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液体形式存在的压电材料首现

美国密歇根州立大学化学家首次在液体中观察到了压电效应。研究团队指出，液体压电材料比固体压电材料更环保，有望在多个领域“大显身手”。相关研究刊发于2023年第11期《物理化学快报》杂志。

到目前为止，所有压电材料都是固体。这种材料之所以被称为压电材料，是因为它们具有正常情况下保持电荷，在承受压力时释放电荷的特性。这些固体压电材料目前被广泛用于声呐设备、吉他拾音器和手机扬声器等产品中。在最新研究中，密歇根州立大学化学家伊克巴勒·侯赛因等人发现了迄今第一种在室温下以液体形式存在的压电材料。

最新发现的液体压电材料是一种离子液体，离子液体由具有不对称性的柔性有机阳离子和具有对称性的弱配位阴离子的盐制成。电在这些离子液体内部积聚，研究人员在用活塞向圆柱体内的离子液体样本施加压力时发现，电被释放出来。他们还发现，释放的电量与施加的压力成正比。进一步的测试表明，离子液体的光学性质在其释放电流时发生了變化，在某些情况下，液体弯曲光线的方式也发生了变化。

研究团队目前仍无法解释为什么离子液体具有压电效应，但他们认为，施加压力可能有助于分离液体中的电荷，从而释放出一些电荷。

（来源：科技日报）

首个嵌入织物的纤维泵制成或改变可穿戴技术游戏规则

科技日报2023年4月2日报道，许多基于流体的可穿戴辅助技术需要将一个大而嘈杂的泵整合到衣服中，这导致可穿戴设备与不可穿戴的泵捆绑在一起。现在，瑞士洛桑联邦理工学院研究人员开发出世界上第一台纤维形式的泵，这种光纤泵可被直接缝合到纺织品和服装上，重量轻，功能强大，还可水洗。这项创新可应用于从外骨骼到虚拟现实等领域，或将改变可穿戴技术的游戏规则。相关论文于2023年3月31日发表在《科学》杂志上。

新研究是在研究人员2019年开发的可伸缩泵基础上进行的。光纤形式使研究人员能够制造更轻、更强大的泵，与可穿戴技术更兼容。光纤泵使用电荷注入电流体动力学的原理，在没有任何移动部件的情况下产生流体流动。嵌入泵壁的两个螺旋电极对一种特殊的非导电液体的分子进行电离和加速。离子运动和电极形状产生净正向流体流动，从而实现安静、无振动的操作，并且只需要手掌大小的电源。

为了实现泵的独特结构，研究人员开发了一种新的制造技术，将铜线和聚氨酯线缠绕在钢棒上，然后将它们热熔化。去除钢棒后，可使用标准编织和缝纫技术将2毫米纤维整合到纺织品中。这种泵本质上是一种能产生自身压力和流量的管道。

该泵的简单设计具有许多优点。所需的材料便宜且容易获得，扩展制造过程也比较轻松。由于泵产生的压力大小与其长度直接相关，因此可根据应用情况对管道进行切割，从而在优化性能的同时将重量降至最低。坚固的设计也使其适用于传统的洗涤剂清洗。

论文还描述了由织物和嵌入式纤维泵制成的人造肌肉，这种肌肉可用来为柔软的外骨骼提供动力，帮助患者移动和行走。该泵甚至可通过模拟温度感觉为虚拟现实世界带来新的维度。在这种情形下，用户戴着一只手套，手套上的泵装满了热的或冷的液体，用户能够感受到与虚拟物体接触时温度的变化。

（来源：科技日报）

极长寿命新型氧离子电池问世

科技日报2023年3月29日报道，锂离子电池储存能量非常高效，这使得大量能量可装入一个相当小的电池中。但锂离子电池会随着时间的推移而退化，储存电量越来越少，且易着火。奥地利维也纳工业大学研究人员正试图通过一项新发明来解决其中的一些问题，他们已成功开发出一种性能可与锂离子电池媲美的氧离子电池，据称这种电池寿命极长。相关论文即将发表在美国《先进能源材料》杂志上。

