技术

  一种简单、非常有效、低成本且环保的方法可能为耗尽的锂离子电池（LIBs）的可持续回收提供有希望的解决方案：唯一需要的添加剂是柠檬酸，以提取和分离NCM电池中超过99%的锂、镍、钴和锰金属。根据一组研究团队在《应用化学年鉴》期刊中报告的结果，获得的回收材料可以直接转化为NCM电极。 从智能手机到电动汽车，锂离子电池是我们日常生活中常见的一部分。它们在我们向可再生能源转型中发挥着至关重要的作用，储存多余的太阳能和风能，以备稍后在电网中使用。然而，它们有限的使用寿命导致大量被丢弃的锂离子电池，这些电池含有有害的重金属和其他毒性物质。此外，宝贵的金属资源正在减少。 许多回收方法存在高能耗、大量排放和材料回收质量差的问题。一些工艺需要大量化学品，复杂且成本高，并产生有毒烟雾和废物。另一种选择是使用生物相容性酸，如柠檬酸进行浸出。传统方法（如螯合剂-凝胶工艺）通常需要大量剩余的酸，并且需要用氨进行持续的pH调整，显得繁琐且不够环保。 由中国矿业大学（北京）、福州大学、北京化工大学和清华大学深圳分校的研究小组领导，郭敏周和刘瑞平提出了一种新的柠檬酸浸出、分离和回收NCM阴极金属的技术。NCM指的是锂离子位于层间的镍、钴和锰组成的混合氧化物结构。…

超材料是合成材料，自然界中并不存在。它们的部分像传统材料中的原子一样行为，但具有独特的光学、电气和磁性特征。这些部分之间的相互作用对于超材料的有效性至关重要。在过去，一个组件仅限于与其周围环境进行相互作用。然而，研究人员现在创造了一种机械超材料，允许这些相互作用在材料内部更大距离上发生。这种新材料在力测量和结构监测方面具有潜在应用。 超材料是合成材料，自然界中并不存在。它们的部分行为类似于常规材料中的原子，但具有独特的光学、电气和磁性特征。这些部分之间的相互作用对于超材料的功能至关重要。以前，一个组件主要与其最近的邻居进行相互作用。卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的研究人员已经设计出一种机械超材料，使得在材料内部即使在更大的距离上也能进行相互作用。这一创新在力测量和结构监督方面展现出潜力。 由KIT应用物理研究所（APH）马丁·韦根教授领导的研究团队解决了超材料领域中的一个重大局限。首席作者陈毅博士通过“电话游戏”的例子类比人类的沟通：当信息通过几个人传递时，最终结果可能与第一个人和最后一个人之间的直接对话大相径庭。陈解释说，这个类比同样适用于超材料。“我们开发的材料具有特殊的结构（在插图中以红色突出显示）。这些结构使组件不仅能与其邻近组件‘沟通’，还能直接与材料中的所有其他组件进行‘沟通’，”陈说。 关于3D打印微观样本的实验 “这些结构赋予材料有趣的特性，例如非常规的拉伸行为，”共同作者王科也来自APH。研究团队通过3D激光打印得到的微观样本进行了演示，并利用配备相机的显微镜进行了分析。他们的发现显示，当从一端拉动一维（1D）梁时，它不规则地伸展。…

来自石油和天然气开采的废水注入在俄克拉荷马州导致了2009年至2015年间地震活动的显著增加。然而，最近的监管措施旨在用水泥填充某些注入井并减少注入水量，已成功降低了该州感应地震的频率，正如《地震记录》上发表的一项研究中所强调的。 美国地质调查局的罗伯特·斯库马尔及其团队的研究进一步支持了最小化废水注入深度可以减少地震活动的观点。这一见解对于管理像德克萨斯州西部和新墨西哥州东部地区感应地震的增加可能至关重要。 斯库马尔指出：“每个盆地都有其自身的特征，但全国范围内，注入深度与引发地震的机会之间存在一致的联系。” 在2015年，俄克拉荷马州公司委员会（OCC）裁定，向名为阿巴克尔组的沉积层低部注入水的井必须用水泥回填，以限制注入到更浅的深度。 研究人员估计，如果这些“回填”措施仅在一半的废水注入到下层阿巴克尔中实施，那么2024年的预计地震发生率将比目前现有的回填策略高出约2.5倍。…

