研究人员观察到白蚁相互协调工作以建造巨型巢穴的方式

研究人员观察到白蚁相互协调工作以建造巨型巢穴的方式最近的研究发现，白蚁是通过感知和响应湿度水平而不是使用信息素来建造它们复杂的巢穴的，这揭示了白蚁建造复杂结构的一种简单而有效的机制。自然环境中的白蚁巢穴（澳大利亚新南威尔士州的一个白蚁丘）。图片来源：AndreaPerna由卢卡国际高级研究学院（IMTSchoolforAdvancedStudiesLucca）复杂系统教授安德烈娅-佩尔纳（AndreaPerna）负责协调的一项新研究发表在《电子生命》（eLife）杂志上，现已查明白蚁完成这种非凡任务的独特机制。白蚁已基本完成拱形结构的建造。红灯是3D扫描仪用来量化施工进度的光束。图片来源：GiulioFacchini在对Coptotermesgestroi白蚁（原产于南亚，现已扩散到美国东海岸）进行实验室实验时，研究人员使用湿粘土建造了具有不同高度和形状的人工结构的小台子。然后，他们从一个较大的白蚁群中收集了小群白蚁，并通过视频跟踪白蚁群中所有白蚁的活动，同时描述三维结构的变化，量化它们对这些结构的建筑行为。通过这种方法，可以对各种假设进行检验，从而发现白蚁筑巢时所使用的协调机制。白蚁（Coptotermesgestroi）在实验场自发地建造了几根柱子。图片来源：GiulioFacchini比较观察和实验除了白蚁之外，蚂蚁是能够建造大型复杂建筑的另一大昆虫类群，以蚂蚁为例，人们认为，蚂蚁在建筑材料中浸渍了一种信息素，这种化学物质能够吸引其他蚂蚁来到建筑工地，并"告诉"它们在哪里建造。这样，一只工蚁的活动就会引发其他蚂蚁的活动，这是一个自我强化的过程。如果白蚁也像蚂蚁一样依靠信息素来指导它们的建筑活动，那么它们就不应该表现出偏好把建筑材料颗粒堆放在任何特定的位置，因为在实验人员准备的人工舞台上没有任何信息素。但事实并非如此：虽然场内到处都在收集颗粒，但沉积物都集中在已有建筑的顶部。也许他们可以评估地面上的小柱子和异质物的高度，这样，他们就会在已有结构的顶部不断添加建筑材料。但事实并非如此：事实上，白蚁在高低支柱上堆积建筑材料的概率是相同的。一小群Coptotermesgestroi白蚁在实验人员放置的人工支柱顶部添加粘土颗粒。图片来源：GiulioFacchini另一个假设是，白蚁可能能够感知建筑基质的曲率，因为之前的一些建模显示，在曲率最高的位置不断添加颗粒足以产生非常复杂的结构，类似于某些物种的白蚁巢穴。这项研究的第一作者、法国巴黎国家科学研究中心复合材料与系统研究所研究员朱利奥-法奇尼（GiulioFacchini）说："在我们的模拟中，我们观察到，表面的小异质具有比周围平坦基质更高的曲率，因此它们会膨胀形成支柱，支柱的尖端反过来又会吸引建筑材料进一步沉积并继续生长，直到它们分裂或与另一个支柱合并，以此类推；利用这一简单规则可以形成非常复杂的结构。"事实上，当白蚁面对实验中提供的人工刺激时，它们总是喜欢在曲率最大的地方建造，在柱子的顶端添加颗粒（与柱子的高度无关）；当提供一个小的墙壁刺激时，它们最常在墙壁的两个角落添加颗粒，也就是曲率达到最大的两个点。了解白蚁的感知能力问题是：白蚁怎么能如此可靠地感知到它们正在建造的建筑物的弧度？研究人员发现，这可能与水分蒸发和湿度有关。佩尔纳解释说："白蚁对湿度浓度非常敏感：与大多数其他昆虫不同，白蚁的外骨骼很薄，皮肤也很柔软，这意味着即使长时间暴露在低于70%的湿度水平下，也会对它们造成致命伤害。它们能够感知这些湿度梯度，并通过行为对其做出反应，这并不太令人惊讶。"但如何证明这一点呢？"我们找到了一种被《eLife》杂志的一位匿名审稿人称为'非常巧妙的低技术解决方案'的解决方案：我们准备了与白蚁相同的实验场地，但这次用碳酸氢钠盐溶液浸渍粘土。当盐溶液中的水分蒸发时，会留下微小的盐晶体，这些晶体的生长标志着蒸发量最大的区域：这些区域就是柱子的顶端和墙壁的角落：这正是白蚁选择进行建筑活动的区域！"Facchini解释道。佩尔纳评论说："真正让我们感到惊讶的是，我们发现白蚁用如此简单的方法解决了一个非常复杂的问题。在我们的实验中，巢穴的复杂性仅仅产生于一个简单的机制：白蚁只需要根据当地的湿度添加颗粒材料，但它们添加的颗粒材料反过来又会改变所有的蒸发和湿度模式，诱使其他白蚁在不同的位置建造巢穴，以此类推，直到产生非常复杂的结构"。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427113.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427113.htm

