从脑洞大开到动手成真-来自实验室的科技成果撷英

1、从脑洞大开到动手成真来自实验室的科技成果撷英从20世纪初到现在是科学技术发展突飞猛进的时代。 这一阶段人类取得的科技成就和创造的物质财富超过了以 往任何时期。而这些科技成果几乎无一例外都是先由科学 家的大胆设想开始，然后在实验室反复实验，接着在市 场中锻炼成长，最终成为改变世界、推动经济和社会持 续发展的科技力量。强大的实验室正是国家科技力量的 强大支撑。从这些实验室里正经久不息地传出令人振奋 的科技捷报。3D打印成为“变色龙”美国科学进展在线期刊近日发表了一项新研究。 该研究显示，经改进的3D打印可实现油墨由单一颜色生成 多种颜色。自然界中鲜艳的颜色源自被称为结构着色的纳米效应。 动物的翼下

2、、皮肤或矿物质中存在某种周期性结构。光线 从这些结构反射时会相互影响，导致不同波长同时出现放 大或抑制的现象。研究人员表示，当这些结构井然有序且 足够小时，反射线就会呈现出美丽的色彩。研究团队领导、美国伊利诺伊大学香槟分校化学与生 物分子工程学教授刁颖（音译）说：“让生产环保涂料和高 选择性滤光片等的聚合物呈现鲜艳色彩是具有挑战性的。 这需要精确控制聚合物的合成和加工过程，以形成难以想 象薄而有序的表层，从而产生我们在自然界看到的颜色。”该研究报告指出，通过仔细调整3D打印过程中结构 独特瓶刷状聚合物的组装顺序，就可以打印可调整厚度的 光子晶体。这种晶体可反射来自油墨的可见光谱，这种油 墨具有

3、两个键合的、不同链段的支链聚合物。研究人员将 材料溶解在溶液中，该溶液在印刷前就将聚合物链粘合 在一起。待溶液干燥后，各组分在微观尺度上分离形成 纳米级层，这些纳米级层根据组装速度表现出不同的物 理特性。“聚合物合成的最大挑战是将纳米级组装所需精度与 3D打印过程所需大量材料生产结合起来。”化学与生物分 子工程学教授达米安吉伦内说。在实验室中，研究团队使用改良的家用3D打印机微调 打印喷嘴在温度受控表面的移动速度。“对油墨沉积速度和 温度的控制，使我们能够控制纳米级的组装速度和内层厚 度。这是普通3D打印机无法做到的。”该研究主要参与者 毕加帕特尔说，“这决定了光如何从它们中反射出来，进 而决

4、定人们看到的颜色。”研究人员说，用这种方法获得的色谱是有限的，但他 们正通过研究此过程中的动力学知识并加以改进，以期扩 大色谱范围。此外，由于当前的方法不适合大批量打印，研究团队 正致力于提升该过程的工业相关性。他们正在与伊利诺伊 大学的其他科研小组合作，开发易于控制的聚合物和印刷 工艺，使其更接近于匹配自然产生的鲜艳色彩。石墨烯生产新突破奇妙的材料石墨烯可以因不同目的形成多种形态，但 生产超薄的石墨烯条是一项艰巨的任务。现在，欧美科学家们声称在这一领域取得了突破，他 们首次实现了在半导体表面直接有效地生产石墨烯纳米带。与构成传统蜂窝状排列的石墨烯碳原子片相反，石墨 烯纳米仅由几个原子宽度的细

5、条组成。这种材料具有巨大 的潜力，可以作为比硅晶体管更便宜、更小巧的替代品。 它的运行速度更快，消耗的功率也更少，甚至可作为在短 短5分钟内充电电池的电极。德国哈雷维滕贝格大学康斯坦丁安姆沙罗夫教授解 释说：“这就是为什么全世界许多研究小组都将精力集中在 石墨烯纳米带上的原因。”一般而言，当今的石墨烯纳米带是在黄金表面上合成 的。黄金作为其形成的催化剂，价格昂贵且导电，抵消了 纳米带的性能。这一缺点限制了其在实验室外的使用。因此, 需要将纳米带小心地转移到另一个表面。但这并非易事。安姆沙罗夫与来自德国、美国和波兰的研究人员合作 开发了更简单的石墨烯纳米带生产方法，通过将单个原子 连接在一起而实

6、现。这不仅使它们首次在半导电的非金属 材料二氧化钛表面上建立了石墨烯带，而且使它们由材料 形状和宽度决定的性能得以实现精心定制。“新方法使我们能够完全控制石墨烯纳米带的组装方 式，”安姆沙罗夫说，“该工艺具有技术意义，因为它可以 在工业水平上使用，比以前的工艺更具成本效益。”该团队称，这种新发现的能力可以直接在半导体表面 上生产可定制的石墨烯纳米带，过程无需中和其能力的金 属表面。这开启了令人兴奋的可能性:不仅能充当数据存储， 还可能充当高级电子设备（包括量子计算机）的有效半导体。 该研究发表在6月25日出版的美国科学杂志上。昆虫防水层用于口罩通过对昆虫外壳的研究，美国宾夕法尼亚州立大学的 研