虽然氧离子电池不能提供与锂离子电池一样高的能量密度，但它的存储容量不会随着时间的推移而不可逆转地降低。氧离子电池可在不含稀有元素的情况下生产，并且由不可燃材料制成。研究人员表示，这些电池的工作方式与锂离子电池非常相似，它们使离子在两个表面之间来回跳跃并产生电流。

维也纳工业大学团队使用一种名为氧化钇稳定氧化锆的陶瓷材料作为电解质。陶瓷材料可吸收和释放带双负电荷的氧离子。当施加电压时，氧离子从一种陶瓷材料迁移到另一种陶瓷材料，之后可使它们再次迁移回来，从而产生电流。

陶瓷不易燃，这意味着它们不太可能着火，而锂离子电池经常会发生这种情况。此外，也不需用昂贵或只能以对环境有害的方式提取的稀有元素。

研究人员认为，新电池技术最重要的优势在于其潜在的使用寿命。氧离子电池可以再生能量，如果氧气由于副反应而损失，那么损失可简单地通过空气中的氧气来补偿。

（来源：科技日报）

我国科学家证实水结晶可形成立方冰

2023年3月29日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员白雪冬、副研究员王立芬团队与北京大学物理学院教授王恩哥、研究员陈基合作，在《自然》杂志在线发表文章，成功实现了以分子级分辨率观测冰的生长结晶过程，发现水结晶可以形成单晶立方冰，并展示了立方冰晶中存在两种不同的缺陷结构。

冰是物态最丰富的晶体之一，在目前已发现的二十种晶相中，仅有六角冰和立方冰可能存在于地球环境下。其中六角冰广泛存在于自然界和人们日常生活中，而立方冰是否存在长期以来具有争议。

王立芬解释，在实验室中，由于生长过程常伴随缺陷，传统的衍射手段难以将立方冰与堆垛无序冰（六角冰与立方冰在堆垛面随机分布的特殊结构）区分开来，人们始终难以给出水结晶可以形成立方冰的直观证据。

基于像差矫正电镜和低剂量电子束成像技术，研究人员展示了-170 ℃左右的低温衬底上气相水凝结成冰晶的过程，发现立方冰在这种低温衬底上优先形核生长。分子级成像证实了水结晶可以形成各种形貌不一的单晶立方冰。同时，随着时间增加，冰晶整体中六角冰的占比逐渐增加。

研究人员分析，这表明异质界面在立方冰的形成中起着重要作用。而自然界中常见的降雪大多都是水分子在灰尘矿物质等表面的凝聚生长，这种异质界面无处不在。

进一步地，研究人员表征了立方冰内部的常见缺陷。根据是否引进堆垛无序晶畴为标准，研究人员将立方冰内部的常见缺陷分为两类，并利用电子束的激发效应探究了堆垛无序晶畴部分的结构动力学。实验观测结合分子动力学模拟结果表明，这种富缺陷的结构并不稳定，在电子束的扰动下缺陷层发生结构构型的协同扭曲乃至整体的攀爬。

“这项研究创造性地利用透射电镜对冰的形成以及动力学行为进行高分辨直接成像，以直观的实验证据证实了水结晶可以形成单晶立方冰，有望促进对冰与自然界关系的新认识。”王立芬告诉《中国科学报》，“我们利用透射电镜将冰的实验研究深入到分子水平，这也为其他结构敏感材料的研究提供了新思路。”

（来源：中国科学报）

二维材料成功集成到硅微芯片内

有望用于高级数据存储和计算

科技日报2023年3月28日报道，沙特阿卜杜拉国王科技大学科学家在2023年3月27日出版的《自然》杂志上发表论文指出，他们成功将二维材料集成在硅微芯片上，并实现了优异的集成密度、电子性能和良品率。研究成果将帮助半导体公司降低制造成本，以及人工智能公司减少数据处理时间和能耗。

