MIT研究人员为卫星打造了首个纯数字化制造的等离子体传感器

MIT研究人员为卫星打造了首个纯数字化制造的等离子体传感器麻省理工学院(MIT)的科学家们为卫星创造了第一个完全数字化制造的等离子体传感器。这些等离子体传感器也被称为迟钝电位分析器(RPA)，被在轨航天器用来确定大气层的化学成分和离子能量分布。3D打印和激光切割的硬件的性能表现跟最先进的半导体等离子体传感器一样好。由于制造过程需要一个洁净室，所以半导体等离子体传感器非常昂贵且需要数周的复杂制造。相比之下，这些3D打印的传感器可以在几天内以几十美元的价格生产。由于其低成本和快速生产，新传感器是CubeSats的理想选择。这些廉价、低功耗和轻量级的卫星通常用于地球高层大气的通信和环境监测。研究小组使用一种玻璃陶瓷材料开发了RPA，这种材料比硅和薄膜涂层等传统传感器材料更就有弹性。通过在为塑料3D打印而开发的制造工艺中使用玻璃陶瓷，他们能建造具有复杂形状的传感器，进而能够承受航天器在低地球轨道上遇到的巨大温度波动。“增材制造可以为未来的太空硬件带来巨大的变化。有些人认为，当你3D打印东西时，你必须让步于较低的性能。但我们已经证明，情况并非总是如此，”MIT微系统技术实验室MTL()的首席科学家LuisFernandoVelásquez-García指出。他是一篇介绍等离子体传感器的论文的第一作者。跟Velásquez-García一起撰写论文的还有MTL博士后JavierIzquierdo-Reyes、研究生ZoeyBigelow及博士后NicholasK.Lubinsky。该研究已发表在《AdditiveManufacturing》上。多用途传感器早在1959年，RPA就被首次用于太空任务中。传感器检测漂浮在等离子体中的离子或带电粒子的能量，等离子体则是存在于地球高层大气中的分子的过热混合物。在像CubeSat这样的轨道航天器上，这些多功能的仪器测量能量并进行化学分析，这可以帮助科学家预测天气或监测气候变化。这些传感器包含一系列带电的网状物，上面点缀着小孔。当等离子体通过这些孔时，电子和其他粒子被剥离，直到只剩下离子。这些离子产生电流，传感器对其进行测量和分析。RPA成功的关键是对准网格的外壳结构。它必须是电绝缘的，与此同时也能承受温度的突然剧烈波动。研究人员使用了一种被称为Vitrolite的可打印的玻璃陶瓷材料，它具有这些特性。Vitrolite在20世纪初开创了先河，经常被用于彩色瓷砖，从而成为装饰艺术建筑中常见的景观。这种耐用的材料还可以承受高达800摄氏度的温度而不破裂，而用于半导体RPA的聚合物在400摄氏度时就开始融化。“当你在洁净室中制作这种传感器时，你没有同样的自由度来定义材料和结构及它们如何相互作用，”Velásquez-García说道，“使这成为可能的是增材制造的最新发展。”重新思考制造陶瓷的3D打印过程通常涉及陶瓷粉末--用激光将其熔化成形状。然而由于激光的高热，这一过程通常会使材料变得粗糙并产生薄弱点。相反，MIT的科学家们使用了大桶聚合，这是几十年前引入的用于聚合物或树脂的增材制造的工艺。在大桶聚合法中，通过将三维结构反复浸入液体材料的大桶中--在...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1307137.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1307137.htm

