麻省理工学院的瘦身版太阳能电池将使屋顶只增重20公斤

麻省理工学院的瘦身版太阳能电池将使屋顶只增重20公斤该技术背后的麻省理工学院团队试图在其之前的材料科学进展的基础上继续发展，在2016年最终完成了超薄太阳能电池，其重量足以压在肥皂泡上而不致破裂。正如我们多年来所关注的其他薄、轻、灵活的太阳能电池一样，这指向了各种可能性，从基于纸张的电子产品到可以在一天中收集能量的轻量级可穿戴设备。尽管有这样的潜力，该团队仍有一些问题需要解决，太阳能电池的制造技术需要真空室和昂贵的蒸镀方法。为了扩大该技术的规模，科学家们现在已经转向基于墨水的可打印材料，以简化该过程。这首先是以可打印的半导体油墨形式的纳米材料，当涉及到电子技术时，这是一项具有广泛潜力的技术。这些材料与可打印的电极一起沉积在厚度仅为3微米的塑料基材上，形成一个太阳能模块。然后，该模块可以被剥离并粘在一个织物基底上，该基底提供了防止撕裂所需的机械强度，同时增加了最小的重量。麻省理工学院的柔性新太阳能电池是传统太阳能电池板重量的百分之一成品是一种柔性和超轻的太阳能电池，其重量是传统太阳能电池板的百分之一，但每公斤能产生18倍的能量。在测试中，该团队发现太阳能电池在粘附在织物上时，每公斤（2.2磅）可产生370瓦特，但在单独站立时可达到730瓦特。"在马萨诸塞州，一个典型的屋顶太阳能装置大约是8000瓦，"共同主要作者MayuranSaravanapavanantham说。"为了产生相同数量的电力，我们的织物光伏只需在房子的屋顶上增加大约20公斤（44磅）。"该团队的测试还表明，织物太阳能电池板可以被卷起和展开500多次，同时保持其90%的发电能力，这预示着其耐用性。该团队从这里开始努力解决的问题包括环境退化问题，需要某种形式的超薄包装来保护太阳能电池免受外界影响。麻省理工学院电子研究实验室的研究科学家JeremiahMwaura说："将这些太阳能电池包裹在厚重的玻璃中，就像传统的硅太阳能电池的标准做法一样，很快会抵消掉技术的进步价值，因此该团队目前正在开发超薄的包装解决方案，这只会使目前超轻设备的重量增加一小部分。"如果这些问题能够得到解决，太阳能电池的薄型和轻量可以使它们找到各种用途。将它们应用于船帆、灾后重建中的帐篷外侧或无人机的机翼是其中的一些例子，但理论上它们几乎可以部署在任何地方用于发电。这项研究发表在《小方法》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1335113.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1335113.htm

麻省理工学院研究人员利用压电纤维开发出主动降噪织物

麻省理工学院研究人员利用压电纤维开发出主动降噪织物这项发表在《先进材料》（AdvancedMaterials）杂志上的研究，是在早先研究的基础上，创造出一种可以充当麦克风并放大声音的丝绸织物。在研究过程中，研究小组意识到他们的材料还可以用来过滤声音。他们将后一个想法付诸实践。这种由压电纤维制成的特制织物几乎不比头发丝粗。当施加电压时，这种材料就会振动，如果调整得当，就能像降噪耳机一样抵消传入的声音。这种方法在狭小的空间内很有用，但在室内却不奏效。为了应对这一挑战，他们需要一种不同的方法。研究人员发现，通过使用电压使织物完全静止，可以使其变成一种声屏障，像镜子一样将声音反射回声源。在测试中，直接抑制模式（类似于降噪耳机）能够将音量降低65分贝。在"静止"模式下，声音传播降低了75%。虽然前景广阔，但在考虑商业推广之前，仍有许多工作要做。该团队需要进行更多的测试，以了解纤维数量、缝合方向和电源电压等变量的变化对性能的影响。第一作者格蕾丝-杨（GraceYang）说，这仅仅是个开始，要让这项技术真正有效，"我们还有很多旋钮可以转动"。他们还需要找出将其推向市场的最佳方法。这项研究的共同作者、麻省理工学院教授尤尔-芬克（YoelFink）告表示，这种材料现在还太新，他甚至不知道它的市场在哪里。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432682.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432682.htm