  当大多数人想到陶瓷时，可能会想到咖啡杯、浴室瓷砖或花盆等物品。但对于法兰克·克莱门斯（Frank Clemens）而言，陶瓷代表着更多。作为埃姆帕高性能陶瓷实验室的负责人，这些材料有潜力导电、表现出智能，甚至具备触觉能力。克莱门斯和他的团队正在创造由陶瓷制成的创新软传感器材料。这些先进的传感器具有检测温度、应变、压力或湿度等变量的能力，使它们在医疗应用和软机器人领域都极具价值。 什么是软陶瓷？根据像克莱门斯这样的材料科学家的说法，陶瓷是由松散颗粒组成的无机非金属物质，经过一种称为烧结的高温处理。具体的材料和其性质可能差别很大。然而，克莱门斯的实验室里并没有传统的粘土或瓷器。相反，他的团队使用氟化钠铌酸盐、氧化锌和各种碳颗粒等物质。 这些材料本质上是坚硬的。为了创建灵活的传感器，研究人员将陶瓷颗粒嵌入可拉伸的塑料中。克莱门斯解释道：“我们利用高度填充的系统。我们用热塑性材料创建一个基体，尽可能多地融入陶瓷颗粒，而不损失基体的弹性。”当这个高密度的框架被操作——拉伸、压缩或暴露于不同温度时，陶瓷颗粒之间的间距会改变，从而影响传感器的电导率。克莱门斯指出，无需将整个基体都充满陶瓷；通过3D打印，他们可以将陶瓷传感器像“神经”一样集成到柔性部件中。…

研究人员正在调查一种特定化学物质如何能选择性地捕获其结构内的某些分子，即使在正常条件下似乎缺乏腔体。这种开创性的材料，以其消失和再出现的孔洞为特征，可能会显著提高各行业化学物质分离和捕获的效率。 在某些情况下，形成于化学分子结构内的孔洞或微孔，仅在特定条件下或与某些“客体”分子相互作用时才会出现。这种现象在分离领域发挥着重要作用，这是一种至关重要的工业过程，但研究人员仍处于理解这一现象的早期阶段。 研究人员调查了一种特定化学物质如何能够选择性地捕获某些分子在其结构腔体内，尽管在典型条件下没有这种腔体。这种具有孔洞能够出现和消失的独特材料，可能为在各行业中分离和捕获化学物质的更高效技术铺平道路。 详细描述这些研究者发现的研究报告于9月27日在自然通讯上发表。 虽然将一种物质从另一种物质中分离的想法似乎很简单，但分离技术在整个经济中至关重要。大多数天然和合成材料最初是不纯的。无论是在采矿中从不需要的岩石中提取金属矿石，还是区分可回收材料，输送药物，处理环境或存储气体，分离是现代工业的基础，研究人员不断寻找改进的方法。…

水是生命所需的关键分子，具有一些特定的异常属性，称为异常，这些属性决定了它的行为。尽管如此，关于阐明这些异常并使水分子独特的分子过程仍然存在许多未解之谜。理解和复制水在不同温度范围内的行为继续给科学家带来相当大的挑战。一项最新研究介绍了一个理论模型，解决了早期分析水在极端条件下行为的方法的不足之处。 水是维持生命的关键分子，具有独特的属性——称为异常——影响其行为。然而，关于这些使水独特的异常背后的分子机制，仍然存在显著的不清晰。弄清楚并重现水在不同温度范围内的独特行为，仍然是科学界的一项重大挑战。一项新研究提出了一个理论模型，旨在解决之前理解水在极端条件下行为的方法的局限性。这项研究在化学物理学杂志的封面上得到突出展示，由巴塞罗那大学（IN2UB）物理系和纳米科学与纳米技术研究所的Giancarlo Franzese和Luis Enrique Coronas进行。…

科学家利用电催化和生物转化开发生物柴油 柴油驱动的车辆显著贡献了碳排放，使得实现脱碳变得困难。根据美国能源信息署的数据，2022年，柴油燃料占美国运输碳排放的近25%，大约占能源使用相关排放的10%。 来自麦凯尔维工程学院的能源、环境和化学工程系主任、露西和斯坦利·洛帕塔教授Joshua Yuan，以及密苏里大学化学和生物医学工程的MizzouForward教授Susie Dai，和他们在德克萨斯农工大学的同事们，成功地利用电催化将二氧化碳转化为电生物柴油，这种生物柴油的效率是传统大豆基生物柴油生产的45倍，所需土地面积减少45倍。他们的发现于10月31日发表在期刊《Joule》上。…

研究人员开发了一种原型耳机，让用户能够在一个可定制的声场里听到3到6英尺范围内的声音。外部声场的声音减少约49分贝，即使它们比内部声音更大。 设想一下这个场景：你在工作中佩戴降噪耳机以减少背景噪声。当同事走到你桌前问问题时，你可以清楚地听到他们，而无需摘下耳机。同时，办公室另一头的谈话声几乎可以忽略不计。又或者想象你在一个繁忙的餐厅里，你可以听到和你一起用餐的每一个字，而周围的喧嚣则被压低。 华盛顿大学的一个研究团队成功创造了一个耳机原型，可以建立这种“声场”。通过将人工智能算法与耳机设计相结合，用户可以在可定制的3到6英尺半径内听到声音，而外部声音的平均分贝降低为49分贝（这大约是吸尘器和树叶沙沙声之间的音量差距）。这项技术确保即使更大的远处声音与声场内的声音相比也会变得安静。 研究人员于11月14日在自然电子学上分享了他们的结果。他们已将这款概念设备的代码提供给其他人进一步开发。此外，研究人员正在着手成立一家初创公司，以商业化这项创新技术。 “人类在评估声音距离时面临挑战，尤其是当面临多个噪声源时，”华盛顿大学保罗·艾伦计算机科学与工程学院的高级作者和教授Shyam…

