太阳能净水器灵感来自河豚
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太阳能净水器灵感来自河豚
太阳能净水器灵感来自河豚干净的水:普林斯顿大学湖中的太阳能吸收凝胶净化系统(左)和浸入过程中产生的清洁水。美国普林斯顿大学Xiaohui Xu及其同事制造了一项新器件,这个器件的灵感来自河豚,它能够达到有史以来最高的被动太阳能净水率。基于一种先进的水凝胶,该系统可以在冷却时快速吸收和过滤水,然后在太阳加热时放出干净的水。这个团队希望他们的创新能够带来低成本和可持续的离网净化系统,从而有可能改善全球许多社区可使用上干净的水。据联合国称,全世界三分之一的人无法获得安全饮用水。因此,迫切需要低成本、环保以及可持续的过滤水系统。这些最好通过被动净化技术来实现,这项技术利用太阳能将水与重金属、油和有害微生物等污染物分离。今天,研究人员大多通过蒸发水并将其凝结到表面来实现,但这是一个能源密集型过程,因此生产率会比较慢。Xu的团队根据河豚的行为特征采取了一项更先进的方法。当这些鱼探测到食肉动物时,它们会迅速吸收水来膨胀它们的身体,使它们自己看起来更具威胁性。一旦危险过去,水就会迅速排放出来。研究人员为了模仿这种行为,他们开发出一种海绵状期间,他们称之为太阳能吸收凝胶(SAG),它含有三个关键成分。PNIPA聚合物链材料的中心是一种先进的水凝胶,由PNIPA聚合物链的温度敏感网组成,它同时包含疏水和亲水区域。在较低的温度下,这些链条保持长而灵活的状态。这使水通过毛细现象流入网状物,并与其亲水区域结合。当温度高于33 °C时,PNIPA 链会经历一个相变,它会变短而僵硬。因此,网格失去了大约90%的体积,它变得疏水,即把水排出材料外。围绕这种内部水凝胶的是一层暗的聚多巴胺,它有效地将阳光转化为热量,即它使PNIPA能够在较冷的条件下达到其相变温度,同时在重金属和有机分子进入水凝胶之前过滤掉它们。最后,一层外部藻酸盐过滤掉其它微生物以及其它任何较大的分子。Xu的团队测试了SAG的性能,他们将其放置在普林斯顿校区的一个湖中,水温为25 °C。团队把材料浸泡在水里,他们在阳光下加热它以排放其吸收的水。在2小时的浸泡和排水周期中,该材料显示了有史以来报告的最高被动太阳能净水率。SAG 也高度耐用,即使在10个收集周期之后,它的性能几乎没有变差。团队采用简单且水基制造工艺,SAG 材料成本低且无毒,因此确保了其可及性和离网净水的可持续性。Xu及其同事认为他们的材料可能会带来变革。这项技术将提高全球许多社区的生活质量,尤其是在那些电力供应有限的地区。这项研究发表在《Advanced Materials》上。原文链接
2021-04-20
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2021-04-20
光学玻色-爱因斯坦凝聚的新相位提高量子通信的可能性
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光学玻色-爱因斯坦凝聚的新相位提高量子通信的可能性
光学玻色-爱因斯坦凝聚的新相位提高量子通信的可能性在波恩大学(University of Bonn)教授Martin Weitz的带领下,研究人员观察到了光学玻色-爱因斯坦凝聚中以前未知的相变。状态称为过阻尼相位,它可能与加密量子通信相关。波恩大学应用物理研究所的博士生、这一发展研究的主要作者Fahri Emre ?ztürk说:"如果合适的量子力学纠缠状态发生在耦合光凝聚中,这对在多个参与者之间的量子传输加密信息来说会很有趣。"最初由Weitz发现的光学玻色-爱因斯坦凝聚是一种由几千个单一光粒子组成的"超级光子"。大约10年前,Weitz和他的团队产生了极端的聚合状态。这个系统中的粒子不再可区分,主要处于相同的量子力学状态:它们表现为单个"超级粒子",可称为单波函数。这个系统通常只在非常低的温度下形成。右侧是一个显微镜的物镜,它用于观察和分析来自谐振器发射的光。波恩大学Gregor Hübl供图。这种方法至今仍在使用:光粒子被困在一个由两个弯曲的镜子组成的谐振器中,两面镜子相距仅一微米多。镜子反射出一束快速返回的光束,空间中充满了用于冷却光子的液体染料溶液。这是由于染料分子"吞噬"光子,然后重新发射出来,将它们匹配到染料溶液温度的结果。该方法中使用的半透明镜会造成光子丢失和更换,从而产生不平衡状态。没有这种平衡,系统无法保持一定的温度,这使它成为振荡。