技术

当水滴落在热锅上时，它在表面上舞动，像一艘微型气垫船一样在薄薄的蒸汽层上滑行；这被称为莱顿弗罗斯特效应。但现在，研究人员知道当热水滴落在凉爽的表面上时会发生什么。这些新的发现表明，热的燃烧水滴可以在凉爽的表面上弹跳，受到底部形成的一层薄空气的推动。这个现象可能会激发新的策略来减缓火灾的传播并提高发动机效率。 当水滴落在热锅上时，它在表面上舞动，像一艘微型气垫船一样在薄薄的蒸汽层上滑行；这被称为莱顿弗罗斯特效应。但现在，研究人员知道当热水滴落在凉爽的表面上时会发生什么。这些新的发现，发表在3月3日的Cell Press期刊Newton上，表明热的燃烧水滴可以在凉爽的表面上弹跳，受到底部形成的薄空气层推动。这个现象可能会激发新的策略来减缓火灾的传播并提高发动机效率。 "我们开始时提出了一个非常基础的问题：当燃烧的水滴撞击固体表面时会发生什么？"来自中国香港城市大学的高级作者朱平安说。 为了更好地理解热量如何影响水滴行为，朱和他的团队在实验中使用了十六烷，这是一种具有燃料特性的油性液体。他们将室温、加热（120°C/248°F）和燃烧的水滴滴在不同的表面上，这些表面有些光滑，有些磨损，有些具备液体拒斥性。研究小组预期室温的水滴在接触时会粘附在所有表面上。但加热和燃烧的水滴则会弹跳，表明热量是关键因素。…

研究人员发布了一项新研究，显示一种先进的新型甲烷焚烧器，该设备通过增材制造和机器学习技术制造，能消除98%的在石油生产过程中释放的甲烷。西南研究院（SwRI）和密歇根大学（U-M）的研究人员发布了一项新研究，显示一种先进的新型甲烷焚烧器，通过增材制造和机器学习制造，能消除98%的在石油生产过程中释放的甲烷。该焚烧器由U-M工程研究人员设计，并在SwRI进行了测试。石油生产商在石油生产过程中可能会产生甲烷，通常使用焚烧塔来燃烧这些气体。然而，风吹过传统的开放式火焰焚烧器会降低其效率，导致40%以上的甲烷释放到大气中。在100年时间里，甲烷的全球变暖潜力是二氧化碳的28倍，而在20年的时间尺度上，甲烷的效能是二氧化碳的84倍。燃烧能够减少整体全球变暖潜力，但低效的燃烧会削弱这一策略。SwRI与U-M工程师合作，利用机器学习、计算流体动力学和增材制造来创建和测试一个在现场具有高甲烷破坏效率和燃烧稳定性的焚烧器，能够应对挑战性的条件。“我们在SwRI的一个室内设施中测试了该焚烧器，在那里我们可以控制侧风并在不同条件下测量焚烧器的效率，”SwRI首席工程师亚历克斯·施伦克（Alex Schluneker）说，他是论文的共同作者之一。“即使是最轻微的侧风也显著降低了大多数焚烧器的效率。我们发现焚烧器内部鳍片的结构和运动对保持效率至关重要。U-M团队进行了工程设计，以显著改善性能。”该焚烧器具有复杂的喷嘴底座，将甲烷流分成三个不同的方向。叶轮设计将气体引导向火焰。这一新颖的设计允许氧气和甲烷均匀混合，并为燃烧提供时间，以便在侧风影响之前燃烧完成。这一设计是焚烧器效率的关键。“氧气与甲烷的良好比例对燃烧至关重要，”SwRI高级研究工程师贾斯廷·朗（Justin Long）表示。“需要捕获周围空气并将其与甲烷混合，但过多的空气会稀释它。U-M的研究人员进行了大量计算流体动力学研究，以找到在高侧风条件下具有最佳空气-甲烷平衡的设计。”SwRI和U-M团队正在继续合作开发和测试新的焚烧器设计，力争在2025年创建一个更高效和经济的原型。该项目得到了美国能源部的先进研究项目局-能源（ARPA-E）每年减少甲烷排放（REMEDY）计划的支持。这是支持美国甲烷排放减少行动计划的几个项目之一，该计划在2021年联合国气候变化大会（COP26）上宣布。该计划旨在减少甲烷排放，促进美国的创新，开发新技术以实现气候目标。此处所呈现的信息、数据或工作部分由美国能源部先进研究项目局（ARPA-E）资助，资助编号为DE-AR0001534。作者在此表达的观点和意见不一定表明或反映美国政府或其任何机构的观点。

