水凝膠半導體材料問世

科技日報2024年10月27日報道， 在最新一期《科學》上，美國芝加哥大學普利茲克分子工程學院團隊展示了界面生物電子學領域的新突破：他們創(chuàng)造出具有強大半導體功能的新型水凝膠材料。這種新型藍色凝膠能夠在水中像海蜇一樣浮動，同時還具有出色的半導體功能，可實現(xiàn)生物組織與機器之間的信息傳輸。

理想的用于連接電子組件和活體組織的材料應當是柔軟、可拉伸且親水的，類似于水凝膠。而半導體材料通常比較硬、脆且不親水，無法像水凝膠那樣在水中溶解。如果將半導體用于起搏器、生物傳感器及藥物遞送裝置等生物電子器件，這些缺點構(gòu)成巨大障礙。

此次新材料展現(xiàn)出了高達81千帕的組織級模量、最大可達150%的拉伸性和高達1.4平方厘米/伏秒的載流子遷移率。這表明，這種既具有半導體特性，又具備水凝膠屬性的材料，滿足了作為理想生物電子界面的所有要求。

由于可植入生物電子設備與組織直接接觸，所以要能隨組織一同變形，從而形成高度緊密的生物界面。

傳統(tǒng)的水凝膠制備方法是將某種材料溶解于水中，再加入使溶液變?yōu)槟z狀態(tài)。然而半導體材料通常都不溶于水。為此，團隊開發(fā)了一種溶劑交換工藝。不是將半導體溶解在水中，而是將其溶解在與水混溶的有機溶劑里。接著，他們利用溶解的半導體和水凝膠前體來進行制備。

最初的產(chǎn)物是一種有機凝膠，團隊再將整個材料體系浸泡在水中，使有機溶劑溶解并允許水滲入其中。最終得到的材料可以廣泛應用于多種具有不同功能的聚合物半導體。

值得注意的是，與傳統(tǒng)的水凝膠相比，這種新材料不僅改善了生物功能，還在多個方面表現(xiàn)出了超越單純水凝膠或半導體材料的能力，實現(xiàn)了更好的綜合效果。

這一研究目前主要將解決生化傳感器和心臟起搏器等植入式醫(yī)療設備所面臨的挑戰(zhàn)，但其還有許多潛在的非侵入性應用，譬如更精確地讀取皮膚數(shù)據(jù)、改善傷口護理等。該材料具有極其柔軟的機械性能與高含水量，這些都與活體組織相似。同時，它還具有多孔性，這意味著還可以運輸各種營養(yǎng)和化學物質(zhì)。而當所有這些特性相結(jié)合，新型水凝膠就會成為組織工程和藥物遞送中最有用的材料之一。

（2024年10月27日 張夢然 科技日報）

微型柔性水凝膠

鋰離子電池面世

科技日報2024年10月29日報道，英國科學家利用生物相容性水凝膠液滴，成功研制出一款微型柔性鋰離子電池。該電池不僅具備光激活、可充電特性，還能實現(xiàn)生物降解。研究團隊表示，這種微型電池有望在藥物釋放、心臟除顫和微型機器人等多個生物醫(yī)學領域大放異彩。相關論文發(fā)表于最新一期《自然·化學工程》雜志。

生物醫(yī)學領域所用微型智能設備的體積通常不足幾立方毫米，因此需要同樣小巧的電源來供電。這些設備還需與生物組織直接作用，這就要求其電源必須是由柔軟材料制成，以確保安全性。

此類電池應該具備多種特性，如高容量、生物相容性、生物降解性和可激活性等。同時，它們還應具備遠程控制能力，以適應復雜多變的環(huán)境。但目前沒有電池能集上述功能于一身。

為攻克這一難題，英國牛津大學化學和藥理學系科學家利用水凝膠液滴，采用表面活性劑支撐的組裝技術(shù)，在類似肥皂的分子協(xié)助下，將三個體積僅為10納升的微型液滴連接起來，研制出了這款微型柔性鋰離子電池。其中兩個液滴含有鋰離子顆粒，它們相互作用便能產(chǎn)生能量。