这会在振荡相和阻尼(减振幅振动)相之间创建一个过渡。"我们观察到过阻尼相位与光场的新状态相对应,可以这么说," ?ztürk说。其决定性特征是,激光的效果通常不会因相位转换而与玻色-爱因斯坦凝聚分离,并且这两种状态之间没有明确的界限,这意味着物理学家可以在效应之间不断来回转换。Weitz说:"然而,在我们的实验中,光学玻色-爱因斯坦凝聚的过阻尼状态通过从振荡状态和标准激光的相位过渡来分离。这表明,玻色爱因斯坦凝聚是存在的,与标准激光相比,这的确是一个不同的状态。换句话说,我们正在处理光学玻色-爱因斯坦凝聚的两个独立相位。"在未来的工作中,研究人员计划利用他们的发现作为基础,在多个耦合光凝聚中寻找光场的新状态,这也可能发生在系统中。这项研究发表在《Science》上(www.doi.org/10.1126/science.abe9869).原文链接
2021-04-20
当纳米气泡发生碰撞时,气泡之间的吸引力是如何加剧分子间的衰变的
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当纳米气泡发生碰撞时,气泡之间的吸引力是如何加剧分子间的衰变的
当一个高能光子激发一个自由原子或分子时,内部衰变或辐射发光是其释放其能量的唯一方式。相反,当原子或分子彼此之间的束缚很弱时,激发能可以从一个位置转移到邻近的位置。原子间的库仑衰变(ICD)是一个特别有趣的能量共享过程,在这个过程中,一个原子或分子释放的能量会导致相邻原子或分子发生电离。该过程在生物组织对辐射的反应中起着重要的作用。由Aaron LaForge(美国康涅狄格大学)领导的一个国际研究小组利用位于意大利里雅斯特的自由电子激光器FERMI发出的光,表明激发态周围介质的响应极大地加剧了原子间的库仑衰变。 在许多凝聚系统中,如流体和小液滴,不仅相互作用的原子和分子对原子间的衰变过程有影响,而且局部环境对其也有较大的影响。 为了研究这种影响,研究人员使用超短、极紫外激光脉冲直接绘制激光激发的超流体氦纳米液滴随时间变化的ICD。这一过程最新的理论模型表明,在每个受激原子周围都形成了局域气泡或空腔。相邻的气泡会合并成一个,从而将激发态的原子推到一起。这导致原子通过ICD在几百飞秒内衰变,这比之前预期的快了几个数量级。 类似的过程也可能发生在其他液体中,例如水,其中纳米气泡的形成在电子溶剂化以及蛋白质的展开和聚集中发挥作用。这些结果证明了气泡动力学在原子间的衰变过程中的重要性,并为理解生物系统中辐射损伤的基本过程开辟了新的途径。 这个实验是在FERMI的LDM光束线上完成的,结果发表在《Phys. Rev. X》上。[A. C. LaForge et al., Ultrafast resonant interatomic Coulombic decay induced by quantum fluid dynamics, Phys Rev. X vv, pp, (2021)] 图1:上图是实验示意图;下图是气泡动力学的模拟。 消息来源:https://www.elettra.eu/comunicazione/news/press-release-when-nano-bubbles-collide-how-attraction-between-bubbles-can-enhance-intermolecular-decay.html
2021-04-20
能够识别早产的光学系统获得专利
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能够识别早产的光学系统获得专利
能够识别早产的光学系统获得专利佛罗里达国际大学(FIU)的Jessica Ramella-Roman获得了一项光学技术的专利,这项技术可以识别早产。该专利是多年来研究极化光以及其在组织研究中的运用的结晶。早产的测定通常使用超声波测量子宫颈长度来评估早产风险。不同的是,新技术着眼于构成子宫颈70%的胶原纤维。胶原纤维是双折射的,并围绕颈椎骨,这是提供进入子宫的微孔。在出生期间,子宫颈经历了一个过程,改变它从一个相当刚性的封闭结构到更柔韧的结构,以提供胎儿的安全通道。Ramella-Roman对Photonics Media说:"在怀孕期间,非怀孕子宫颈中存在的光极化特征逐渐消失。"这就是我们用来确定病理发生的根据。由于早产在早产前因结构缺陷、感染或未知原因引起宫颈重塑,我们相信此特征可用于确定早产风险。"该器件由两个主要组件组成,一个是基于 LED 的照明器,其能够通过两个液晶可变减速器 (LCVR) 在不同状态之间切换,以及一个装有两个LCVR和一个偏振片的摄像头。Ramella-Roman说,"这是穆勒矩阵偏振计的经典结构。照明器可以在四个极化状态按顺序切换,对于每个入射偏振状态,我们在不同的极化状态收集四个图像。"Ramella-Roman和她的团队继续在推进和完善这项技术。该团队目前正在使用极化摄像机和 LED 环照明器(而非LCVR)构建具有穆勒矩阵功能的手持式可插入组合镜。该开发项目是与迈阿密大学一起合作的。原文链接