研究人员更接近于解决氢脆问题带来的巨大挑战

研究人员更接近于解决氢脆问题带来的巨大挑战该研究成果发表在《自然-通讯》（NatureCommunications）上，由副校长（研究-企业与参与）朱莉-凯尔尼（JulieCairney）教授和陈怡生（Eason）博士领导的研究小组展示，该小组成员包括刘然明博士和博士生刘鹏宇。他们使用了悉尼大学首创的一种先进的显微镜技术，即低温原子探针断层扫描技术，可以直接观察材料中的氢分布。"我们希望这项研究能让我们更接近揭示钢中发生氢脆的确切原因，为大规模解决氢气运输和储存问题铺平道路，"凯尔尼教授说，他所在的澳大利亚显微镜和微分析中心就是这项研究的开展地。氢脆是氢导致钢等高强度材料变脆和开裂的过程。研究人员说，氢脆是向氢经济过渡的最大障碍之一，因为它阻碍了氢在高压下的有效储存和运输。因此，了解和解决脆化问题对可再生能源市场来说是一个价值数十亿美元的问题，德勤估计，到2050年，清洁氢气市场规模将达到1.4万亿美元。"大规模氢经济的未来在很大程度上取决于这个问题。氢是出了名的阴险；作为最小的原子和分子，它渗入材料，然后裂开并破坏它们。"陈博士说："要想有效地大规模生产、运输、储存和使用氢气，这种情况并不理想。"钼被添加到钢中，并与其他元素结合，形成一种被称为"碳化物"的极其坚硬的陶瓷。碳化物通常被添加到钢中，以提高钢的耐久性和强度。利用先进的显微镜技术，研究人员看到被捕获的氢原子位于碳化物位点的核心，这表明钼的加入有助于捕获氢。与之相比，基准碳化钛钢没有显示出相同的氢捕获机制。添加钼有助于提高碳空位的存在，碳空位是碳化物中的一种缺陷，能有效捕获氢气。添加的钼仅占钢材总量的0.2%，研究人员称，这使其成为一种具有成本效益的降低脆性的策略。研究人员认为，铌和钒也可能对钢材产生类似的影响。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1422134.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1422134.htm

韩国研究人员为未来的锂电池开发出一种新型轻质结构

韩国研究人员为未来的锂电池开发出一种新型轻质结构浦项科技大学（POSTECH）化学系的SoojinPark教授和博士生Dong-YeobHan与韩国能源研究所（KIER）的GyujinSong博士以及浦项N.EX.THUB的研究团队合作开发出了一种三维聚合物结构。这种轻质结构有利于锂（Li）离子的传输。他们的研究成果最近发表在国际期刊《先进科学》（AdvancedScience）的网络版上。电池技术的进步用于电动汽车和智能手机等电子设备的电池技术不断发展。值得注意的是，锂金属阳极的能量容量为3860mAh/g，是目前商业化石墨阳极的十倍以上。锂金属阳极可以在更小的空间内储存更多的能量，而且与石墨或硅不同，锂金属阳极可以作为电极直接参与电化学反应。然而，在充电和放电过程中，锂离子的不均匀分布会产生被称为"死锂"的区域，从而降低电池的容量和性能。此外，当锂向一个方向增长时，它可能会到达相反一侧的阴极，从而造成内部短路。虽然最近的研究重点是优化三维结构中的锂传输，但这些结构大多依赖重金属，大大降低了电池的单位重量能量密度。锂电沉积后的混合结构内部几何形状示意图。资料来源：POSTECH用于阳极的创新型三维结构为了解决这个问题，研究小组利用聚乙烯醇（一种对锂离子具有高亲和力的轻质聚合物）与单壁碳纳米管和纳米碳球相结合，开发出了一种混合多孔结构。这种结构比通常用于电池阳极的铜（Cu）集流体轻五倍以上，对锂离子有很高的亲和力，有利于锂离子通过三维多孔结构中的空隙迁移，实现均匀的锂电沉积。在实验中，采用了该团队三维结构的锂金属阳极电池在经过200多次充放电循环后表现出很高的稳定性，并达到了344Wh/kg（能量与电池总重量之比）的高能量密度。值得注意的是，这些实验使用的是代表实际工业应用的袋装电池，而不是实验室规模的纽扣电池，这凸显了该技术商业化的巨大潜力。POSTECH的SoojinPark教授表达了这项研究的意义，他说："这项研究为最大限度地提高锂金属电池的能量密度开辟了新的可能性"。KIER的GyujinSong博士强调说："这种结构兼具轻质特性和高能量密度，是未来电池技术的一个突破"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1433139.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1433139.htm