研究團隊表示，這款液滴電池擁有卓越的能量密度，是迄今最小的水凝膠鋰離子電池。它能促進合成細胞間帶電分子的運動，從而實現(xiàn)對小鼠心臟跳動的控制及除顫功能。此外，通過與磁性粒子相結(jié)合，它還能作為移動的能量載體。

（2024年10月29日 劉霞 科技日報）

可吸收多頻段電磁波

超薄膜研制成功

科技日報2024年10月30日報道，韓國材料科學研究所科學家研制出一款復合材料超薄膜。這款材料能夠吸收99%以上來自5G、6G、Wi-Fi以及自動駕駛車載雷達等不同頻段的電磁波，有望提升無線通信的可靠性。相關論文發(fā)表于新一期《先進功能材料》雜志。

電子元件發(fā)出的電磁波會導致附近其他電子設備性能下降。為防止這種情況發(fā)生，電磁屏蔽材料應運而生。傳統(tǒng)電磁屏蔽材料大多采用反射方式，能反射90%以上的電磁波，實際吸光度只有10%左右。而擁有較高吸光度的材料，往往只能吸收單個頻帶內(nèi)的電磁波。

為打破這一困境，研究團隊開發(fā)出這款復合材料。它在3個不同頻帶內(nèi)均展現(xiàn)出小于1%的低反射率和超過99%的高吸光度，且厚度不足0.5毫米。此外，最新超薄膜還具備柔軟、耐用等性能，即使在折疊和展開數(shù)千次后也能保持形狀，非常適用于可卷曲手機和可穿戴設備等領域。

此次研究通過改變鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)，合成出了一種具有選擇性吸收電磁波的磁性材料。在此基礎上，這種超薄聚合物復合膜背面加入了導電圖案，以控制電磁波的傳播。通過巧妙地調(diào)整導電圖案形狀，超薄膜能夠顯著減少特定頻率下的電磁波反射。

此外，超薄膜背面還應用了高屏蔽性能的碳納米管膜，以進一步增強材料的電磁波屏蔽能力。

（2024年10月30日 劉霞 科技日報）

全新納米級3D晶體管面世

科技日報2024年11月6日報道，美國麻省理工學院團隊利用超薄半導體材料，成功研制出一種全新的納米級3D晶體管。這是迄今已知最小的3D晶體管，其性能和功能可比肩甚至超越現(xiàn)有硅基晶體管，將為高性能節(jié)能電子產(chǎn)品的研制開辟新途徑。相關論文發(fā)表于11月5日出版的《自然·電子學》雜志。

晶體管是現(xiàn)代電子設備和集成電路中的基礎元件，具有多種重要功能，包括放大和開關電信號。然而，受“玻爾茲曼暴政”這一基本物理限制的影響，硅基晶體管無法在低于一定電壓的條件下工作，這無疑限制了其進一步提升性能，以及擴展適用范圍。

為打破這一瓶頸，團隊利用由銻化鎵和砷化銦組成的超薄半導體材料，研制出這款新型3D晶體管。該晶體管性能與目前最先進的硅晶體管相當，能在遠低于傳統(tǒng)晶體管的電壓下高效運行。

團隊還將量子隧穿原理引入新型晶體管架構(gòu)內(nèi)。在量子隧穿現(xiàn)象中，電子可以穿過而非翻越能量勢壘，這使得晶體管更容易被打開或關閉。為進一步降低新型晶體管“體型”，他們創(chuàng)建出直徑僅為6納米的垂直納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

測試結(jié)果顯示，新型晶體管可以更快速高效地切換狀態(tài)。與類似的隧穿晶體管相比，其性能更是提高了20倍。

這款新型晶體管充分利用了量子力學特性，在幾平方納米內(nèi)同時實現(xiàn)了低電壓操作以及高性能表現(xiàn)。由于該晶體管尺寸極小，因此可將更多該晶體管封裝在計算機芯片上，這將為研制出更高效、節(jié)能且功能強大的電子產(chǎn)品奠定堅實基礎。

