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最近的一项研究揭示了一种观察纳米级建筑块如何在需求下重新排列成各种有序结构的方法。这种创新的方法结合了电子显微镜、具有微小通道的专用样品架和计算机模拟。该研究由密歇根大学和印第安纳大学的团队进行。 最近的进展使我们能够探索纳米级建筑块如何在指令下重新排列成不同的有序结构，这得益于一种结合电子显微镜、带有微尺度通道的小型样品架和计算机模拟的方法，正如密歇根大学和印第安纳大学的研究人员所进行的一项新研究所表明的那样。 这种方法有潜力创造出能够在各种光学、机械和电子特性之间切换的智能材料和涂层。 “我最喜欢的自然例子之一是变色龙，”密歇根大学化学工程博士生及《自然化学工程》上发表的研究共同第一作者托比亚斯·德怀尔解释道。“变色龙通过改变皮肤中纳米晶体的间距来改变颜色。我们的目标是创建一个模仿一些显著生物例子的动态多功能系统。” 成像技术为研究人员提供了纳米颗粒如何响应环境变化的实时视角，提供了关于其组装行为的独特见解。…

科学家们发现了一种新的方法来预测蛋白质在其活动过程中如何改变形状，这对了解它们在生物体中的作用至关重要。尽管最近在人工智能（AI）方面的进展使得在蛋白质非活性状态下预测蛋白质结构变得更加容易，但由于缺乏足够的蛋白质动态实验数据以有效训练神经网络，因此理解这些蛋白质的运动仍然是一个问题。 在最近发表于《美国国家科学院院刊》的一项研究中，莱斯大学的彼得·沃林斯与中国的同行结合了有关蛋白质能量景观的见解与深度学习技术来预测这些运动。 他们的技术增强了AlphaFold2（AF2），这一工具预测静态蛋白质结构，通过训练它集中于“能量挫折”。蛋白质已经进化为最小化其成分之间的能量冲突，以达到稳定的配置。持续的冲突表明挫折区域。 沃林斯解释说：“从预测的静态基态结构开始，这种新方法通过初步识别并逐步放大输入多序列对齐序列中封装的蛋白质进化历史中的能量挫折特征，生成替代的结构和蛋白质运动路径。”他是D.R. Bullard-Welch基础科学教授，也是该研究的共同作者。…

研究人员成功地在基材上制作了金属有机框架薄膜，同时精确控制晶体生长的方向，确保它们有序且没有缝隙。这些卓越的薄膜预计将有利于光学传感器、光学组件以及气体吸附的透明薄膜等应用。 虽然食盐和精制糖对我们来说是白色的，但这是因为它们无色的晶体散射可见光。然而，晶体的这一特性对于用于光学和电气设备的材料来说，可能并不理想。 金属有机框架就是这种材料的一个典型例子。这些具有微孔的晶体结构因其作为下一代材料的潜力而引起关注，同时它们也可能解决环境挑战，如氢存储和二氧化碳捕获。来自大阪市立大学研究生工程学院的一个团队发现了一种管理薄膜中晶体生长的方法，这大大降低了光散射。 该团队在副教授冈田健治和教授高桥正秀的带领下，开发了一种在基材上生产薄膜的技术，通过调节器引导晶体以有序的方式生长。这个调节器由稀释的醋酸溶液（一种醋的主要成分）与醋酸钠混合物组成，这与基于铜的介质相互作用，以促进单一方向的生长。 通过确保晶体整齐排列且没有缝隙，研究人员成功地创造出高质量的薄膜。…

