技术

各种数学分支完全独立地发展，每个分支都形成了自己复杂的语言，难以解读。在最近发表在《PNAS》上的一项研究中，奥地利科技大学（ISTA）数学教授塔马什·豪塞尔介绍了“巨大代数”，这是一种连接对称、代数和几何的双向数学“字典”。这可能增强量子物理和数论之间看似独立领域的联系。 技术工具包：对称性与可交换性，从美学到实用 对称性 超越审美吸引力和平衡；它是在各个领域中反复出现的概念。在数学术语中，对称性指的是一种“不变性”：一个对称的物体在特定的操作或变换下保持不变。 保持数学对象不变的所有变换的集合称为“对称群”。…

一项开创性的研究利用先进的光谱技术和理论框架，增强了我们对将二氧化碳（CO2）转化为有价值产品（如乙烯和乙醇）的复杂反应的理解。这项研究代表了化学行业可持续实践的重要进展。 由弗里茨·哈伯研究所的界面科学部门和加泰罗尼亚化学研究所进行的一项开创性研究已在期刊《自然能源》上发表。该研究利用复杂的光谱技术和理论方法，阐明了将二氧化碳（CO2）转化为有价值物质（如乙烯和乙醇）的复杂过程。这项工作为化学工业的可持续方法增强了巨大潜力。 CO2还原：有价值化学品的途径 二氧化碳的电化学还原（CO2RR）是一项前景广阔的技术，依赖可再生能源将CO2转化为高价值化学品，有效地关闭碳循环。乙烯和乙醇是该研究的重点，因为它们分别对创造环保塑料和燃料至关重要。然而，涉及这种转化的具体机制和中间步骤直到现在仍未完全理解。对这些机制的更好理解对于智能地设计活性位点是必要的，这些活性位点在合成的前催化剂中存在，并且可以通过与反应物和中间体的相互作用在反应中发展。 关键发现：光谱分析与理论支持…

在恒星和行星内部，存在极端条件，压力飙升至数百万巴，温度达到数百万度。先进的技术允许在实验室中重现这种物质状态，但仅能维持短暂的时刻且在微小的体积内。直到现在，实现这些条件需要全球最强大的激光，比如位于加利福尼亚的国家点火设施（NIF）。然而，这种强大的激光十分稀缺，限制了实验机会。最近，来自德累斯顿-罗斯托克亥姆霍兹中心（HZDR）的一组研究人员与欧洲XFEL合作，通过使用更小的激光创造和观察极端条件，取得了重大进展。这项突破性技术围绕着一根比人类头发还细的铜线展开，如《自然通讯》杂志所报道。 到目前为止，科学家们一直在向材料样本（通常是薄片）发射极高能量的激光脉冲。这种强烈的相互作用使材料表面迅速加热，产生沿样本传播的冲击波。这个冲击波压缩并加热材料，短暂模拟出行星内部或恒星壳中的条件。这一短暂的窗口足以让研究人员使用先进的测量技术分析现象，例如来自德国汉堡附近的施耐费尔德的欧洲XFEL的超强X射线脉冲。 在这座尖端X射线激光设施中，HZDR处于一个名为HIBEF（亥姆霍兹国际极端场束流线）的国际用户联盟的前沿。该小组管理一台位于高能密度（HED-HIBEF）实验站的激光，产生相对较低能量输出（约1焦耳）的超短能量爆发。然而，仅30飞秒的持续时间使得输出达到惊人的100太瓦。研究团队在HED-HIBEF使用这台激光，瞄准一根只有25微米厚的细铜线。“然后，我们利用来自欧洲XFEL的强大X射线束监测线内发生的事件，”该研究的第一作者亚历杭德罗·拉索·加西亚博士解释道。“这种短脉冲激光和X射线激光的独特组合在全球范围内都是前所未有的。正是由于X射线束的特殊质量和灵敏度，我们才得以目睹一个意想不到的效果。” 集中冲击波 在几系列测量中，科学家们调整激光脉冲撞击与X射线穿过之间的时机，以捕捉详细的“X射线影片”。“起初，激光脉冲与铜线相互作用，生成一个局部的冲击波，像爆炸一样沿铜线传播，最终导致其破坏，”HIBEF部门负责人托马·通干博士详细说明。“在此之前，一些激光产生的高能电子沿着铜线表面快速移动。”这些快速移动的电子迅速加热铜线的表面，产生附加的冲击波，这些冲击波向铜线中心汇聚。在短暂的一瞬间，所有冲击波在铜线中心碰撞，产生极高的压力和温度。…