2021-04-19
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2021-04-19
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2021-04-19
白色反射漆满足制冷需求
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白色反射漆满足制冷需求
白色反射漆满足制冷需求普渡大学的一个研究小组开发出一种改进的超白涂料,研究人员在2020年10月采用了这种涂料,测试表明相比于早期版本可以反射95.5%的阳光,这种新涂料能够反射98%以上的阳光。他们把这种涂料涂抹在表层上,它甚至可以反射传入的红外光使其远离表层。这个涂漆有望减少对空调的需求:自20世纪70年代以来,人们一直在尝试开发辐射冷却漆以代替传统空调。它可在寒冷的天气(冬季)环境中实现全功能,并可用于其它冷却应用需求上。传统的市售白漆特点是保暖,而不是制冷。设计用于隔热的涂料只能够反射 80% 到 90% 的阳光,无法使涂层表面温度比周围环境更低。涂漆的太阳反射能力直接取决于其白色程度:其白色程度是由两个不同成分特征造成的。第一种是硫酸钡,其浓度非常高。该化合物同样是白色反射涂层的主要成分,用于制造相纸和某些化妆品,使其成为白色。麻省理工学院的博士后研究员Xiangyu Li在普渡大学获得高级学位时曾参与该项目,硫酸钡的功能是使物体具有高度反射性,换句话说,它可使物体呈现较高程度的白色。之前的配方主要由碳酸钙组成,它通常存在于岩石和贝壳中,是该团队以前最白涂料的组成部分。新涂漆的第二个变白特征是其由不同大小硫酸钡颗粒的组成。每个粒子散射光的程度取决于给定粒子的大小。具有较大方差尺寸的粒子能够使涂漆散射来自阳光更多的光谱(换句话说,其具有更广泛的光谱散射能力)。"虽然较高的颗粒浓度能更好地使它变白,但不能使浓度太大," Li说。“浓度越高,涂漆就越容易脱落或剥落。"研究小组说,如果用这个涂漆覆盖大约1000平方英尺的屋顶面积,它就能达到10千瓦的冷却功率。普渡大学机械工程学教授Xiulin Ruan说,这种能力比大多数房屋的中央空调系统更强大。在另一项寒冷冬天户外进行的测试(环境温度为43 °F)中,涂漆将样品温度降低了 18°F。结果表明,硫酸钡涂料在某些(以及可能的任何)户外条件下是有效的。此外,研究人员说,他们用来制造涂漆的技术与商业涂料制造过程是相互兼容的。根据普渡的一份新闻稿,油漆配方的专利申请已经通过。这项研究发表在《Applied Materials & Interfaces 》上(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c02368).).原文链接
2021-04-19
光活化分子消除活鼠阿尔茨海默蛋白质
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光活化分子消除活鼠阿尔茨海默蛋白质
光活化分子消除活鼠阿尔茨海默蛋白质东京大学的研究表明,一种小型的光活性分子可有效去除淀粉样蛋白团,研究人员发现它存在于阿尔茨海默氏症小鼠大脑中。如将其改善而用于人类,这种方法可代替免疫疗法,并治疗由类似蛋白质引起的其它疾病。研究人员开发的分子被称为光氧化催化剂。研究小组成员将其直接注射到患有阿尔茨海默氏症活鼠的大脑中,然后用探针照它,每天30分钟,为期一周。对小鼠脑组织的化学分析表明,这种治疗显著降低了淀粉样蛋白。阿尔茨海默氏症患者捐赠的大脑样本的其它实验支持了其将来在人类中使用的可能性。实验表明,基于分子的方法在一个两步过程中治疗阿尔茨海默病。首先,催化剂使淀粉样蛋白斑块不再稳定。氧合,或添加氧原子,可以通过改变将其固定在一起的化学键而使分子不再稳定。催化剂旨在瞄准淀粉样蛋白的折叠结构,并可能通过交叉连接称为组胺酸残基的特定部分而起作用。