储能领域的新突破：麻省理工学院工程师用古老材料制造出超级电容器

储能领域的新突破：麻省理工学院工程师用古老材料制造出超级电容器麻省理工学院的工程师们用古老而丰富的材料制造出了一种"超级电容器"，可以储存大量能量。这种装置仅由水泥、水和炭黑（类似于木炭粉末）制成，可作为储存间歇性可再生能源（如太阳能或风能）的廉价系统的基础。图片来源：Franz-JosefUlm、AdmirMasic和Yang-ShaoHorn提供研究人员发现，这两种材料可以与水结合，制成超级电容器（电池的替代品），从而提供电能存储。开发该系统的麻省理工学院研究人员举例说，他们的超级电容器最终可以安装在房屋的混凝土地基中，这样就可以储存一整天的电能，同时几乎不增加（或减少）地基的成本，还能提供所需的结构强度。研究人员还设想了一种混凝土路面，可以在电动汽车经过该路面时为其提供非接触式充电。麻省理工学院教授弗朗茨-约瑟夫-乌尔姆（Franz-JosefUlm）、阿米尔-马西奇（AdmirMasic）和杨-邵-霍恩（Yang-ShaoHorn）以及麻省理工学院和威斯研究所的其他四位教授在最近发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上的一篇论文中介绍了这项简单而创新的技术。从原理上讲，电容器是一种非常简单的装置，它由浸在电解液中的两块导电板组成，中间用薄膜隔开。当在电容器上施加电压时，电解液中的正电离子会聚集在带负电的板上，而带正电的板则会聚集带负电的离子。由于板间的薄膜阻挡了带电离子的迁移，电荷的分离在板间产生了电场，电容器就带电了。两块极板可以长时间保持这对电荷，并在需要时迅速释放电荷。超级电容器是一种能够存储超大电荷的电容器。电容器可存储的电量取决于其导电板的总表面积。该研究小组开发的新型超级电容器的关键在于一种生产水泥基材料的方法，由于水泥基材料的体积内存在密集、相互连接的导电材料网络，因此这种材料具有极高的内表面积。研究人员将导电性极强的炭黑与水泥粉和水一起引入混凝土混合物中，并让其固化，从而实现了这一目标。水与水泥反应后，自然会在结构上形成一个由开口组成的分支网络，而碳则会迁移到这些空间中，在硬化的水泥中形成类似导线的结构。这些结构具有类似分形的结构，较大的分枝长出较小的分枝，这些分枝又长出更小的分枝，如此循环，最终在相对较小的体积内形成了极大的表面积。然后，将这种材料浸泡在标准电解质材料（如氯化钾，一种盐）中，从而在碳结构上积聚带电粒子。研究人员发现，由这种材料制成的两个电极之间隔着一层薄薄的空间或绝缘层，可以形成一个非常强大的超级电容器。由于这种新型"超级电容器"混凝土可以保持强度，因此用这种材料做地基的房屋可以储存太阳能电池板或风车一天所产生的能量，并在需要时随时使用。图片来源：Franz-JosefUlm、AdmirMasic和Yang-ShaoHorn提供电容器的两块极板就像电压相当的充电电池的两极：与电池一样，当连接到电源时，能量会储存在极板中，然后当连接到负载时，电流会流回，从而提供电能。"这种材料令人着迷，"马西奇说，"因为你拥有世界上最常用的人造材料--水泥，它与炭黑结合在一起，而炭黑是一种众所周知的历史材料--《死海古卷》就是用它写成的。你拥有这些至少有两千年历史的材料，当你以特定的方式将它们结合在一起时，就会产生一种导电纳米复合材料，这时事情就变得非常有趣了。"