一支研究团队展示了使用有机材料进行人工光合作用的可行性。利用该技术，他们成功地从废弃有机材料中合成了有用的有机化合物，包括药物材料和“绿色”氢气，这是一种下一代可再生能源。他们的发现预计将有助于药物和农业化学品的生产以及可持续能源计划。 一组由名古屋大学助理教授森翔和教授斋藤进领导的研究团队开发了一种开创性的人工光合作用方法，该方法利用阳光和水从废弃有机化合物中产生能量和有价值的有机化合物，包括药物材料。这一成就是朝着可持续能源和化学生产迈出的重要一步。研究结果发表在《自然通讯》上。 “人工光合作用涉及模仿植物将阳光、水和二氧化碳转化为富含能量的葡萄糖的化学反应，”斋藤解释道。“其他过程中常常产生的废物并未形成；相反，只有能量和有用的化学物质被创造出来。” 他们称这种技术为以有机合成为目标的人工光合作用（APOS），它满足人工光合作用的所有标准。由于在反应中使用有机物和水作为原材料，这代表了人工光合作用领域的范式转变。 “APOS成功的关键在于两种无机半导体光催化剂的协同作用，”斋藤说。“催化剂分别促进废弃有机物和水的分解，通过水分解反应，从而合成有用的有机化合物和‘绿色’氢气。”…

一个多机构研究团队阐明了SiO2/SiC界面上颜色中心的能量水平，为利用这些颜色中心作为单光子发射体的可扩展量子技术的发展铺平了道路。 许多下一代量子设备依赖于基于固体中光学活性缺陷的单光子发射体，称为颜色中心。理解它们的特性对于开发新型量子技术至关重要。 现在，在发表在APL Materials上的一项研究中，由大阪大学领导的多机构研究团队寻求阐明硅氧化物（SiO2）和碳化硅（SiC）之间界面上极亮颜色中心的来源。 之前的研究表明，许多因素可能在这些界面颜色中心的形成中发挥作用，包括氧化后退火的影响。然而，负责发光的能级结构（即发生的电子跃迁）是完全未知的，这是理解颜色中心起源的一个关键因素。…

传统的机器学习模型用于自动信息分类需要针对每个任务重新训练数据。研究人员已经证明，使用大型语言模型（LLM）可以在无需额外训练数据的情况下，以足够的准确性自动对艺术数据进行分类。 艺术已经成为一个重要的投资资产。这导致了对艺术价格预测作为评估潜在回报和风险工具的日益关注。然而，由于涉及的巨大人力成本和时间，组织和标注用于价格预测所需的数据非常具有挑战性。为了解决这个问题，研究人员应用了一种被称为“零样本分类”的技术，该技术利用大型语言模型（LLM）在不需要预先准备训练数据的情况下对数据进行分类。 研究团队探索了自动确定艺术作品类型（如绘画、印刷品、雕塑和摄影）的可行性，通过将开放模型“Llama-3 70B”优化为4位格式。结果证实，该模型对艺术作品类型的分类准确率超过90%。此外，与OpenAI的GPT-4o生成性AI相比，其准确率略高。 这种方法能够实现与传统机器学习方法相当的性能，同时显著减少数据组织所需的人力和时间。…