目前，團隊正致力于改進制造工藝，以確保整個芯片上晶體管性能的一致性。同時，他們還積極探索其他3D晶體管設計，如垂直鰭形結(jié)構(gòu)等。

（2024年11月6日 劉霞 科技日報）

含金屬復雜分子

模擬速度創(chuàng)紀錄

科技日報2024年10月31日報道，來自美國太平洋西北國家實驗室以及匈牙利的科學家，在英偉達公司的高性能圖形處理單元（GPU）上成功執(zhí)行了量子化學計算，創(chuàng)造了含金屬復雜分子模擬速度新紀錄，為電子結(jié)構(gòu)計算設定了新基準。相關論文發(fā)表于最新一期《化學理論與計算》雜志。

金屬酶能夠加速化學反應，降低能耗，使反應過程更加高效和可持續(xù)。深入了解和優(yōu)化這些催化劑，對于醫(yī)藥、新能源和消費品等諸多行業(yè)至關重要。然而，此前快速且高精度的化學計算往往難以實現(xiàn)。

為解決這一難題，研究團隊集結(jié)最先進的硬件與量子化學張量網(wǎng)絡算法等尖端模擬技術(shù)，在單個DGX-H100 GPU節(jié)點上，實現(xiàn)了每秒高達246萬億次浮點運算的計算速度。

團隊表示，與此前用英偉達公司的其他GPU開展的計算相比，此次計算的速度提高了2.5倍；而與用中央處理單元（CPU）進行的類似計算相比，此次計算速度更是提高了80倍。

最新研究旨在實現(xiàn)多體薛定諤方程的高效且精確求解。這些方程對于理解分子和材料的電子結(jié)構(gòu)十分關鍵。目前，全球僅有少數(shù)計算系統(tǒng)具備如此強大的計算能力。

團隊強調(diào)，最新成果使復雜化學系統(tǒng)的研究能夠快速改進和迭代，充分展示了大規(guī)模計算在解決量子化學問題方面的潛力。此外，更出色的GPU計算框架，以及人工智能引導的物理學，結(jié)合為大型定量機器學習模型生成訓練數(shù)據(jù)的新方法，有望為實現(xiàn)能源、健康等領域的新應用貢獻重要力量。

（2024年10月31日 劉霞 科技日報）

超固體旋轉(zhuǎn)時呈現(xiàn)

“量子渦旋”

科技日報2024年11月8日報道，奧地利因斯布魯克大學研究團隊在旋轉(zhuǎn)的二維超固體中首次觀察到量子渦旋，這為長期尋找的無旋超流體流入超固體的現(xiàn)象提供了確切證據(jù)，標志著調(diào)制量子物質(zhì)研究邁出了一大步。相關成果發(fā)表在最新一期《自然》雜志上。

超固體是一種近年來才被驗證的新型量子物質(zhì)狀態(tài)，它同時具備超流體和固體的特性。這種獨特的物質(zhì)狀態(tài)可在極低溫的偶極量子氣體中人工生成。

盡管科學家已經(jīng)通過直接成像技術(shù)展示了構(gòu)成超固體中的“固體”特性的晶體排列，但其超流體特性則更為隱秘。科學家一直在探索超流體現(xiàn)象的不同方面，但是證明超流體核心特征之一量子渦旋的存在卻異常困難。

此次，研究團隊結(jié)合理論模型與前沿實驗，在偶極超固體中成功創(chuàng)造了渦旋并對其進行了觀察。他們確認了超流動性的一個關鍵缺失環(huán)節(jié)，即系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)作出響應時表現(xiàn)為量子渦旋的出現(xiàn)。首次在超固體中觀測到的小尺度量子渦旋呈現(xiàn)出與之前預期不同的特性。

2021年，該團隊利用極冷的鉺原子氣體創(chuàng)造了首個長壽命的二維超固體。在新研究中，他們基于理論指導，采用高精技術(shù)，借助磁場溫和地攪動超固體。因為液體不具備剛性旋轉(zhuǎn)的能力，因此這種攪拌促成了量子渦旋的生成，這是超流體動力學的一個顯著標志。

這項歷時接近一年的實驗，揭示了超固體中渦旋動態(tài)與非調(diào)制量子流體之間的顯著區(qū)別，同時也為理解這些奇異量子態(tài)中超流體和固體特性如何共存及互動提供了新的視角。

（2024年11月8日 張佳欣 科技日報）