最近在托卡马克内进行的聚变模拟定位了含液态锂的“洞穴”的最佳位置。这个理想区域位于底部，靠近中心堆栈，蒸发的金属粒子可以有效地散发多余的等离子体热量。 美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科学家们设想了一个类似于地下洞穴的加热区域，内含流动的液态金属，这将在下一代聚变装置中被称为球形托卡马克。他们提出，液态金属的蒸发可以保护托卡马克的内部免受等离子体产生的极端热量。这一概念已讨论多年，并强调了实验室的一个重点专业领域：液态金属的利用。 “我们在PPPL利用液态金属，特别是液态锂，来提高聚变效率的能力正在完善我们对其在托卡马克中最佳使用方法的理解，”PPPL的托卡马克实验科学负责人Rajesh Maingi解释道，并且他是最近在《核聚变》期刊上发表的一篇关于锂蒸气洞的论文的共同作者。 研究人员最近利用计算机模拟确定了锂蒸气“洞穴”在聚变反应堆中的最佳放置位置。在实际的聚变能源生产中，在甜甜圈形状的托卡马克中进行精确定位至关重要。锂蒸气洞的目的是使锂保持在边界层内，保护其免受核心等离子体的影响，同时又足够接近以管理多余的热量。一个蒸发器将表面加热以蒸发锂，将蒸汽粒子引导到过量热量积聚的区域。团队评估了三个潜在洞穴位置：靠近托卡马克底部的一个区域，称为私有通量区；托卡马克的外缘，称为公共通量区；或者两个位置。…

一组研究人员最近对稀有元素锕的化学键在水中形成的方式进行了令人着迷的发现。确认一个科学理论是令人兴奋的，但体验全新的事物将这种兴奋提升到了另一个层次。美国能源部（DOE）橡树岭国家实验室（ORNL）的一组研究团队最近经历了这一点，他们观察到了锕在水相环境中的化学键形成。这项研究发生在材料测量光束线（BMM），这是一个由国家标准与技术研究院资助的设施，位于国家同步辐射光源 II（NSLS-II）——这是布鲁克海文国家实验室科学办公室的一个用户设施。 尽管锕稀缺，但它有几种引人注目的用途，例如用于生产特殊的夜光涂料、放射治疗和用于起搏器及航天器等设备的耐用原子电池。然而，它的高不稳定性仍使该放射性元素的许多特性未被探索。深入了解它复杂的化学特性可能导致更加独特的应用和进一步的研究。 锕被分类为“镧系元素”或“稀土金属”。它是周期表中位于下段的15种元素之一，原子序数从57到71。虽然这些金属具有相似的视觉和物理特性，但它们各自拥有独特的磁性和电子特性。这样的独特特征可能受到一种称为“镧系收缩”的现象的影响，这表明这些元素的原子和离子尺寸随着原子序数的增加而减小，与其他周期表中的分组类似。因此，随着系列的推移，原子变得更小。在这项研究之前，科学家们尚未在实验上观察到所有溶解在溶液中的镧系元素之间的这一趋势。这项开创性研究的结果最近发表在《自然》期刊上。 解决稀缺性和时间挑战…

科学家们在相对论重离子对撞机（RHIC）中研究了六十亿个原子核碰撞产生的粒子轨迹，这是一台模拟早期宇宙条件的强大机器，他们发现了一种新的反物质核，标志着有史以来发现的最重的反物质核。这种被称为反超氢-4的核是由四个反物质成分组成：一个反质子、两个反 neutron 和一个反超粒子。 RHIC的STAR合作组的研究人员利用他们的大型粒子探测器仔细检查了碰撞的残留物，做出了这一突破性的发现。他们在《自然》期刊上发布了他们的研究成果，并解释了如何利用这些独特的反粒子研究物质与反物质之间的差异。 “我们对物质和反物质的理解告诉我们，除了电荷相反之外，反物质与物质共享相同的性质——相同的质量、衰变寿命和相互作用，”STAR合作者、兰州大学和中国现代物理研究所的研究生吴俊林表示。然而，尽管有信念认为在大爆炸约140亿年前物质和反物质是等量生产的，宇宙主要由物质组成。…