7、究人员们发现了一个之前无法识别的纳米结构。该纳米 结构可用于设计更坚固、更具弹性的防水涂层。这项研究结果于7月17日发表在美国在线期刊科学 进展上。因其具有较强的防水滴能力，该设计可应用于个人防 护设备上，可更好地抵抗例如新冠病毒等病毒颗粒。宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系博士生、该论 文主要作者王林（音译）说：“在过去的几十年中，常规设 计的防水表层通常基于例如荷叶等植物。”经典的工程理论已使用这种结构来创建超疏水或疏水 表层。传统上，它们由低固相材质制造。这种质地在低密 度的微观毛发状纳米结构上保持了极薄的空气层，研究人 员将其比作冰球台。“原理是，如果液滴或物体漂浮在空气 上方，它就不

8、会粘在表面上。”王林的指导老师，机械与生 物医学工程学副教授王德成（音译）说。但是，研究人员推出了一种完全不同的方法。在高分 辨率电子显微镜下检查蚊子的眼睛、跳虫的身体或蝉的翅 膀等表面时，王林发现，这些表层上的纳米级毛发密度更高, 在工程学中被称为高固体分材质。经过进一步的探索，这 种与植物结构的明显偏离可能会带来意料之外的防水益处。“想像一下，如果在表面上具有高密度的纳米结构，” 王林说，“在更高的冲击力下，可能保持空气层的稳定性。”这也意味着堆积得更紧密的结构可能能够排斥例如雨 滴这样高速移动的液体。尽管这一设计概念对人类来说是陌生的，但研究人员 认为这种纳米结构可增强昆虫在自然环境中的

9、适应能力。王林说：“对于这些昆虫外壳而言，排斥水滴可谓攸关 生死。雨滴的撞击力足以将其带到地面并致死。因此，对 它们而言保持干燥真的很重要。我们已掌握了如何做到这 一点。”借助从自然界中获得的知识，研究人员希望将这种设 计原理应用于新一代涂层。开发可以承受更快速度和更高 冲击力的液滴防水表层，其用途显然十分广泛。从小型飞行机器人车辆（如美国亚马逊公司希望用于 运送包裹的无人机）到商用客机，都可以模仿这些昆虫表 面的涂层以提高其效率和安全性。“我们希望这种涂层可以用于聚丙乙烯。例如，如果有 人在面罩周围打喷嚏，使用传统涂层，那种高速液滴颗粒 可能会粘在聚丙乙烯表面。”王德成说，“如果成功采用本

10、研究详述的设计原理，将能够更好地排斥这些水滴，并保 持表面无菌。”王德成说：“虽然我们在项目开始之初没有想到应用前 景，但是新冠病毒让我们开始考虑如何使用该设计原理使 更多人受益。作为工程师，我们需要掌握这些发现并以有 意义的方式应用它们。”这项工作的下一步将是开发大规模经济高效的方法来 制造模仿这些特性的涂层。王德成说：“过去，我们没有有效的表层可以排斥高速 水滴。但是昆虫告诉了我们应该怎么做。自然界有如此多 的例子，我们只需要向它们学习。”将海水变为燃料美国罗切斯特大学、美国海军研究实验室、美国匹兹 堡大学和美国。xEon能源公司的研究人员合作，证实了在 钾的促进下，碳化钼催化剂能够有效地

11、将二氧化碳转化为 一氧化碳。这是将海水变成燃料的关键一步。“这是该碳化钼催化剂可以在工业规模上使用的第 一个证明。”罗切斯特大学化学工程系助理教授马克波 罗索夫说。在7月7日出版的英国能源与环境科学杂志的一 篇论文中，研究人员们描述了他们在实验室和中试规模上 进行的一系列详尽的相关实验。除少数核动力航母和潜艇外，大多数海军舰船必须定 期与油轮对接以补充燃油，这在恶劣天气下极为困难。如 果海军舰船能够在航行中通过海水产生自己所需的燃料， 那么舰船就可以轻松继续运转。2014年，由希瑟威劳领导的海军研究实验室团队宣 布，其已使用催化转化器从海水中提取二氧化碳和氢气， 然后以92%的效率将气体转化为液态烃。从那时起，美国科学家们就把攻关重点放在提高过程 效率和扩大规模上。在海水中提取的二氧化碳极难通过现有方法直接转化 为液态烃。因此，必须首先通过逆水煤气变换（RWGS）反 应将二氧化碳转化为一氧化碳，然后通过费托合成将一氧 化碳转化为液态烃。通常，逆水煤气变换的催化剂包含昂贵的贵金属并且 在反应条件下会迅速失活。但是，钾改性的碳化钼催化剂 是由低成本物质合成的，且在连续10天的中试规模研究运 行中没有出现任何失活迹象。这就是这一碳化钼催化剂被 人们珍视的主要原因。波罗索夫发现，在Y-氧化铝表面支撑的碳化钼催化 剂中添加钾，可以作为低成本、稳定且高选择性的催化剂， 在逆水煤气变