海洋清洁组织正在行动 希望阻止印度尼西亚河流中的塑料垃圾流动

海洋清洁组织正在行动希望阻止印度尼西亚河流中的塑料垃圾流动拦截者号于2019年10月下水，但001型当时已经在印度尼西亚雅加达的Cengkareng渠执行清理任务，随后在马来西亚和越南也有类似的行动。从本质上讲，这是一艘以太阳能为动力的驳船，里面有一个传送系统和一些垃圾箱，该船伸入流动的河水中，有一到两个浮动屏障，将塑料碎片引导到它的腹部，以便随后在岸上收集和处理。它还能够在水上自主运行。该船队目前在包括洛杉矶在内的全球五个地方运营，迄今已阻止了超过200万公斤的垃圾进入世界海洋--尽管海洋清洁组织表示，"大约80%的河流塑料污染来自1000条河流"，因此仍有工作要做。印度尼西亚西沙丹河河口的污染情况西沙丹河被海洋清洁组织和印度尼西亚当局视为高度优先事项，现在将在2023年底前部署拦截器020，以帮助印度尼西亚在2025年前实现减少70%的海洋塑料碎片。"印度尼西亚公共工程和住房部水资源司司长JarotWidyoko说："我们很高兴支持海洋清洁组织和荷兰政府参与在西沙丹河河部署拦截器。"这是朝着与坦格朗地区政府一起为减少从河流进入海洋的塑料垃圾做出贡献而迈出的一步"。这一最新部署是2021年与可口可乐公司签署的全球实施伙伴关系的一部分，TrueVenture和ThatGamingCompany也提供了财政支持。项目合作伙伴包括BBWSCilliwung-Cisadane、TangerangRegency-DLHK以及TanjungBurung废物银行。拦截器产品组合中的其他解决方案包括垃圾过滤围栏、独立的浮动屏障和小型动力招标。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1359377.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1359377.htm

研究人员“分裂”声子 迈向新型线性机械量子计算机

研究人员“分裂”声子迈向新型线性机械量子计算机在两个实验中-也是同类实验中的首创，由AndrewCleland教授领导的团队使用一种称为声学分束器的装置来“分裂”声子，从而证明它们的量子特性。通过证明分束器可用于为一个声子诱导特殊的量子叠加态，并进一步在两个声子之间产生干涉，研究团队迈出了创建新型量子计算机的第一个关键步骤。该结果最近发表在《科学》杂志上，并建立在普利兹克分子工程团队多年在声子方面的突破性工作的基础上。在同类实验中，普利兹克分子工程学院的一个研究团队迈出了创建线性机械量子计算机的关键步骤。将声子“分裂”成叠加态在实验中，研究人员使用的声子音调比人耳所能听到的高大约一百万倍。此前，Cleland和他的团队弄清楚了如何创建和检测单个声子，并且是第一个纠缠两个声子的人。为了展示这些声子的量子能力，包括Cleland的研究生HongQiao在内的团队创建了一个分束器，可以将一束声波分成两半，传输一半并将另一半反射回其源（分束器已经存在用于光并且具有被用来证明光子的量子能力）。整个系统包括两个用于产生和检测声子的量子位，在极低的温度下运行，并使用单独的表面声波声子，这些声子在材料表面传播，在这种情况下是铌酸锂。研究生HongQiao（左）和研究生ChrisConner在AndrewCleland教授的实验室工作。然而，量子物理学认为单个声子是不可分割的。因此，当团队将单个声子发送到分束器时，它并没有分裂，而是进入了量子叠加状态，即声子同时被反射和传输的状态。观察（测量）声子会导致该量子态坍缩为两个输出之一。该团队找到了一种通过在两个量子位中捕获声子来维持叠加状态的方法。量子比特是量子计算中信息的基本单位。实际上只有一个量子位捕获了声子，但研究人员在测量后才能分辨出是哪个量子位：换句话说，量子叠加从声子转移到两个量子位。研究人员测量了这两个量子比特的叠加，产生了“分束器正在产生量子纠缠态的黄金标准证据”，克莱兰说，他也是美国能源部阿贡国家实验室的科学家。结果显示声子表现得像光子在第二个实验中，该团队想要展示一种额外的基本量子效应，该效应在1980年代首次用光子证明。现在称为Hong-Ou-Mandel效应，当两个相同的光子同时从相反方向发送到分束器时，叠加的输出会发生干涉，因此两个光子总是一起传播，在一个或另一个输出方向上。重要的是，当团队用声子进行实验时，情况也是如此——叠加的输出意味着两个探测器量子位中只有一个捕获声子，从一个方向而不是另一个方向。尽管量子位一次只能捕获一个声子，而不是两个，但放置在相反方向的量子位永远不会“听到”声子，这证明两个声子都朝着相同的方向移动。这种现象称为双声子干涉。新论文的作者包括（左起）研究生RhysPovey、研究生ChrisConner、研究生JacobMiller、研究生YashJoshi、研究生HongQiao（论文的第一作者）、研究生HaoxiongYan、研究生XuntaoWu和博士后研究员GustavAndersson。与光子相比，让声子进入这些量子纠缠态是一个更大的飞跃。这里使用的声子虽然不可分割，但仍然需要数千万亿个原子以量子力学方式协同工作。如果量子力学只在最微小的领域统治物理学，那么它就会提出这个领域的终点和经典物理学的起点的问题；该实验进一步探讨了这种转变。Cleland说：“所有这些原子都必须一致地表现在一起，以支持量子力学所说的它们应该做的事情。这有点不可思议。量子力学的奇异之处不受大小的限制。”创建一台新的线性机械量子计算机量子计算机的强大之处在于量子领域的“怪异”。通过利用叠加和纠缠的奇怪量子力量，研究人员希望解决以前棘手的问题。一种方法是在所谓的“线性光学量子计算机”中使用光子。使用声子而不是光子的线性机械量子计算机本身就有能力进行新的计算。“双声子干涉实验的成功是表明声子等同于光子的最后一块，”Cleland说。“结果证实我们拥有构建线性机械量子计算机所需的技术。”与基于光子的线性光量子计算不同，UChicago平台直接将声子与量子比特集成在一起。这意味着声子可以进一步成为混合量子计算机的一部分，它将最好的线性量子计算机与基于量子位的量子计算机的能力结合起来。下一步是使用声子创建逻辑门-计算的重要组成部分，Cleland和他的团队目前正在对此进行研究。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1364811.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1364811.htm