剑桥大学研究人员的新发现可能改变电化学设备的未来

剑桥大学研究人员的新发现可能改变电化学设备的未来艺术家绘制的水中电子聚合物图--同时传导离子电荷和电子电荷。资料来源：ScottT.Keene在快速发展的生物电子学领域，被称为共轭聚合物的软导电材料被用于开发可在传统临床环境之外使用的医疗设备。例如，这类材料可用于制造远程监测病人健康状况的可穿戴传感器，或积极治疗疾病的植入式设备。在这类设备中使用共轭聚合物电极的最大好处是，它们能够将负责大脑和身体电信号的离子与电子（电子设备中的电信号载体）无缝耦合。这种协同作用改善了大脑与医疗设备之间的连接，有效地转换了这两种信号。在发表于《自然-材料》（NatureMaterials）上的这项有关共轭聚合物电极的最新研究中，研究人员报告了一项意想不到的发现。人们通常认为，离子的运动是充电过程中最慢的部分，因为离子比电子重。然而，这项研究发现，在共轭聚合物电极中，"空穴"（供电子移动的空隙）的移动可能是材料充电速度的限制因素。研究人员使用专门的显微镜对充电过程进行了实时密切观察，发现当充电水平较低时，空穴的移动效率很低，导致充电过程比预期的慢得多。换句话说，与标准知识相反，在这种特殊材料中，离子的传导速度比电子快。这一意外发现为我们深入了解影响充电速度的因素提供了宝贵的线索。令人兴奋的是，研究小组还确定，通过操纵材料的微观结构，可以调节充电过程中空穴移动的速度。这种新发现的控制和微调材料结构的能力可以让科学家们设计出性能更好的共轭聚合物，从而实现更快、更高效的充电过程。第一作者、剑桥大学卡文迪什实验室和电气工程部的斯科特-基恩（ScottKeene）说："我们的发现挑战了人们对电化学设备充电过程的传统认识。在低水平充电过程中，作为电子移动空隙的空穴的移动效率会出奇地低，从而导致意想不到的减速"。这些发现影响深远，为未来生物电子学、能量存储和类脑计算等应用领域的电化学设备研发提供了一条大有可为的途径。这项研究的资深作者、工程系电子工程分部菲利普亲王技术教授GeorgeMalliaras说："这项工作阐明了共轭聚合物电化学掺杂过程中发生的基本步骤，并强调了聚合物带状结构的作用，从而解决了有机电子学中一个长期存在的问题。""随着对充电过程有了更深入的了解，我们现在可以探索创造能与人体无缝结合的尖端医疗设备、提供实时健康监测的可穿戴技术以及效率更高的新型能源存储解决方案的新可能性，"共同第一作者、剑桥大学卡文迪什实验室的AkshayRao教授总结道。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379111.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379111.htm

新的防腐蚀聚合物会突出展示损害部位 可自我修复并可回收利用

新的防腐蚀聚合物会突出展示损害部位可自我修复并可回收利用腐蚀和老化最终将影响人类建造的几乎所有建筑与装备，从摩天大楼再到桥梁、飞机、火车和汽车，莫不如此。开发新的抗腐蚀材料和涂层是一个持续的需求，现在科学家们已经开发出一种新材料，具有大量人们急需的特性。这种新材料被称为聚苯亚甲基，或简称PPM，它可以被喷到一个表面上，在那里它硬化成一个固体聚合物涂层。为了测试它作为腐蚀屏障的性能如何，该团队进行了一项加速老化实验，将铝合金样品暴露在有或没有PPM涂层的盐溶液中，涂有30和50微米厚的PPM层的金属在加速老化的许多周期后没有显示出明显的腐蚀。PPM还显示了自我修复能力。当研究小组故意划伤涂层，然后将其暴露在溶液中时，发现它能迅速自行修补断裂处。这是因为溶液与下面的铝发生反应，导致该区域升温并融化聚合物，使其刚好流入缺口，缺口被填满后，溶液和金属之间的接触被打破，冷却下来的涂层就会再次变硬。这种聚合物也会对这种损坏发出预先警告，提醒需要人为干预。PPM在紫外光下会发出荧光，但如果它被损坏就不会发出荧光，这样就可以清楚地检查出可能难以发现的裂缝。即使在其寿命结束时，这种超强的材料也不会停止--它可以被回收并应用于新的表面。相比之下，类似的聚合物只能被扔进垃圾场或焚烧。在测试中，研究人员将其移除并回收，材料仅损失了5%，即使经过五个循环的重复使用，其性能也没有下降。研究人员目前正在为这种材料申请专利，而进一步的工作将研究如何改进这种配方。该研究发表在《聚合物》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1345711.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1345711.htm

