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通过金原子创造出新的蛋白质笼;光学应用更好的微环传感器;减少10%能源消耗的分析工具 每日材料前沿

作者:千赢国际  来源:千赢国际  时间:2019-09-29 12:37  点击:


  原标题:通过金原子创造出新的蛋白质笼;光学应用更好的微环传感器;减少10%能源消耗的分析工具 每日材料前沿

  近日,来自瑞典林雪平大学的研究人员发现,当有微量的水存在时,有机电子设备中的电荷运动会显著减慢,这会使设备的性能大幅降低。为了解决这一问题,研究人员开发了一种新的制备有机半导体的方法,这种方法可以使劣质有机半导体的性能得到大幅提高。相关研究被刊登在Nature Material杂志上。

  半导体材料会从环境中吸收水,并固定在有机材料中的纳米尺寸的孔中。水越多,由此产生的水陷阱也越多。研究人员发现,干燥制备的材料和在水存在下制造的材料都可以保持干燥,然而,后者对水非常敏感。研究人员使用薄膜制造干燥环境,并找到了将水排出,以及如何保持水含量不变以生产出具有稳定导电性材料的定量方法。

  林雪平大学复杂材料与器件部博士生Tanvi Upreti曾帮助开展有机半导体水陷阱实验(来源:Charlotte Perhammar)

  国际合作的研究人员成功地创造了一种“蛋白质笼”(一种纳米级结构,可用于将药物输送到身体的特定部位),可以很容易地组装和拆卸,但非常耐用、耐沸腾和其他极端条件。目前自然界中存在的蛋白质笼通常由许多蛋白质亚基制成并具有中空内部,具有重要的作用。科学家将目光对准了人造蛋白笼,但是有两个挑战:第一个是几何问题;第二个问题是复杂性。研究人员找到了解决这两个问题的方法,研究人员通过基于单个金原子的配位,取代蛋白质之间的复杂相互作用,同时可以根据需要为笼子设置新的属性。这项工作能够设计生产出具有新结构和新功能的网箱,应用在药物输送方面。该研究发表在最新的Nature杂志上。

  陷阱结构的图形表示,显示了连接24个常规11点环(黄色)的距离优化(来源:RIKEN)

  光学传感的原理是通过光的透射、反射或吸收,使得要测量的量在系统的光学发生响应上。虽然这些方法在宏观层面上运行良好,但测量微小的微观量会导致弱响应。目前,研究人员成功的研究出一种微型共振器的特殊类型的光捕获装置,这些增强了光与待检测分子之间的相互作用,并把该研究成果发表在Physical Review Letters 期刊上。

  新型传感器设计的新概念,假想一个只有两根弦的小提琴,如果一根弦的振动可以改变另一根弦的振动,使得声音和振荡仅产生一个音调,则系统具有特殊点。通过对特殊点的捕获来表示系统的响应,带有特殊点的光学系统非常脆弱,对不可避免的制造误差和不希望的环境变化非常敏感,这将导致检测的误差。研究人员通过不断完善微环传感器的设计来改进设备。

  一种出色的表面传感器,微环谐振器通过镜面耦合到波导,镜面部分的反射光反过来增强了灵敏度(图片来源:Ramy El-Ganainy and Qi Zhong)

  许多超材料只能在有限波长范围内“隐形”,如微波频率。来自东京工业大学的研究团队介绍了一种在光学频率下无需任何特殊涂层就能使亚微米大小圆柱体“隐形”的方法。该团队利用计算机模拟光波击中一个无限长的假想圆柱体。基于米氏散射理论,研究人员将圆柱体的光散射效率与折射率之间的关系可视化,并找到一个散射效率非常低的区域。最终确定:当圆柱体材料折射率在2.7到3.8之间时,材料就会发生“隐形”。

  研究人员指出,虽然目前对材料散射效率的严格计算只能用于圆柱体和球体,但后续也将会对其他结构进行测试。该成果发表在iopscience杂志上,这一发现有助于今后在光学频率下以一种更为简单、更具经济性的方法来增强光电子设备性能。

  计算机仿真图像验证了理论计算预测的“隐形”条件;(a)当圆柱体(中间)半径为175 nm时,从底部到顶部波长为700 nm的光发生畸变,(b)当圆柱体半径为195 nm时,几乎无任何变形(来源:东京工业大学)

  美国能源部艾米斯实验室、布鲁克海文国家实验室和普林斯顿大学的研究人员共同发现了一种新的分层铁磁半导体材料,这种稀有材料对研发下一代电子技术有很大帮助。这种半导体材料的性质介于金属和绝缘体之间,它的优点是其电子特性与自旋场效应有关,其中,电子沿着内部磁化对齐它们的自旋。之前发现的具有铁磁性的半导体材料仅包括几种铬基化合物,但是现在,研究人员发现了钒碘半导体中的铁磁性。现在,普林斯顿大学的研究人员将在艾米斯实验室进行磁畴的磁光可视化实验,这是证明新材料具有铁磁性的关键一步。研究人员将这种材料剥离成二维层,以此方式探索该材料的特性,这可能会对电子技术的进步大有裨益。

  层状铁磁半导体VI3中铁磁畴的磁光学表征(来源:Ames Laboratory)

  无论是工业、农业还是家庭生活中,所有地方都需要化学品,这些化学品的生产、试验过程需要大量的能源。弗劳恩霍夫工业数学研究所(Fraunhofer ITWM)的研究团队开发了一种可以节省10%以上能源的分析工具。

  研究人员运用热力学与化学反应等专业知识建立了模型,并用多个传感器测量过程数据,过程数据和模型相辅相成,能够真实地描述出整个生命周期的生产过程。这种方法很大程度上减少了能源消耗,不仅有助于环境保护而且可以减少生产预算。此外,这种分析工具不仅限于化学品的生产,还可以应用于其他需要监测的领域。

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