他说："随着混合物的凝固和固化，水会通过水泥水化反应被系统地消耗掉，而这种水化反应会从根本上影响纳米碳粒子，因为它们是疏水的（拒水）。随着混合物的演变，炭黑会自组装成一根相连的导电线。这种工艺很容易复制，使用的材料价格低廉，在世界上任何地方都可以买到。实现渗碳网络所需的碳量非常少，仅占混合物体积的3%。"用这种材料制成的超级电容器在帮助世界向可再生能源过渡方面潜力巨大。无排放能源的主要来源--风能、太阳能和潮汐能--都是在不固定的时间输出的，往往与用电高峰期不一致，因此储存电能的方法至关重要。"现在非常需要大型能源存储设备，现有的电池过于昂贵，而且主要依赖锂等材料，而锂的供应有限，因此急需更便宜的替代品。"乌尔姆说："这正是我们的技术极具前景的地方，因为水泥无处不在。"研究小组计算出，一块45立方米（或码）大小的掺有纳米碳黑的混凝土（相当于一个直径约3.5米的立方体）足以存储约10千瓦时的能量，这相当于一个家庭平均每天的用电量。由于混凝土可以保持强度，因此用这种材料做地基的房屋可以储存太阳能电池板或风车一天的发电量，并在需要时随时使用。而且，超级电容器的充放电速度比电池快得多。经过一系列测试，确定了水泥、炭黑和水的最有效配比后，研究小组制作了小型超级电容器，与一些纽扣电池差不多大小，直径约1厘米，厚约1毫米，每个都能充至1伏特，相当于1伏特的电池。然后，他们连接了三个这样的电池，演示了它们点亮3伏发光二极管（LED）的能力。在证明了这一原理后，他们现在计划制造一系列更大的版本，从与典型的12伏汽车电池大小相当的版本开始，然后逐步扩大到45立方米的版本，以展示其存储一屋电力的能力。他们发现，这种材料的储存能力与其结构强度之间存在着折衷。通过添加更多的炭黑，产生的超级电容器可以存储更多的能量，但混凝土的强度会稍弱一些，这对于混凝土不发挥结构作用或不需要混凝土的全部强度潜力的应用可能是有用的。他们发现，对于地基或风力涡轮机底座结构件等应用，"最佳点"是混合物中约10%的碳黑。碳水泥超级电容器的另一个潜在应用是建造混凝土路面，这种路面可以储存路边太阳能电池板产生的能量，然后利用无线充电手机使用的同类技术将能量输送给沿路行驶的电动汽车。德国和荷兰的公司已经在开发一种相关的汽车充电系统，但使用的是标准电池。研究人员说，这种技术的最初用途可能是远离电网的孤立住宅、建筑或避难所，可以由连接在水泥超级电容器上的太阳能电池板供电。该系统具有很强的可扩展性，因为储能容量是电极体积的直接函数。乌尔姆说："可以从1毫米厚的电极扩展到1米厚的电极，通过这样做，基本上可以将储能能力从点亮LED几秒钟扩展到为整栋房子供电。"根据特定应用所需的特性，可以通过调整混合物来调整系统。对于汽车充电道路来说，需要非常快的充放电速度，而对于家庭供电来说有一整天的时间来充电，因此可以使用充电速度较慢的材料。因此，这确实是一种多功能材料。除了能以超级电容器的形式储存能量外，同一种混凝土混合物还可用作加热系统，只需向含碳混凝土通电即可。乌尔姆认为这是"展望混凝土作为能源转型一部分的未来的一种新方式"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387965.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387965.htm