一项最近的研究强调了用于合成高熵氧化物的方法如何显著影响其结构和功能特性，而这些特性对于其在常见电子设备中的应用至关重要。研究结果本周发表在《美国化学会杂志》上。 这项新研究的发现首次揭示了不同合成方法对高熵氧化物的结构和功能特征的重大影响，这是一类用于日常电子产品的材料。这项研究出现在本周的《美国化学会杂志》版本中。 “我们考察的具体材料是一种具有尖晶石晶体结构的高熵氧化物，由五种不同的过渡金属氧化物的混合物组成。人们对这些材料的兴趣日益增长，源于它们卓越的电化学特性，”不列颠哥伦比亚大学布鲁森量子物质研究所及物理学与天文学系的材料科学家阿兰娜·哈拉斯博士解释说。 “这些高熵系统因其显著的化学多样性而极具前景。在创造这些材料时，我们有多个变量可以操控，这为我们设计它们提供了无尽的可能性。” 研究人员使用五种不同的合成技术制造相同的样本：固态、高压、水热、熔融盐和燃烧合成。每种方法在材料加热方式、回到室温的冷却速率以及加热发生的各种化学环境上各有不同。…

研究人员发现了锂离子电池容量损失的原因，这种电池广泛用于电子设备。这一见解可能会导致电动汽车的诞生，使其能够在不需要充电的情况下更长时间运行。 电池逐渐失去其电力，这就是为什么较新的手机消耗得更快。尽管这种现象很普遍，但其原因尚未完全理解。 最近，由科罗拉多大学博尔德分校的一位工程师领导的全球科学家团队发现了导致电池退化的核心机制。这一突破可能帮助研究人员制造出更优越的电池，使电动汽车能够行驶更远、使用更长时间，同时改善能源储存解决方案以促进向清洁能源的转型。 研究结果于9月12日在《科学》杂志上发布。 “我们通过了解导致锂离子电池衰退的分子过程，为锂离子电池的进步做出了贡献，”论文的主要作者、化学和生物工程系教授迈克尔·托尼表示。“提升电池性能对于将我们的能源系统从化石燃料转向更可持续的能源来源至关重要。”…

一个研究团队通过创建具有改变计算领域潜力的分子取得了重大的突破。来自利默里克大学的团队通过设计可能会改变计算领域的分子实现了显著的发现。 利默里克大学的伯纳尔研究所的科学家们已经确定了在基本分子水平上检查、管理和定制材料的新方法。 这些发现为一个国际合作倡议做出了贡献，该倡议涉及全球专家，旨在开发一个革命性的人工智能硬件平台，从而在计算速度和能效上实现了非凡的提升。 这项研究最近发表在著名的科学期刊《自然》上。 在利默里克大学的分子建模教授、爱尔兰制药研究中心…

一种新发现的机制涉及冰盖融化水的移动和冻结，具有增强全球海平面上升预测的潜力。 德克萨斯大学奥斯丁分校的科学家与美国宇航局喷气推进实验室（JPL）和丹麦和格陵兰地质调查局（GEUS）合作，发现了一种新过程，说明了如何在表面下形成不透水的水平冰层。这个过程对于理解冰盖融化水在海平面上升中的角色至关重要。 这项研究由德克萨斯大学奥斯丁分校计算工程与科学奥登研究所的研究生Mohammad Afzal Shadab进行，发表在《地球物理研究快报》上。Shadab的研究得到了来自德克萨斯大学杰克逊地球科学学院的共同作者Marc…

纯金属纳米线（NWs）是具有独特特性的纳米材料，使其在各种应用中具有优势。然而，目前电子产品中使用它们的一大障碍是缺乏可靠的大规模生产方法。研究人员最近在铝纳米线的大规模生产方面取得了进展。这种生长方法有可能适应其他金属，从而消除当前的生产限制，并标志着纳米技术的新阶段。 来自日本名古屋大学的研究团队开发了一种创造这些微小金属纳米线（NWs）的新方法，这些纳米线预计将在下一代电子产品中发挥关键作用。他们研究的结果指向了纯金属纳米线的大规模生产路径，解决了其应用中的一个重大障碍。这种创新技术预计将改善电子产品的制造过程，包括电路、LED和太阳能电池板。他们的研究在《科学》杂志上发表。 由于在确保质量和纯度的同时扩大生产规模的挑战，生产大批量的纳米线一直被证明是困难的。纳米线非常微小，需要移动原子——物质的基本构建块——通常以气体状态存在。然而，以这种方式处理金属已被证明是困难的，从而限制了这些重要电子组件的可用性。 为了应对这个问题，由名古屋大学工程研究生院的木村康弘领导的团队利用经过离子束辐照增强的固态原子扩散，在单晶体中生成铝纳米线。 原子扩散是指原子或分子从高浓度区域移动到低浓度区域的过程，由热诱导的应力变化促进。通过对薄铝膜中的晶粒施加离子束辐照，他们扩大了表层晶粒。这种操控改变了应力分布并引导原子运动，有效地为指定区域的纳米线生长提供了必要的原子材料。在加热时，原子通过从底部较小晶粒流向顶部较大晶粒的梯度向上流动，从而实现了纳米线的大规模生产。…

