科學家開發(fā)出可定制

和編程納米機器人

科技日報2024年11月27日報道 ，澳大利亞悉尼大學納米研究所團隊利用DNA折紙技術，成功開發(fā)出定制設計且可編程的納米機器人。這一創(chuàng)新成果展示了廣泛的應用前景，涵蓋靶向藥物遞送、響應性材料以及節(jié)能光信號處理等多個領域，成果于27日刊登在《科學·機器人》雜志上。

DNA折紙技術基于DNA分子自身的折疊特性，通過精心設計，可構建出全新的生物結構。研究團隊此次制作了超過50種納米級別的物體模型，其中包括一個“納米恐龍”、一個“跳舞機器人”以及一幅寬度僅為150納米的微縮澳大利亞地圖。

該研究特別關注如何構建模塊化的DNA折紙“體素”（類似于三維空間中的像素），以組裝成更為復雜的三維結構。這些結構可根據(jù)特定需求進行編程調整，從而迅速生成各種形態(tài)的原型。此特性對于開發(fā)能完成合成生物學、納米醫(yī)學及材料科學研究任務的納米級機器人系統(tǒng)尤為重要。

團隊通過引入額外的DNA鏈至納米結構表面，用作可編程的連接點，實現(xiàn)了對體素間組合方式的精準調控。這些連接點如同彩色尼龍搭扣一般，當“顏色”（即DNA序列）匹配時才能相互連接，這確保了構建過程中結構的準確性和特異性。

這項技術的一個重要應用，在于制造能將藥物精準遞送至體內特定區(qū)域的納米機器人。借助DNA折紙技術，科學家能夠設計出對特定生物信號敏感的納米載體，保證藥物在預定的時間與地點釋放，極大提升了治療效果的同時減少了副作用。此外，團隊也正在探索開發(fā)能對外界刺激作出反應的新材料。這類材料能夠根據(jù)負載變化、溫度或酸堿度等因素調整自身屬性，有望影響醫(yī)療、計算和電子等多個行業(yè)。

（2024年11月27日 張夢然 科技日報）

新設計實現(xiàn)聚合物剛度

和拉伸性獨立控制

科技日報2024年11月27日報道，傳統(tǒng)材料學認為，聚合物材料越硬，可拉伸性就越差。美國弗吉尼亞大學研究人員開發(fā)了一種新型聚合物設計方法，可能會顛覆這一延續(xù)近200年的傳統(tǒng)觀念。相關成果以封面論文的形式發(fā)表在27日《科學進展》雜志上。

研究人員表示，他們正在解決一個自1839年硫化橡膠發(fā)明以來就被認為無法解決的難題。當時，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，橡膠分子鏈之間會形成化學交聯(lián)。交聯(lián)過程中形成聚合物網(wǎng)絡，使原本在高溫下會熔化和流動的黏性橡膠轉變?yōu)槟陀?、有彈性的材料。從那時起，人們一直認為，如果想要讓聚合物網(wǎng)絡材料變硬，就必須犧牲其部分可拉伸性。

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

剛度和拉伸性是相互關聯(lián)的，因為它們源于相同的構成單元——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衡問題。更多的交聯(lián)雖然可讓聚合物網(wǎng)絡更硬，但變形自由度卻變得更低，拉伸時很容易斷裂。

新設計的可折疊結構并非簡單的線性聚合物鏈，而是呈現(xiàn)類似瓶刷的結構，其中有許多靈活的側鏈從中心主鏈上輻射而出。主鏈能像手風琴一樣折疊和展開，在材料被拉伸時，聚合物內部的隱藏長度會展開，使其伸長量達到標準聚合物的40倍以上，且不會減弱其性能。此外，側鏈還決定了材料的剛度，從而實現(xiàn)了剛度和拉伸性的獨立控制。這種新方法側重于網(wǎng)絡鏈的分子設計，而非交聯(lián)。

這種可折疊瓶刷狀聚合物網(wǎng)絡可3D打印，即使與無機納米粒子混合后，仍然能保持3D打印能力。這些無機納米粒子經(jīng)過設計，可展現(xiàn)出復雜的電學、磁學或光學性質。例如，可以向其中添加導電納米粒子，這對可拉伸和可穿戴電子設備至關重要。

（2024年11月27日 張佳欣 科技日報）

超快充鋰硫電池續(xù)航上千公里

科技日報2024年11月28日報道，澳大利亞莫納什大學科學家研制出一款超快速充電鋰硫電池，可為長途旅行電動汽車和商用無人機供電。相關論文11月15日在線發(fā)表于《先進能源材料》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，價格更低廉。這一創(chuàng)新成果代表了可再生電池技術領域的一大進展，并為更實用的鋰硫電池設定了新標桿。