研究人员创造了一种新的数学技术，可以快速预测晶体结构——在普通笔记本电脑上几个小时内完成——相较于依赖超级计算机的先前方法，这一改进能够节省数周甚至数月的时间。这一重要的发展对于各种药物和电子设备的创建至关重要。研究结果发表在《自然通讯》期刊上。 有机分子晶体在多个领域发挥着至关重要的作用，包括制药、农业、电子和爆炸物。这些晶体是许多产品的关键组件，从非处方和处方药物到驱虫剂、TNT等爆炸物、半导体以及屏幕和智能手机中的技术。 尽管它们被广泛使用，但预测这些分子晶体的三维结构可能相当困难，尤其是某些化合物可能会结晶成不同的形式。1990年代后期的一个显著例子显示了晶体结构预测的重要性：HIV药物利托那韦意外地从其已知的晶体形式变为一种更稳定但以前未知的形式，导致其失效，迫使该药物退出市场，直到出现新的配方。 目前大多数预测晶体结构的方法都依赖于基于物理的技术，这些技术通常有限制；它们可能引入偏差和错误，或者可能建议比实验设置中实际观察到的形式更多的形式。此外，这些方法在计算上非常密集，处理时间可能相当长，从几周到几个月不等，具体取决于所涉及分子的复杂性。 研究的高级作者、纽约大学化学与数学教授马克·塔克曼（Mark…

一项最新研究显示，实施仅四项特定政策可以导致管理不善的塑料废物减少91%——即未被回收或妥善处置的塑料，造成污染。此外，这些措施还可以将与塑料相关的温室气体排放减少三分之一。所提出的政策包括：要求新产品包含40%的后消费回收塑料；将新塑料生产限制在2020年水平；在塑料废物管理系统（如垃圾填埋场和废物收集）上大幅投资；并针对塑料包装引入小额收费。这些措施将共同带来显著的气候效益，相当于每年从道路上移除3亿辆汽油动力汽车。 今天发表在科学期刊上的一项最新研究表明，实施仅四项特定政策可以导致管理不善的塑料废物减少91%——即未被回收或妥善处置的塑料，造成污染。此外，这些措施还可以将与塑料相关的温室气体排放减少三分之一。所提出的政策包括：要求新产品包含40%的后消费回收塑料；将新塑料生产上限定在2020年水平；大幅投资于塑料废物管理解决方案，如垃圾填埋场和废物收集系统；以及对塑料包装引入小额费用。这些联合努力将带来与每年从道路上移除3亿辆汽油动力汽车相当的气候效益。 这项名为《2050年减少全球塑料废物管理不善和温室气体排放的路径》的研究是由加州大学伯克利分校和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员进行的。该研究恰逢11月25日至12月1日在韩国釜山举行的重要谈判，来自190多个国家的代表将为全球首个针对塑料污染的具有法律约束力的条约进行最终定稿。 加州大学圣巴巴拉分校的教授和加州大学伯克利分校的兼职教授道格拉斯·麦考利博士表示：“这就是机会。即将举行的釜山谈判代表着我们团结全球社区并解决这一问题的唯一机会。我们研究的一个令人兴奋的发现是，通过这一条约，确实可以显著减少塑料污染。我谨慎乐观，但我们不能浪费这个前所未有的机会。” 如果在釜山谈判期间不采取行动，预估到2050年塑料消费将增长37%，而塑料污染在同一时期几乎翻一番。…

捕获来自水泥和钢铁生产的热废气中的二氧化碳 (CO2) 涉及将排放物从大约 200°C 冷却到…

少量的磁性纳米颗粒可以有效激活催化剂，提高过氧化氢生产的效率。 科学家们在提高一种负责生成过氧化氢的电化学反应效率方面取得了重大进展，过氧化氢是一种在消毒、漂白和污水管理等行业中广泛使用的重要化学品。这一反应被称为氧还原反应（ORR），通过引入一种新型的异质分子催化剂并利用结合的磁场实现了增强。 传统的过氧化氢（H2O2）生产方法面临严重挑战。这些方法需要大量的能量，浓缩产品往往难以安全运输。为了应对这些问题，研究团队转向了一种更高效和环保的电化学方法。 研究人员通过将钴酞菁（CoPc）分子附着在炭黑（CB）上，并与聚合物涂层的磁性（Mag）纳米颗粒结合，创造了一种创新的催化剂。这种独特的设置允许有效操控钴活性位点的自旋状态，从而显著提升催化性能。 结果显示，CoPc/CB-Mag催化剂实现了令人印象深刻的过氧化氢生产效率，达到90%，显著提高了反应有效性。重要的是，它只需要极少量的磁性材料——比以前的方法少了最多七个数量级——使其在大规模使用时更安全、更可行。…