欣 科技日報(bào)）

新型催化劑將水解制氫效率

提高200倍

科技日報(bào)2024年12月1日報(bào)道，德國馬克斯·普朗克研究所科學(xué)家研制出一種獨(dú)特的拓?fù)涫中跃w，并將其用作水解制氫過程中的催化劑。通過操控該晶體內(nèi)電子自旋，科學(xué)家將水解制氫效率提升了200倍。11月25日相關(guān)論文發(fā)表于《自然·能源》雜志。

作為一種清潔燃料，氫氣來源豐富、能量密度高，可替代化石燃料，用于運(yùn)輸、發(fā)電等多個(gè)領(lǐng)域。但是，目前99%的氫氣來源于化石能源重整，這一過程會(huì)排放出大量二氧化碳。而水解制氫技術(shù)通過將水分子分解為氫氣和氧氣來生產(chǎn)清潔的氫氣，無疑是一條極具前景的綠色能源之路。

不過，水解制氫也面臨不小的挑戰(zhàn)。其中，析氧反應(yīng)便是制約其效率提升的“絆腳石”。析氧反應(yīng)涉及一系列復(fù)雜且緩慢的電子轉(zhuǎn)移步驟，極大地降低了水分解過程的效率，進(jìn)而影響其成本效益。鑒于此，科學(xué)家正積極探索加快析氧反應(yīng)的新方法。

最新研究中，科學(xué)家設(shè)計(jì)出了一種由銠、硅、錫和鉍等多種元素組成的拓?fù)涫中跃w。這些晶體的原子具有獨(dú)特的左旋或右旋排列結(jié)構(gòu)，使其能以特定方式與光和其他手性分子相互作用。而且，這一晶體的獨(dú)特組成能高效地操控晶體內(nèi)電子的自旋，使電子在水分解過程中更快速地“奔赴”氧氣生成位點(diǎn)。

電子轉(zhuǎn)移速度的加快顯著提高了整體反應(yīng)速率。與利用傳統(tǒng)催化劑相比，新催化劑的加入將水分解過程的效率提高了200倍。但目前研制出的催化劑仍然含有稀有元素，未來將很快推出高效且可持續(xù)的催化劑。

（2024年12月1日 劉霞 科技日報(bào)）

電子元件輕松實(shí)現(xiàn)自組裝

科技日報(bào)2024年12月5日報(bào)道 ，美國北卡羅來納州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種創(chuàng)新的自組裝電子元件技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)能夠創(chuàng)建二極管和晶體管，為未來自行組裝更復(fù)雜的電子設(shè)備鋪平了道路，而這一切都不依賴于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)芯片制造工藝。該研究11月25日發(fā)表在《材料視野》雜志上。

因?yàn)樯婕岸鄠€(gè)步驟和技術(shù)，當(dāng)前的芯片制造過程復(fù)雜且成本高昂。然而，新的自組裝方法提供了一個(gè)更快、更經(jīng)濟(jì)的選擇。它不僅簡化了制造流程，還允許調(diào)整半導(dǎo)體材料的帶隙，使其對(duì)光敏感，從而可用于生產(chǎn)光電器件。

這種新穎的自組裝技術(shù)稱為定向金屬配體（D-Met）反應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)使用了一種特殊的菲爾德液態(tài)金屬——由銦、鉍和錫構(gòu)成的合金顆粒。這些顆粒被放進(jìn)模具后，他們將一種含有特定分子（稱為配體，主要由碳和氧組成）的溶液倒在液態(tài)金屬上。隨著溶液流過液態(tài)金屬顆粒并進(jìn)入模具，這些配體會(huì)從液態(tài)金屬表面捕獲離子，并按照特定的幾何圖案排列這些離子。

隨著溶液流入，離子開始形成更為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。溶液通過逐漸蒸發(fā)，幫助這些結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合并形成預(yù)期大小。團(tuán)隊(duì)再移除模具，對(duì)其加熱，以釋放出碳和氧原子。接下來，金屬離子與氧發(fā)生反應(yīng)形成半導(dǎo)體金屬氧化物，碳原子則形成了石墨烯薄片。最終，這些成分自發(fā)地組織成了一個(gè)有序的結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體金屬氧化物被石墨烯薄片包裹著。

利用這一技術(shù)，團(tuán)隊(duì)成功制造出了納米級(jí)和微米級(jí)的晶體管和二極管。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中用到了鉍元素，所以他們還能制造出光響應(yīng)結(jié)構(gòu)，可通過光來調(diào)控半導(dǎo)體特性。

D-Met技術(shù)的優(yōu)勢在于可以大規(guī)模生產(chǎn)這些材料，還可精確控制半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成。這項(xiàng)技術(shù)有望革新電子器件的制造方式，開啟一個(gè)更高效、更具靈活性的制造業(yè)未來。

該研究最引人注目之處是其靈活性和可擴(kuò)展性。通過調(diào)整溶液成分、模具設(shè)計(jì)及蒸發(fā)速率，科學(xué)家能精確控制最終產(chǎn)品的特性。這預(yù)示著，未來人們能根據(jù)具體需求，定制化生產(chǎn)高性能電子組件。這很可能是電子工程領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑，因?yàn)槠洳粌H推動(dòng)了基礎(chǔ)科學(xué)研究的進(jìn)步，也為工業(yè)應(yīng)用帶來全新視角和技術(shù)路徑，進(jìn)而改變生產(chǎn)和使用電子設(shè)備的方式。

（2024年12月5日 張夢然 科技日報(bào)）