科学家们揭示了量子干涉和对称性如何决定分子在与金表面碰撞时的行为，提供了对分子相互作用的新见解。这一发现对化学和材料科学可能具有重要意义。 塑造分子碰撞的量子规则现在逐渐清晰，为化学和材料科学提供了新的见解。 当分子与表面碰撞时，分子与组成表面的原子之间会发生复杂的能量交换。但是在这种令人眼花缭乱的复杂性之下，量子力学（今年庆祝其100周年）支配着这一过程。 量子干涉，尤其发挥着关键作用。当分子可以采取的不同路径重叠时，就会发生量子干涉，导致特定的相互作用模式：一些路径相互增强，而另一些则完全抵消。这种“波的舞蹈”影响分子如何与表面交换能量和动量，并最终影响它们的反应效率。 然而，直到现在，观察较重分子（如甲烷（CH4））与表面的碰撞中的量子干涉几乎是不可能的，因为可供系统选择的路径数量庞大，导致不同的碰撞结果。许多科学家甚至曾怀疑所有量子效应是否总会在这些过程中“消失”，以至于适用于日常“宏观”物体的经典物理简单法则可能足以描述它们。…

通过使用激活的电解质，这种材料能够促进更好地在电解质和电流收集器之间建立接触。 这个研究团队发现，使用具有特定物理性质的电解质可以改善锂离子在充放电过程中在电流收集器上的沉积和剥离。这种均匀的离子沉积能够提高电池的整体性能和使用寿命。 Hatzell表示：“通过这样的改良，我们能够更有效地促进电池的充放电周期，从而使这些新型固态电池在实际应用中更加可靠。” 这项研究展示了新型电解质的潜力，能够为电池行业带来革命性的进展，最终推动可再生能源的使用和电动交通的广泛普及。 尽管仍然面临许多挑战，Hatzell团队的研究为无阳极固态电池的未来开辟了新的前景，朝着在市场上实现大规模制造的目标迈出了重要的一步。…

在满足全球对锂的日益增长需求的竞赛中——锂是电动汽车电池中的关键成分——一组研究人员开发了一种突破性的锂提取方法，这可能会重塑这一行业。在他们的研究中，研究人员通过重新利用固态电解质（SSE）作为水相锂提取的膜材料，展示了近乎完美的锂选择性。虽然SSE最初是为固态电池中锂离子的快速导电而设计——那里没有其他离子或液体溶剂——但发现SSE高度有序和受限的结构能够在水相混合物中实现前所未有的离子和水的分离。 在他们发表在《科学进展》上的研究中，研究人员通过重新利用固态电解质（SSE）作为水相锂提取的膜材料，展示了近乎完美的锂选择性。虽然SSE最初是为固态电池中锂离子的快速导电而设计——那里没有其他离子或液体溶剂——但发现SSE高度有序和受限的结构能够在水相混合物中实现前所未有的离子和水的分离。 这一发现为可持续资源回收提供了潜在的突破，减少对传统采矿和提取技术的依赖，这些技术既耗时又对环境造成危害。 “挑战不仅仅在于增加锂的生产，而在于以可持续和经济的方式进行生产，”对应作者、土木与环境工程领域的南希和克林特·卡尔森教授梅纳赫姆·埃利梅莱赫表示。 为了使锂提取更具环境可持续性，研究人员一直在探索直接锂提取技术，这些技术从非常规来源如油气产生的水、工业废水和地热盐水中回收锂。然而，这些方法在离子选择性方面面临挑战，特别是在尝试从类似大小或电荷的其他离子如镁和钠中分离锂时。…