生物相容性创新：MIT研发用于下一代植入物的柔软、可打印的无金属电极

生物相容性创新：MIT研发用于下一代植入物的柔软、可打印的无金属电极麻省理工学院的工程师们开发了一种不含金属、类似果冻的材料，它像生物组织一样柔软和坚韧，并能与传统金属类似地导电。这种新材料是一种高性能导电聚合物水凝胶，有朝一日可能会取代医疗设备电极中的金属。植入式电极主要由刚性金属制成，其本质是导电的。但随着时间的推移，金属会加重组织的负担，造成疤痕和炎症，反过来又会降低植入物的性能。现在，麻省理工学院的工程师们已经开发出一种不含金属、类似果冻的材料，它和生物组织一样柔软坚韧，并且可以和传统金属一样导电。这种材料可以被制成可打印的墨水，研究人员将其图案化为灵活的橡胶状电极。这种新材料是一种高性能导电聚合物水凝胶，有朝一日可能会取代金属，成为功能性的凝胶型电极，具有生物组织的外观和感觉。"这种材料的操作与金属电极相同，但由凝胶制成，与我们的身体相似，并具有类似的水含量，"医疗设备创业公司SanaHeal的联合创始人HyunwooYukSM'16PhD'21说。"它就像一个人造组织或神经。"麻省理工学院机械工程和土木与环境工程教授赵煊赫补充说："我们相信，我们第一次有了一种坚韧、牢固、类似果冻的电极，有可能取代金属来刺激神经，并与心脏、大脑和身体的其他器官对接。"赵、Yuk以及麻省理工学院和其他地方的其他人在《自然-材料》上报告了他们的结果。该研究的共同作者包括第一作者和麻省理工学院的前博士后周涛，他现在是宾夕法尼亚州立大学的助理教授，以及江西科技师范大学和上海交通大学的同事。一个真正的挑战绝大多数聚合物在本质上是绝缘的，这意味着电力不容易通过它们。但是，存在着一小部分特殊的聚合物，它们实际上可以通过其主体传递电子。一些导电聚合物在20世纪70年代首次被证明具有高导电性--这项工作后来被授予诺贝尔化学奖。最近，包括Zhao实验室的研究人员已经尝试使用导电聚合物来制造柔软的无金属电极，用于生物电子植入物和其他医疗设备。这些努力旨在制造柔软而坚韧的导电薄膜和贴片，主要是通过将导电聚合物的颗粒与水凝胶（一种柔软和海绵状的富水聚合物）混合。研究人员希望导电聚合物和水凝胶的结合将产生一种灵活的、生物相容的和导电的凝胶。但是到目前为止，制成的材料要么太弱太脆，要么表现出糟糕的电性能。Yuk说："在凝胶材料中，电气和机械性能总是相互对抗。"如果你改善凝胶的电性能，你必须牺牲机械性能，反之亦然。但在现实中，我们两者都需要：一种材料应该是导电的，同时也是有弹性和坚固的。这是真正的挑战，也是人们无法将导电聚合物制成完全由凝胶制成的可靠设备的原因。"在他们的新研究中，Yuk和他的同事们发现他们需要一种新的配方，将导电聚合物与水凝胶混合，以增强各自成分的电气和机械性能。Yuk说："人们以前依赖于这两种材料的均匀、随机混合。这种混合物产生了由随机分散的聚合物颗粒组成的凝胶。该小组意识到，为了分别保持导电聚合物和水凝胶的电气和机械强度，两种成分应以它们略微排斥的方式混合，这种状态被称为相分离。在这种略微分离的状态下，每种成分就可以将其各自的聚合物连接起来，形成长长的微观链，同时也作为一个整体进行混合。""想象一下，我们正在制作电气和机械意大利面条，"赵提出。"电学意大利面条是导电聚合物，它现在可以在材料上传输电力，因为它是连续的。而机械意大利面条是水凝胶，它可以传递机械力，并具有韧性和伸展性，因为它也是连续的。"研究人员随后调整了配方，将意大利面条的凝胶煮成墨水，他们将其送入3D打印机，并打印在纯水凝胶的薄膜上，图案类似于传统的金属电极。第一作者Zhou说："因为这种凝胶是可3D打印的，我们可以定制几何和形状，这使得它很容易为各种器官制造电接口。"研究人员随后将打印好的类似果冻的电极植入了大鼠的心脏、坐骨神经和脊髓。研究小组在动物身上测试了电极的电气和机械性能长达两个月，发现这些装置在整个过程中保持稳定，周围组织几乎没有炎症或疤痕。电极还能够将来自心脏的电脉冲传递给外部显示器，并向坐骨神经和脊髓提供小脉冲，这反过来又刺激了相关肌肉和肢体的运动活动。展望未来，Yuk设想，这种新材料的直接应用可能是用于从心脏手术中恢复的人。"这些病人需要几周的电力支持，以避免心脏病发作，这是手术的一个副作用，"Yuk说。"因此，医生在心脏表面缝合一个金属电极，并在数周内刺激它。我们可能会用我们的凝胶取代那些金属电极，以最大限度地减少并发症和副作用，目前人们只是接受。"该团队正在努力延长该材料的使用寿命和性能。然后，这种凝胶可以作为器官和长期植入物之间的软电接口，包括心脏起搏器和深脑刺激器。赵说："我们小组的目标是用类似Jell-O的东西来取代体内的玻璃、陶瓷和金属，这样它就更加良性，但性能更好，而且可以持续很长时间。这是我们的希望。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1365521.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1365521.htm