天文学家已指派美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜调查我们银河系的遥远边界。这一区域被称为极外银河，位于距银河中心超过58,000光年远的地方。（相比之下，地球距离这个中心大约26,000光年。） 一组研究人员利用韦伯的NIRCam（近红外相机）和MIRI（中红外仪器）捕捉了德吉尔云1和2这两个分子云特定区域的图像。由于其卓越的灵敏度和清晰度，韦伯数据提供了这些区域前所未有的视觉效果，这些地区是快速形成恒星的星团的家园。这些细节包括非常年轻的（类别0）原恒星、物质流、喷流和独特的星云结构。 在加利福尼亚南部美国宇航局喷气推进实验室的迈克·瑞斯勒的指导下进行的韦伯观测，允许研究人员以与我们太阳邻域相同的深度分析外银河的恒星形成。 “之前，我们知道这些形成恒星的区域，但无法深入调查它们的特征，”日本岐阜大学和国家天文台的主要作者泉奈津子表示。“韦伯数据增强了我们从各种望远镜和天文台收集的长期知识。借助韦伯，我们可以生产惊艳的这些云的图像。在德吉尔云2的情况下，我惊讶于观察到如此动态的恒星形成和惊人的喷流。” 正在形成的恒星…

当汽车、飞机、船只或电脑等设备使用既充当电池又作为结构组件的材料建造时，可以显著减少重量和能耗。瑞典查尔姆斯科技大学的研究团队最近在所谓的无质量能量储存方面取得了进展——一种结构性电池，有潜力将笔记本电脑的重量减半，使手机瘦得跟信用卡一样，或在单次充电时将电动车的行驶范围提升多达70%。 “我们开发了一种碳纤维复合材料电池，它的刚度与铝一样，并拥有适合商业应用的能量密度。这个电池的功能类似于人体骨架，扮演着多重角色，”查尔姆斯的研究员瑞查·乔杜里（Richa Chaudhary）说，她是最近发表在《先进材料》上的一篇文章的合著者。 查尔姆斯在结构电池的探索已经进行多年，有时与瑞典皇家工学院的研究人员合作。该团队在2018年发布的初步研究结果展示了强碳纤维如何化学储存电能，并引起了广泛关注。 轻量化等于降低能耗…

物理学家成功开发出了首个二维玻色玻璃，这是一种创新的物质状态，对传统统计力学提出了挑战。剑桥大学凯文迪什实验室的研究人员创造了首个二维玻色玻璃，这一开创性的物质状态质疑了统计力学中的既定概念。这项研究的发现已记载于《自然》期刊中。 “玻色玻璃”一词反映了其玻璃状特征，所有粒子都是局部化的。这意味着每个粒子倾向于停留在自己原位，而不是与附近的粒子混合。例如，如果咖啡被局部化，加入牛奶后将会一直保持明确的黑白条纹，而不是混合成平均颜色。 为了开发这一新的物质相，研究人员将多个激光束重叠以形成一个准周期性图案。这创建了一个结构，具有类似于典型晶体的长程有序性，但不重复，类似于彭罗斯平铺。当超冷原子被冷却至接近绝对零度（纳开尔文温度）填充该结构时，它们形成了玻色玻璃。 凯文迪什实验室的许多体物理学专家、该研究的首席研究员乌尔里希·施耐德教授表示：“局部化仍然是统计力学中最具挑战性的问题之一，但它也可能促进量子计算的进展。”在一个局部化的系统中，粒子不与环境混合，量子信息会更好地保持。 施耐德补充道：“分析大型量子系统的一个重大障碍是我们无法在计算机上模拟它们。为了精确表示系统，我们必须考虑所有粒子及其潜在的排列，这一数量迅速增加。然而，我们现在拥有一个真实的二维模型，能够直接研究其动态和统计性质。”…

研究人员开发了微小机器人，尺寸不到1毫米，这些机器人起初是平坦的六角形“元片”。然而，当它们收到电荷时，它们会转变为特定的3D形状并开始移动。 康奈尔大学的科学家设计了每个小于1毫米的微型机器人，这些机器人最初以二维六角形“元片”形式创建。通过一阵快速的电流，这些机器人会改变为编程的3D形状并开始爬行。 这些机器人的灵活性源于一种受切纸艺术启发的创新设计，切纸艺术是一种类似于折纸的艺术，包含对材料的切割。这个技术允许机器人折叠、伸展和移动。 团队的研究名为“电子可配置微观元片机器人”，于9月11日在《自然材料》上发表。主要共同作者是博士后研究员刘庆焕和王伟，项目由物理教授伊泰·科亨监督。他的实验室之前开发了能够移动肢体、用人工纤毛泵水和独立行走的微型机器人。 刘表示，切纸机器人灵感来自“能够改变形状的生物”。他解释道：“通常情况下，制造机器人时，它们可能能够移动部分肢体，但它们的整体外观仍然保持不变。我们的创造是一种元片机器人。‘元’这个术语指的是超材料，这表明它由许多相互作用以产生特定机械属性的组件构成。”…