一直以來，鋰硫電池復雜的化學成分導致其充電速度緩慢，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。

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

研究人員稱，隨著商業(yè)規(guī)模的擴大，這項技術可以提供高達400瓦時/千克的能量密度，這非常適合航空領域，未來有望為高性能、可持續(xù)的電動飛機供電。此外，傳統(tǒng)鋰電池依賴儲量有限且對環(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，以進一步提高這款鋰硫電池的充放電速度，同時減少所需鋰量。

（2024年11月28日 劉霞 科技日報）

新技術生產(chǎn)出高分散性

碳納米管粉末

科技日報2024年11月29日據(jù)美國趣味工程網(wǎng)站28日報道，韓國電氣技術研究院研發(fā)了一種全球首創(chuàng)的技術，能夠生產(chǎn)高分散性的碳納米管粉末。這項技術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用，同時也為制造高容量電池開辟了新途徑，對促進綠色儲能領域發(fā)展具有重要意義，標志著材料科學和可持續(xù)電池技術取得了進一步進展。

碳納米管以其卓越的機械強度（比鋼高出100倍），以及與銅相當?shù)膶щ娦远Q。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電材料，碳納米管在導電性和柔韌性方面表現(xiàn)更為出色。

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

面對這一挑戰(zhàn)，研究團隊研發(fā)了一種新技術，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。該技術實現(xiàn)了碳納米管小束在粉末狀態(tài)下的獨立存在，即使在沒有溶劑的情況下，也能利用其獨特的長條形結構制造出高效導體。

這些高導電性的碳納米管通過在電池內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。這也正是該技術吸引了全球電動汽車制造商廣泛關注的關鍵因素之一。

（2024年11月29日 張佳欣 科技日報）

新型催化劑將水解制氫效率

提高200倍

科技日報2024年12月1日報道，德國馬克斯·普朗克研究所科學家研制出一種獨特的拓撲手性晶體，并將其用作水解制氫過程中的催化劑。通過操控該晶體內電子自旋，科學家將水解制氫效率提升了200倍。11月25日相關論文發(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，用于運輸、發(fā)電等多個領域。但是，目前99%的氫氣來源于化石能源重整，這一過程會排放出大量二氧化碳。而水解制氫技術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，析氧反應便是制約其效率提升的“絆腳石”。析氧反應涉及一系列復雜且緩慢的電子轉移步驟，極大地降低了水分解過程的效率，進而影響其成本效益。鑒于此，科學家正積極探索加快析氧反應的新方法。

最新研究中，科學家設計出了一種由銠、硅、錫和鉍等多種元素組成的拓撲手性晶體。這些晶體的原子具有獨特的左旋或右旋排列結構，使其能以特定方式與光和其他手性分子相互作用。而且，這一晶體的獨特組成能高效地操控晶體內電子的自旋，使電子在水分解過程中更快速地“奔赴”氧氣生成位點。

電子轉移速度的加快顯著提高了整體反應速率。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）

電子元件輕松實現(xiàn)自組裝

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

因為涉及多個步驟和技術，當前的芯片制造過程復雜且成本高昂。然而，新的自組裝方法提供了一個更快、更經(jīng)濟的選擇。它不僅簡化了制造流程，還允許調整半導體材料的帶隙，使其對光敏感，從而可用于生產(chǎn)光電器件。

這種新穎的自組裝技術稱為定向金屬配體（D-Met）反應。在實驗中，團隊使用了一種特殊的菲爾德液態(tài)金屬——由銦、鉍和錫構成的合金顆粒。這些顆粒被放進模具后，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)金屬顆粒并進入模具，這些配體會從液態(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雜的三維結構。溶液通過逐漸蒸發(fā)，幫助這些結構緊密結合并形成預期大小。團隊再移除模具，對其加熱，以釋放出碳和氧原子。接下來，金屬離子與氧發(fā)生反應形成半導體金屬氧化物，碳原子則形成了石墨烯薄片。最終，這些成分自發(fā)地組織成了一個有序的結構：半導體金屬氧化物被石墨烯薄片包裹著。

利用這一技術，團隊成功制造出了納米級和微米級的晶體管和二極管。因為在實驗中用到了鉍元素，所以他們還能制造出光響應結構，可通過光來調控半導體特性。

D-Met技術的優(yōu)勢在于可以大規(guī)模生產(chǎn)這些材料，還可精確控制半導體結構的形成。這項技術有望革新電子器件的制造方式，開啟一個更高效、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展性。通過調整溶液成分、模具設計及蒸發(fā)速率，科學家能精確控制最終產(chǎn)品的特性。這預示著，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域的一個重要里程碑，因為其不僅推動了基礎科學研究的進步，也為工業(yè)應用帶來全新視角和技術路徑，進而改變生產(chǎn)和使用電子設備的方式。

（2024年12月5日 張夢然 科技日報）