研究人员用创新型吸水鳍片从空气中收集饮用水

研究人员用创新型吸水鳍片从空气中收集饮用水一个简单、紧凑的系统首先收集空气中的水分（左），然后在加热时释放被截留的液体（右），从而获得饮用水。图片来源：XiangyuLi编辑清洁、安全的水是一种有限的资源，能否获得取决于当地的水体。但即使是干旱地区，空气中也会有一些水蒸气。为了收集少量湿气，《ACS能源快报》（ACSEnergyLetters）上的研究人员开发出了一种紧凑型装置，这种装置带有吸附涂层翅片，可以先吸附湿气，然后在加热时产生饮用水。他们表示，这种原型设备有助于满足日益增长的用水需求，尤其是在干旱地区。地球大气中蕴藏着数万亿升淡水蒸气，但要收集这种无色、透明、稀薄的气体却很困难。以前，研究人员开发了一些系统来捕捉露水或雾，将液体汇集到容器中。但在露水不多的干燥地区，温度响应水凝胶、金属有机框架或沸石（结晶铝硅酸盐）等特殊材料可能有助于从空气中吸附少量水分，并在加热时释放水分。然而，要使这些吸水剂在实际应用中切实可行，就需要将它们整合到带有废热源的紧凑型便携设备中，例如在高温下运行的应用或作为副产品释放热量的系统。因此，李翔宇、BachirElFil及其同事开发出了一种符合这些规格的湿度收集器。研究人员设计了吸水"翅片"，将铜片夹在涂有市售沸石的铜泡沫之间。作者说，与以往侧重于材料开发的研究相比，吸附床与材料特性的共同设计造就了薄吸附翅片，这种翅片结构紧凑，能快速收集水。为了进行概念验证，他们制作了一种装置，将10片小型吸附翅片并排放置在铜底板上，间距约为2毫米，这样的间距可以最大限度地从相对湿度为10%的沙漠空气中捕获水分。在一小时内，吸附翅片达到饱和，然后在底座温度达到华氏363度时释放出捕获的水分。根据24个收集-释放周期的推断，研究小组计算出，在相对湿度为30%的空气中，鳍片上1升的吸水涂层每天可产生多达1.3升的饮用水，这个体积是之前开发的设备的2到5倍。这项工作为每天多次从干燥空气中快速捕获水分和集水提供了关键机会。研究人员说，随着进一步的开发，该系统可以集成到产生废热的现有基础设施中，如建筑物或运输车辆，为干旱地区提供一种具有成本效益的饮用水生产方式。编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1436180.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1436180.htm