二维材料有望彻底改变半导体行业，但尽管科学家们研制出了多款类似设备，但技术制备水平较低，因为大部分技术使用与目前的半导体工业不兼容的合成和加工方法，在无功能的基板上制造出大型器件，且成品率较差。例如，IBM曾试图将石墨烯集成到用于射频应用的晶体管中，但这些器件无法存储或处理信息。

最新研究将名为多层六方氮化硼的二维绝缘材料（约6纳米厚），集成到包含由互补金属—氧化物半导体技术制成的硅晶体管的微芯片内，实现了优异的集成密度、电子性能和良品率。研究人员表示，研制出的器件宽度仅260纳米，能用于高级数据存储和计算。未来大多数微芯片将会利用这些二维材料优异的电子和热属性。

最新制造出的微芯片显示出了高耐久性和特殊的电子性能，使制备出功耗极低的人工神经网络成为可能。人工神经网络是人工智能系统的关键组成部分，但现有大多数设备都不适合实现这种类型的神经网络，最新研究为此开辟了一条新途径。此外，最新研究有望帮助微芯片制造商和人工智能公司开发新硬件，以减少数据处理时间并降低能耗。

研究人员强调，最新研究对纳米电子和半导体领域来说具有重要意义，因为所生产的器件和电路性能优异，且具有深远的工业应用潜力。

（来源：科技日报）

研究人员在燃料电池阴极ORR电催化剂上获得突破

记者从武汉理工大学获悉，该校材料科学与工程国际化示范学院刘勇教授团队在燃料电池阴极氧化还原反应电催化剂的设计研究上获得突破，设计合成出一维各向异性介孔Pt@Pt-skin？Pt？Ni核-壳框架纳米线（CSFWs）高效电催化剂，在氧化还原反应中表现出了较高的催化活性与电催化稳定性。相关研究成果2023年3月18日在线发表于《自然-通讯》上。

氧化还原反应（ORR）是燃料电池新能源技术的核心反应，是燃料电池实现商业化应用的关键，发展新能源体系的高性能催化材料则成为重要的技术挑战。铂（Pt）作为目前ORR公认性能最好的电化学催化剂，在地壳中的储存量少且价格昂贵，这导致了其在燃料电池领域的大规模应用受阻。如何提高Pt催化剂的原子利用率、反应活性和稳定性一直是发展燃料电池等能源技术的核心问题。

目前，材料化学家们主要是通过调控催化剂的微观结构和化学组分来提高Pt的利用率和催化性能，将Pt和其他廉价金属如镍（Ni）、铁（Fe）等合金化并制备成三维（3D）多孔框架结构是一种很有前途的方法。该方法不仅可以极大降低催化剂中Pt的含量，而且可以最大限度地暴露高活性位点。此外，一维（1D）纳米结构由于其固有的各向异性、较高的导电性，以及与碳载体存在更大的表面接触，被认为是提高Pt催化剂稳定性的最有效途径。

刘勇教授课题组综合3D多孔纳米框架和1D纳米各向异性，设计合成出了一维各向异性介孔Pt@Pt-skin？Pt？Ni核-壳框架纳米线（CSFWs）高效电催化剂。该催化剂由一维超细Pt纳米线（～3 nm）和介孔Pt-skin Pt？Ni框架核-壳异质构筑，具有优异的电催化活性、稳定性和高Pt原子利用率。在ORR催化反应中，该催化剂的质量活性（MA）和比活性（SA）高达6.69 A/mgpt和8.42 mA/cm2，分别是商用Pt纳米催化剂的29倍和26倍；同时催化剂也表现出优异的稳定性，50 000次循环后其活性衰减不到3%。

研究成果结合了三维开放的孔结构和一维各向异性的优点，有效地解决了Pt基催化剂在燃料电池阴极氧化还原反应（ORR）中的瓶颈问题。

（来源：中国科学报）

我国学者研制出细胞相容性超分子材料

记者2023年3月30日从安徽大学了解到，该校生命科学学院杨雪峰老师与华南理工大学边黎明教授团队合作，提出了一种凝聚层—水凝胶转变策略，制备出孔径为100微米的大孔水凝胶（MPH）。相关研究成果2023年3月12日发表在材料领域国际期刊《先进材料》上。