麻省理工学院的微观超材料可抵御超音速撞击

麻省理工学院的微观超材料可抵御超音速撞击这就是麻省理工学院工程师在微观超材料实验中的发现--这些材料是有意打印、组装或以其他方式设计的，其微观结构赋予了材料整体特殊的性能。在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，工程师们报告了一种快速测试超材料结构阵列及其对超音速撞击的适应性的新方法。通过以超音速发射微粒子，麻省理工学院的工程师们可以测试各种超材料的弹性，这些超材料是由小到一个红血球的结构制成的。图为微粒子撞击超材料结构的四段视频截图。图片来源：研究人员提供在实验中，研究小组将印刷好的微小超材料晶格悬挂在微观支撑结构之间，然后以超音速向材料发射更微小的粒子。然后，研究小组利用高速摄像机以纳秒级的精度捕捉每次撞击及其后果的图像。他们的研究发现了一些超材料结构，与完全固态、非结构化的同类材料相比，它们更能抵御超音速撞击。研究人员说，他们在微观层面观察到的结果可以推广到类似的宏观冲击，从而预测新材料结构在不同长度尺度上如何抵御现实世界中的冲击。研究人员打印出错综复杂的蜂窝状材料，悬浮在相同材料的支撑柱之间（如图）。这种微观结构的高度相当于人类三根头发的宽度。图片来源：研究人员提供"我们正在学习的是，材料的微观结构很重要，即使在高速变形的情况下也是如此，"研究报告的作者、麻省理工学院机械工程系教授卡洛斯-波特拉（CarlosPortela）说。"我们希望找出抗冲击结构，将其制成涂层或面板，用于航天器、车辆、头盔以及任何需要轻质和保护的物体。"该研究的其他作者包括第一作者、麻省理工学院研究生托马斯-布特鲁伊尔（ThomasButruille）和DEVCOM陆军研究实验室的约书亚-克龙（JoshuaCrone）。纯粹的影响团队的新高速实验建立在之前工作的基础上，工程师们在实验中测试了一种超轻碳基材料的韧性。这种材料比人的头发丝还细，由微小的碳支柱和碳束制成，研究小组打印了这些碳支柱和碳束，并将其放置在玻璃载玻片上。然后，他们以超过音速的速度向材料发射微粒子。这些超音速实验表明，微结构材料能够承受高速撞击，有时能使微粒子偏转，有时则能捕获它们。Portela说："但有许多问题我们无法回答，因为我们是在基底上测试材料，这可能会影响它们的行为。"麻省理工学院的工程师们捕捉到了微粒子通过精确设计的超材料发射的视频，其测量厚度比人的头发丝还细。图片来源：研究人员提供在他们的新研究中，研究人员开发了一种测试独立超材料的方法，以观察材料在没有背衬或支撑基底的情况下，自身如何承受撞击。在目前的设置中，研究人员将感兴趣的超材料悬挂在两根由相同基础材料制成的微型支柱之间。根据被测试超材料的尺寸，研究人员计算出两根支柱必须相距多远，才能在两端支撑材料，同时让材料对任何冲击做出反应，而不受支柱本身的影响，这样就能确保我们测量的是材料特性，而不是结构特性。研究小组确定了支柱支撑设计后，便开始测试各种超材料架构。对于每种结构，研究人员首先在一个小型硅芯片上打印出支撑柱，然后继续打印超材料作为柱子之间的悬浮层，在一个芯片上打印和测试数百个这样的结构。穿孔和裂缝研究小组打印出的悬浮超材料类似于错综复杂的蜂巢状截面。每种材料都印有特定的三维微观结构，如重复八面体或多面体多边形的精确支架。每个重复单元的大小与一个红血球相当。由此产生的超材料比人的头发丝还要细。随后，研究人员以每秒900米（每小时2000多英里）的速度-完全在超音速范围内向这些结构发射玻璃微粒子，测试每种超材料的抗冲击能力。他们用相机捕捉了每次撞击，并逐帧研究了生成的图像，以了解射弹是如何穿透每种材料的。接下来，他们在显微镜下检查了这些材料，并比较了每次撞击的物理后果。波特拉说："在建筑材料中，我们看到了撞击后小圆柱形弹坑的形态。但在固体材料中，我们看到了许多径向裂缝和被刨出的大块材料"。总之，研究小组观察到，发射的粒子在晶格超材料上造成了小的穿孔，而材料却保持完好无损。与此相反，当以相同的速度将相同的粒子发射到质量相等的非晶格固体材料中时，它们会产生大裂缝，并迅速扩散，导致材料破碎。因此，微结构材料能更有效地抵御超音速撞击以及多重撞击。尤其是印有重复八面体的材料似乎最坚硬。意见和未来方向"在相同的速度下，我们看到八面体结构更难断裂，这意味着单位质量的超材料能够承受的冲击力是块状材料的两倍，"波特拉说。"这告诉我们，有一些结构可以使材料变得更坚硬，从而提供更好的冲击保护"。展望未来，该团队计划利用新的快速测试和分析方法来确定新的超材料设计，希望能标记出可升级为更坚固、更轻便的防护装备、服装、涂层和镶板的架构。波特拉说："最让我兴奋的是，我们可以在台式机上进行大量这些极端实验。这将大大加快我们验证新型高性能弹性材料的速度。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1420685.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1420685.htm

麻省理工学院研究人员在细菌上显示运行《毁灭战士》

麻省理工学院研究人员在细菌上显示运行《毁灭战士》据外媒消息，麻省理工学院生物工程研究员LaurenRamlan在完全由大肠杆菌制成的细胞壁内创建了一个显示器，并用它运行了《毁灭战士》。Ramlan将细菌细胞排列在一个网格阵列中，形成1位32x48分辨率的显示器。细胞中荧光阻断基因的激活和停用会导致屏幕点亮并产生游戏帧，该显示器每天能够以略低于三帧的速度显示游戏。由于完全荧光需要70分钟，等待细胞恢复需要8个小时，Ramlan估计使用这种方法完全通关需要600年。投稿：@TNSubmbot频道：@TestFlightCN