未来太赫兹技术的意外之钥：气凝胶

未来太赫兹技术的意外之钥：气凝胶气凝胶是用水溶液制造的，不需要复杂的制造程序，因此很有希望以低成本实现大规模可持续生产。太赫兹波段的波长介于电磁波谱中的微波和红外线之间。它的频率非常高。因此，许多研究人员认为，太赫兹波段在太空探索、安全技术和通信系统等方面具有巨大的应用潜力。在医学成像方面，太赫兹还可以替代X射线检查，因为太赫兹波可以穿过大多数非导电材料，而不会损坏任何组织。气凝胶可通过简单的化学修饰获得高疏水性。资料来源：ThorBalkhed然而，在太赫兹信号得到广泛应用之前，还有一些技术障碍需要克服。例如，难以有效地产生太赫兹辐射，需要能够接收和调节太赫兹波传输的材料。太赫兹波调制技术取得突破林雪平大学（LinköpingUniversity）的研究人员现已开发出一种材料，其对太赫兹信号的吸收可通过氧化还原反应开启或关闭。这种材料是一种气凝胶，是世界上最轻的固体材料之一。"它就像是太赫兹光的可调滤波器。在一种状态下，电磁信号不会被吸收，而在另一种状态下，则可以被吸收。"林雪平大学有机电子实验室（LOE）的博士后陈尚志说："这种特性对于来自太空的远距离信号或雷达信号非常有用。"有机电子学实验室研究员林雪平的研究人员使用导电聚合物PEDOT:PSS和纤维素来制造气凝胶。他们在设计气凝胶时还考虑到了户外应用。它既能防水（疏水），又能通过阳光加热自然解冻。与其他用于制造可调材料的材料相比，导电聚合物具有许多优势。除其他优点外，导电聚合物还具有生物相容性、耐用性和极强的可调谐性。可调谐性来自于改变材料中电荷密度的能力。与其他类似材料相比，纤维素的最大优点是生产成本相对较低，而且是一种可再生材料，这对于可持续应用至关重要。LOE博士后匡朝阳说："太赫兹波在较宽频率范围内的传输可在约13%到91%之间调节，这是一个非常大的调制范围。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1415755.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1415755.htm

等离子技术将蓝绿藻转化为可愈合伤口的生物活性涂层

等离子技术将蓝绿藻转化为可愈合伤口的生物活性涂层等离子体是由过热的气体形成的，过热的气体会将电子从原子中剥离，从而产生带正电荷的离子和带负电荷的电子。大气压等离子体喷射器（APPJ）利用惰性气体/分子气体混合物通过强大的电弧放电，在环境压力下进行等离子体放电。南澳大利亚弗林德斯大学的研究人员利用氩气APPJ将蓝绿微藻转化为超薄生物活性涂层，这种涂层可添加到医用敷料中，起到杀灭细菌、消炎和促进伤口愈合的作用。该研究的通讯作者之一ViKhanhTruong说："我们正在使用等离子涂层技术将任何类型的生物质--在本例中是最大螺旋藻--转化为可持续的高端涂层。利用我们的技术，我们可以将生物质转化为伤口敷料涂层。"蓝绿微藻S.maxima的提取物通常被用作膳食补充剂。这种单细胞生物拥有简单的生殖系统，能产生生物质，其中含有生物活性化合物，具有强大的抗氧化和抗菌特性，可帮助伤口愈合。然而，微藻厚厚的细胞壁对提取这些宝贵的化合物构成了巨大的障碍。这就是APPJ的用武之地。研究人员利用这项技术选择性地打破了微藻的厚壁，从而实现了重大转变。S.maxima失去了原生结构，完全解体，随后重新形成超薄薄膜。一步法氩气APPJ工艺将S.maxima生物质转化为超薄生物活性涂层及其应用示意图Phametal.评估发现，经氩气APPJ处理的S.maxima对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性很高，细胞死亡率分别为93%和73%，并能抑制生物膜的形成。生物膜内的细菌对抗生素的耐药性更强。除了具有生物相容性外，S.maxima涂层还具有消炎特性。使用这种涂层后，研究人员用伤口划痕法测定的伤口在两天内就完全闭合了。研究人员说，这种新型技术有望成为一种伤口治疗方法，包括慢性伤口的治疗，尤其是在抗生素耐药性增加的情况下。这项研究的另一位通讯作者克拉西米尔-瓦西列夫（KrasimirVasilev）说："这种新型等离子体促进下游处理技术可以改善生物质中有用化合物的提取和纯化，而无需使用有害溶剂和投入大量能源。"我们目前正在探索这一独特技术的商业化途径。目前，还没有一种商用伤口敷料能同时抗感染、保护伤口、有效调节炎症和促进伤口愈合。"该研究发表在《Small》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389083.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389083.htm