在水凝胶中引入大孔隙以形成大孔水凝胶（MPH），有望支持所负载细胞的球形生长并增强其活力和生物功能。但是现有MPH主要通过模板法、冷冻法和气体发泡法等途径形成，这会导致以下问题：首先是孔隙形成过程不具有细胞相容性；其次，水凝胶的可注射性和孔隙连通性较差，因此无法满足3D细胞球培养等生物医学用途的需求。近年來，凝聚作用驱动的液相分离在多个生物医用领域引起了广泛关注，特别是在微结构生物材料的构建方面。

基于此，研究人员提出了一种凝聚层—水凝胶转变策略，通过选定的二聚体间主—客体作用所形成的超分子组装物的凝聚作用，制备出孔径为100微米的MPH材料。由于超分子组装物网络中弱且可逆的超分子交联作用赋予其类似液体的流变性能，这不仅使得超分子组装物具有可注射性，而且有利于其在生理介质中形成大孔凝聚体并最终向MPH转变。

与具有相同初始力学性能的无孔静态水凝胶相比，MPH优异的结构动态特性和细胞相容的孔形成过程，可以更好地支持所封装小鼠胚胎干细胞和人间充质干细胞的成球化生长和自我更新，从而显著促进其干性保持和软骨化。研究人员表示，这种具有自进化多孔结构的、可注射和细胞相容的MPH，在细胞/类器官培养、细胞器模拟、药物、细胞传递和组织再生等生物医学领域具有广阔的应用前景。

（来源：科技日报）

新成果助力手性胺类和醚类化合物高效合成

记者从武汉大学获悉，该校化学与分子科学学院陈才友教授的研究成果“铜催化氧亲核试剂的立体汇聚烷基化”2023年3月30日在线发表于《自然》。

C—O键广泛地存在于药物、生物活性分子和材料分子等有机化合物中，因而C—O键的高效构建在有机合成中极为重要。在药物合成中，杂原子的烷/芳基化是使用率最高的反应，而C—O键的构建在杂原子的烷/芳基化中使用频率最高，其出现频次约占被报道的研究工作的9%～21%。最为高效的构建C—O键的方法之一是氧亲核试剂的烷基化反应（Williamson反应）。然而，Williamson反应有很大的局限性，不能适用于二级以上的亲电试剂等含有大位阻的反应底物，同时也不能用于手性C—O键的构建。不对称Williamson反应非常具有挑战性，目前没有相关报道。

陈才友/Gregory C. Fu教授通过引入Cu/手性噁唑啉催化剂，成功实现了alpha-卤代二级酰胺与一系列的氧亲核试剂（广泛的酚、醇等）的不对称C—O成键反应。此外，该催化体系除了能实现不对称C—O成键反应外，还能高效实现不对称C—N成键反应，其中包括挑战性的苯胺和未保护的烷基胺与烷基亲电试剂的C—N成键反应。该体系能用于合成广泛的手性烷基醚和胺类化合物，其中包括直接合成IMPDH抑制剂和手性除草剂萘普草。

反应动力学、电子顺磁共振、DFT计算等机理研究表明，手性C—O及C—N键的构建涉及Cu（Ⅲ）机制，其中经历自由基历程。此外，反应可能经历另一种涉及氮丙啶酮中间体的途径，该途径可以解释外消旋的背景反应和不对称催化反应的反应速率相当时为何催化体系仍然能取得优异的对映选择性。

该体系由于能同时实现挑战性的不对称C—O和C—N键的构建，并且使用廉价的丰产金属Cu和可商业获得的手性噁唑啉配体为催化剂，将为手性胺类和醚类化合物的高效合成打开快速发展的大門。

（来源：中国科学报）