麻省理工学院揭幕"质子之舞"： 开拓能源新时代

麻省理工学院揭幕"质子之舞"：开拓能源新时代麻省理工学院的化学家们首次详细描绘了这些质子耦合电子转移是如何在电极表面发生的。他们的研究成果可以帮助研究人员设计出更高效的燃料电池、电池或其他能源技术。麻省理工学院化学和化学工程教授、该研究的资深作者YogeshSurendranath说："我们在这篇论文中取得的进展是研究和理解了这些电子和质子如何在表面部位耦合的性质，这与催化反应有关，而催化反应在能量转换装置或催化反应中非常重要。"在他们的研究成果中，研究人员能够准确追踪电极周围电解质溶液pH值的变化如何影响电极内质子运动和电子流动的速度。麻省理工学院研究生诺亚-刘易斯（NoahLewis）是这篇论文的第一作者，论文最近发表在《自然-化学》上。麻省理工学院前博士后RyanBisbey、麻省理工学院研究生KarlWestendorff和耶鲁大学研究科学家AlexanderSoudackov也是这篇论文的作者。质子传递质子耦合电子转移是指一种分子（通常是水或酸）将质子转移到另一种分子或电极表面，从而刺激质子接受者也接受一个电子。这种反应已被广泛应用于能源领域。"这些质子耦合电子转移反应无处不在。它们通常是催化机制中的关键步骤，对于制氢或燃料电池催化等能量转换过程尤为重要，"Surendranath说。在制氢电解槽中，这种方法用于从水中去除质子，并在质子上添加电子以形成氢气。在燃料电池中，当质子和电子从氢气中移出并加入氧气形成水时，就会产生电能。施加电势会导致质子从氢离子（右图）转移到电极表面。利用具有分子定义质子结合位点的电极，麻省理工学院的研究人员为这些界面质子耦合电子转移反应建立了一个通用模型。图片来源：研究人员提供质子耦合电子转移在许多其他类型的化学反应中都很常见，例如二氧化碳还原（通过添加电子和质子将二氧化碳转化为化学燃料）。当质子接受体是分子时，科学家们可以精确控制每个分子的结构，并观察电子和质子如何在分子间传递，因此他们已经对这些反应的发生过程有了很多了解。然而，当质子耦合电子转移发生在电极表面时，这一过程就更难研究了，因为电极表面通常非常异质，质子有可能与许多不同的位点结合。为了克服这一障碍，麻省理工学院的研究小组开发出一种设计电极表面的方法，使他们能够更精确地控制电极表面的组成。他们的电极由石墨烯薄片组成，表面附着有机含环化合物。每个有机分子的末端都有一个带负电荷的氧离子，它可以接受周围溶液中的质子，从而使电子从电路流入石墨表面。Surendranath说："我们可以创造出一种电极，它不是由各种各样的位点组成，而是由单一类型的非常明确的位点组成的统一阵列，每个位点都能以相同的亲和力结合质子。由于我们拥有这些非常明确的位点，这让我们能够真正揭示这些过程的动力学"。利用这个系统，研究人员能够测量流向电极的电流，从而计算出平衡状态下质子向表面氧离子转移的速率--质子向表面捐赠的速率和质子从表面转移回溶液的速率相等的状态。他们发现，周围溶液的pH值对这一速率有显著影响：最高速率出现在pH值的两端--酸性最强的pH值为0，碱性最强的pH值为14。为了解释这些结果，研究人员根据电极可能发生的两种反应建立了一个模型。在第一种反应中，强酸性溶液中高浓度的氢离子（H3O+）将质子传递给表面的氧离子，生成水。在第二种情况下，水将质子传递给表面氧离子，生成氢氧根离子（OH-），氢氧根离子在强碱性溶液中浓度较高。不过，pH值为0时的速度比pH值为14时的速度快四倍，部分原因是氢离子释放质子的速度比水快。需要重新考虑的反应研究人员还惊奇地发现，这两个反应的速率并不是在中性pH值为7（氢铵和氢氧根的浓度相等）时相等，而是在pH值为10（氢氧根离子的浓度是氢铵的100万倍）时相等。该模型表明，这是因为涉及氢𬭩或水提供质子的前向反应比涉及水或氢氧化物去除质子的后向反应对总速率的贡献更大。研究人员说，关于这些反应如何在电极表面发生的现有模型假定，前向反应和后向反应对总速率的贡献相同，因此新发现表明，可能需要重新考虑这些模型。Surendranath说："这是默认的假设，即正向和逆向反应对反应速率的贡献相同。我们的发现确实令人大开眼界，因为这意味着人们用来分析从燃料电池催化到氢进化等一切问题的假设可能是我们需要重新审视的。"研究人员目前正在利用他们的实验装置研究向电极周围的电解质溶液中添加不同类型的离子会如何加快或减慢质子耦合电子流的速度。刘易斯说："通过我们的系统，我们知道我们的位点是恒定的，不会相互影响，因此我们可以读出溶液的变化对表面反应的影响。"编译自//scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424095.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424095.htm