科学家们研发了一种锂离子电容器，使用从锯木厂作为废物丢弃的木质颗粒生产的电极。这种生物质在巴斯克地区非常容易获得，并且采用了可持续、廉价的工艺来生产电极。研究结果表明，从生物质中提取的材料在获得环保、经济高效的高功率能量储存系统方面具有优良的特性。 固态与材料研究小组研发了一种锂离子电容器，使用从锯木厂作为废物丢弃的木质颗粒生产的电极。这种生物质在巴斯克地区非常容易获得，并且采用了可持续、廉价的工艺来生产电极。研究结果表明，从生物质中提取的材料在获得环保、经济高效的高功率能量储存系统方面具有优良的特性。 在寻求能够满足现代社会能源需求的可持续能源解决方案的过程中，能源储存系统发挥着极其重要的作用；实际上，“在可再生能源领域，我们无法控制自然提供的风、热、光等。而且，有时能源需求与能源供应并不一致；因此，需要开发资源来储存由可再生系统产生的能量，”固态与材料研究小组的研究员Eider Goikolea解释道。 正在开发下一代电化学能源储存技术的材料，研究小组成员Eider…

废弃的食物残渣、杂散的树枝、海洋贝壳以及许多其他自然材料是德克萨斯大学奥斯汀分校研究人员开发的能够从空气中提取饮用水的新系统的关键成分。 新的“分子功能化生物质水凝胶”系统可以将各种自然产品转换为吸附剂，即吸收液体的材料。通过将这些吸附剂与轻微的热量结合，研究人员可以从大气中收集到数加仑的饮用水，即使在干燥条件下也是如此。 “凭借这一突破，我们创造了一种通用的分子工程策略，使各种自然材料能够转变为高效的吸附剂，”德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与机械工程教授以及德克萨斯材料研究所的Guihua Yu说道。“这为可持续水收集提供了全新的思路，标志着朝着适用于家庭和小型社区可行的水收集系统迈出了重要一步。” 在现场测试中，研究人员每天每公斤吸附剂产生14.19升（3.75加仑）清水。大多数吸附剂每天每公斤能产生1至5升的水。…

研究人员开发了一种可以通过光发射将核能转换为电能的电池，一项新研究表明。 核电站在美国生产的所有电力中约占20%，几乎没有温室气体排放。然而，这些系统确实会产生放射性废物，这对人类健康和环境可能造成危险。安全处理这些废物可能很具挑战性。 研究团队由俄亥俄州立大学的研究人员领导，使用闪烁晶体（即高密度材料，当它们吸收辐射时会发出光）和太阳能电池相结合，证明环境伽马辐射可以被收集，以产生足够强的电能输出，以供微电子设备（如微芯片）使用。 为了测试这款约4立方厘米的小型原型电池，研究人员使用了两种不同的放射性源，铯-137和钴-60，这是来自使用过的核燃料的一些重要裂变产物。该电池在俄亥俄州立大学的核反应堆实验室进行测试。NRL支持学生和教师研究、学生教育以及对工业服务，但不产生电能。 他们的结果表明，当使用铯-137时，电池产生了288纳瓦。但使用更强的同位素钴-60时，电池产生了1.5微瓦的功率，足以开启一个微小传感器。…

你永远不会想到的转折：在微观层面理解手性与电流之间关系的突破，可能帮助我们开发手性信息技术。 东北大学、曼彻斯特大学和大阪大学的研究人员取得了一项突破，可能点燃下一代手性信息技术的发展。 手性是材料的一种性质，它的镜像与原件不相同——就像我们的左右手。这种独特的特性创造了两种不同的状态，研究人员认为这些状态未来可以用于存储数字信息，就像传统计算中的“0”和“1”状态。 “在各种材料中，螺旋磁体特别有趣，因为它们通过其磁结构展现手性，”东北大学的亚历克斯·广岛·梅奥说，“然而，使用这些材料进行信息存储的一个主要挑战在于如何有效地读取它们的手性。” 一个有希望的解决方案来源于一种叫做非互易电子传输的异常效应，在这种效应中，电流在一个方向上比在另一个方向上流动得更容易。这种单向电流流动，称为整流，直接反映材料的手性，并可能作为一种“读取”磁信息的方式。…