全球科学家正在开发微生物，以生产塑料，作为传统石油基产业的替代品。来自韩国的研究人员最近的进展成功解决了一个重大挑战：使细菌能够创建具有环状结构的聚合物，这增强了塑料的刚性和热稳定性。通常，这些分子对微生物是有害的，因此团队需要为大肠杆菌设计一种独特的代谢途径，以生产和管理聚合物及其构建成分的积累。所开发的聚合物是生物可降解的，具有对生物医学应用（例如药物传递）可能有利的特性，尽管还需要进一步研究。这些发现于8月21日在《生物技术趋势》期刊上发表。 高级作者李相俞，韩国科学技术院的化学与生物分子工程师表示：“我相信生物制造在应对气候变化和全球塑料问题方面至关重要。我们需要国际合作，以增强基于生物的制造，为未来几代人确保一个更健康的环境。” 大多数传统的塑料在包装和工业中使用的是环状“芳香族”结构，如PET和聚苯乙烯。尽管早期研究已经成功创建了生成由交替芳香族和脂肪族（非环形）单体组成的聚合物的微生物，但这是微生物首次仅从具有芳香族侧链的单体中产生聚合物。 研究人员通过重新组合来自不同微生物的酶，首先创建了一种新的代谢途径，使细菌能够合成一种被称为苯乳酸的芳香族单体。随后，他们利用计算机模拟设计了一种高效的聚合酶，能够将这些苯乳酸单元链接成聚合物。 “这种酶比任何天然酶更有效地复制聚合物，”李表示。…

研究人员创造了一种突破性的制冷设备，该设备环保且具有卓越的制冷性能，预计将彻底改变依赖于制冷的行业，并减少全球能源消耗。这种创新的弹热制冷技术提高了效率超过48%，为其商业应用铺平了道路，并解决了与传统制冷系统相关的环境问题。 来自香港科技大学(HKUST)工程学院的研究人员开发了一种环保制冷设备，具有世界纪录的制冷性能，旨在改变依赖于制冷的行业并减少全球能源使用。新的弹热制冷技术将效率提升超过48%，为加速这一颠覆性技术的商业化开辟了有前景的途径，并解决与传统制冷系统相关的环境挑战。 传统的蒸汽压缩制冷依赖于促进全球变暖的制冷剂。相比之下，固态弹热制冷在其相变过程中利用形状记忆合金(SMAs)的潜热，提供了一种更环保的替代品。这项技术不产生温室气体，完全可回收，且能效高。然而，20到50 K 的有限温度升高影响了制冷设备将热量从较冷到较热区域转移的能力，成为其商业化的障碍。…

一项新开发的模型成功模拟了转子周围的气流，即使在恶劣条件下也是如此。这个创新的转子空气动力学模型有潜力改善涡轮叶片和风电场的设计，并提高风力涡轮机的运行效率。 螺旋桨和风力涡轮机叶片的设计是基于一个多世纪前首次以数学形式表达的空气动力学原理。然而，工程师们早已注意到这些公式并非普遍适用。为了解决这个问题，他们常常依赖于从现实观察中推导出的即席“修正因子”。 麻省理工学院的研究人员首次创建了一个完整的基于物理的模型，能够准确反映转子周围的气流，甚至在极端情况（如高速操作或叶片设置在特定角度时）。这个模型可能会彻底改变转子设计以及风电场的配置和管理。这些发现详述在《自然通讯》期刊上，论文由麻省理工学院的博士后研究员哈伊梅·刘、博士生柯比·赫克和民用与环境工程助理教授迈克尔·霍兰德共同撰写。 “我们开发了一种新的转子空气动力学理论，”霍兰德解释道。这一理论可以用来计算转子的力、流速和产生的功，无论是利用空气中的能量如风力涡轮机，还是向流体输送能量，如船舶或飞机的螺旋桨。“这一理论在这两种情况下都是适用的，”他补充道。 鉴于其基础的数学性质，这一新理解的某些方面可以立即使用。例如，风电场运营商需要不断调整各种因素，包括每个涡轮机的方向、转速和叶片角度，以优化功率输出并确保安全。新的模型提供了一种简单有效的方法用于实时调整。…