在近红外激光激活前,催化剂处于惰性状态。因此,研究人员设想这种催化剂可以通过注射到血液中在整个体内传递,并利用光对准特定区域。小神经胶质是大脑的免疫细胞,它清除健康细胞外的受损细胞等,然后去除不稳定的淀粉样蛋白。研究人员观察到小神经胶质吞没了含氧淀粉样蛋白,然后将其分解在细胞内的酸性部分中,在盘子里老鼠细胞上。"我们的催化剂与淀粉样蛋白特异性结构结合,而不是与独特的遗传或氨基酸序列结合,因此这种催化剂可以应用于其他淀粉样蛋白沉积物上,"项目负责人、制药科学研究生院教授Taysuke Tomita说。虽然一些治疗阿尔茨海默氏症的方法能够减缓新淀粉样斑块的形成,但它们无法解决现有的斑块问题。因为淀粉样蛋白在症状出现前几年就开始积淀,因此消除淀粉样蛋白对有效治疗阿尔茨海默氏症非常重要。据美国临床肿瘤学会(American Society of Clinical Oncology)估计,在美国每年有4000人被诊断患有由脑外淀粉样蛋白引起的疾病,统称为淀粉样变性。目前研究人员正在修改催化剂的设计,以便通过在头骨上照射光线来激活催化剂。这项研究发表在《Brain》上(www.doi.org/10.1093/brain/awab058).原文链接
2021-04-17
NIST 的农业梳测量奶牛气体的排放
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NIST 的农业梳测量奶牛气体的排放
NIST 的农业梳测量奶牛气体的排放"农业梳(agricomb)"是一种由国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员开发的光学频率梳,它能够测量牛打嗝和胀气气体的排放。因此,该器件将有助于优化农业操作,减少温室效应气体的产生。NIST的研究人员和堪萨斯州立大学(KSU)的一个研究小组在肉牛饲养场附近建立了便携式器件。双梳系统的激光组件被放大和过滤,以针对特定气体,即甲烷、氨气、二氧化碳和水蒸气,它能够同时测量这些气体。当梳光在露天路径上来回发送时,气体是根据大气中吸收的红外光的精确色调和数量来识别的。实验测量了两条逆风和顺风100米路径上的气体,这来自栏杆包围起来约300头奶牛的气体排放。甲烷和氨是这项工作主要的测量气体。因为家畜的排放是美国人类引起甲烷的最大来源,甲烷是一种主要的温室气体。氨也是家畜排放的,它是大气中的主要污染物。图中显示实验的大致设置。N. Hanacek, NIST供图。测量调查了牛的消化过程和地面物理废物的排放。农业梳测量的甲烷和氨浓度均达到百万分之一的水平,精度为十亿分之二十五。甲烷的测量结果与商业传感器的结果相当,该传感器在饲料地边缘的多个入口对空气进行采样。研究人员发现,这种农业梳对氨气的测量特别有用,因为这种气体很粘,它很难用吸收空气的系统来测量。此外,能够同时测量许多气体对传统系统来说是件难以完成的任务。论文指出,虽然商业传感器能够更快地精确测量到环境的水平,但农业梳能更精确地捕获了顺风来的气体,然后可以更好地表征气源。提高精度可能在不久的将来测量牧场稀疏分布奶牛排放的甲烷是很有价值的,这是一个更具挑战性的任务。文章指出,新旧技术之间的协议表明,农业梳是准确量化农业环境中气体的有用工具。这个器件的优点包括对广泛红外光的灵敏度、高精度、同时对多种气体的无校准检测以及测量设置的灵活性。NIST物理学家Brian Washburn说:"对于未来,我们的计划是与KSU合作对牧场进行测量,在这个牧场上牛吃本地草。不同的饲料,加上草原土壤中消耗甲烷的微生物活动,这可能意味着牧场的大气甲烷产量低于饲育场。"管理操作和牛特征的变化使得对排放估计得这项工作具有挑战性。文章称,饲料作为排放的主要因素,但并没有在库存报告中被考虑到,这给温室气体排放模型带来了巨大的不确定性。堪萨斯饲料场的牛吃了干草和玉米青贮的混合物。Washburn说:"这些牛大约75%的生命都是在牧场上度过,因此这种测量结果将更能代表净甲烷的产生。这也将是一个更难的测量,因为它将发生在一个更大的区域,约500米乘500米,区域内动物更少,大约40头。"研究人员认为农业梳被证明对精密农业大有益处,它支持精密农业,通过在大型空间尺度上同时测量诸多气体,从而有可能设计更干净、更有生产力的农场。这项研究发表在《Science Advances》上(www.doi.org/10.1126/sciadv.abe9765).原文链接
2021-04-17