电池的实际容量往往低于预期，有时甚至差距显著。格拉茨技术大学的研究人员现在已经确定了锂铁磷酸电池中这种容量损失发生的位置。 锂铁磷酸是一种在电动汽车、固定能源存储和各种工具中使用的重要材料。它具有寿命长、成本相对低、火灾风险低等优势。最近的进展还提高了其能量密度。尽管如此，专家们仍在努力理解为什么这些电池的理论电力储存容量可以低达到25%。要利用这种未使用的容量，必须准确识别锂离子在充放电过程中在电池材料中存储和释放的方式及位置。格拉茨技术大学的研究人员在这一领域取得了重要进展。他们利用透射电子显微镜仔细追踪锂离子在电池材料中的运动，以空前的细节绘制了铁磷酸阴极的晶体结构中锂离子的排列，并准确量化了它们在晶体中的分布。 提升电池容量的重要洞察 “我们的研究表明，即使测试电池单元充满电，一些锂离子仍然被困在阴极的晶体结构中，而未移动到阳极。这些静止的离子会导致整体容量减少，”格拉茨技术大学电子显微镜与纳米分析研究所的丹尼尔·克內兹解释道。研究人员发现，这些固定的锂离子在阴极中分布不均。他们成功识别了这些不同锂浓度区域，并精确区分到几纳米的程度。在这些过渡区域的晶格中发现了扭曲和变形。“这些发现为物理现象提供了重要的见解，这些现象至今妨碍了电池效率；我们可以将其纳入未来材料的开发中，”参与此项研究的格拉茨技术大学化学与材料技术研究所的伊利·汉祖表示。 可适用于其他电池材料的技术…

我们是谁？我们为什么存在？正如克罗斯比、斯蒂尔斯、纳什与杨的歌曲所指出的，我们是由星尘构成的，形成于广阔的星际气体和尘埃云中的化学过程。为了深入研究这一化学过程如何可能导致前生物分子的形成——地球上以及可能的超越地球生命的构建块——研究人员研究了当宇宙辐射穿过冰粒子时产生的低能电子的影响。他们的发现也可能对我们星球的医疗和环境应用产生影响。 本科生肯尼迪·巴恩斯将在即将召开的美国化学会（ACS）秋季会议上展示团队的研究成果。 “一个多世纪前，由威尔斯利学院校友安妮·简普·坎农首次发现宇宙中的分子，”巴恩斯说，她和本科同学荣·吴在化学教授克里斯托弗·阿鲁曼亚甘和物理教授詹姆斯·巴塔特的指导下进行了这项研究。自坎农的开创性工作以来，科学家们渴望了解外星分子是如何产生的。“我们的目标是研究低能电子与光子在触发与外星形成这些前生物分子相关的化学反应方面的重要性，”巴恩斯解释道。 以前研究的结果表明，电子和光子都可以驱动同样的反应。然而，巴恩斯及其团队的研究表明，来自低能电子和光子的前生物分子的产率在宇宙中可能存在显著差异。“我们的计算显示，宇宙射线在宇宙冰中诱导的电子数量可能远远超过撞击冰的光子数量，”巴恩斯透露。“因此，电子在外星前生物分子的形成中可能比光子发挥更关键的作用。” 除了宇宙冰外，她对低能电子和辐射化学的研究对地球上的应用也很有前景。巴恩斯和她的同事最近研究了水的辐射解离，发现低能电子刺激可以导致过氧化氢和氢过氧基自由基的释放，这两者都可能消耗平流层臭氧，并导致人类细胞中的有害氧化应激。…

尽管气候变化可能导致美国各地区降雨量增加，但某些地方可能会出现干旱条件和流量减少，从而导致水电生产减少。 最近的一项研究评估了气候变化对美国大陆水电发电的潜在影响，结果表明，除了西南部的一些例外情况外，未来水电发电可能会增加。 研究显示，由于气温升高导致降雨增多，太平洋西北地区山脉的冬季积雪将减少。这种季节性水储存的变化给水管理者和电网运营商带来了挑战，因为他们寻求优化水坝用于发电的操作。 “我们认识到气候正在变化，这将直接影响水电的水可用性，”能源部太平洋西北国家实验室的水文气候学家、该研究的首席作者丹尼尔·布罗曼评论道。“我们的研究提供了全国范围的全面概述，即使在专注于特定区域前景时，也可以帮助水和能源规划者。” 这项新研究于8月8日发表在《环境研究快报》上。…