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  • 1   2020-05-28 研究发现电场可以产生弧线球 (编译服务:纳米科技
    摘要:

    这一发现是基于电动力学的现象,即马格努斯效应。Zachary Sherman PhD ' 19,他现在是德克萨斯大学奥斯汀分校的博士后,麻省理工学院化学工程教授James Swan在本周发表于《物理评论快报》的一篇论文中描述了这一新现象。

    马格努斯效应使旋转的物体被拉向垂直于其运动的方向,如在曲球中;它以空气动力为基础,在宏观尺度下运作——也就是在容易看到的物体上——而不是在更小的粒子上。这种由电场引起的新现象可以将粒子推进到纳米级别,使它们在一个可控的方向上移动,而不需要任何接触或移动部件。

    这一发现令人惊讶,因为谢尔曼当时正在测试一些新的模拟软件,以模拟他正在开发的微型纳米粒子在磁场和电场中的相互作用。他所研究的试验案例包括将带电粒子置于电解液中,电解液是一种含有离子或带电原子或分子的液体。

    他说,人们已经知道,当直径只有几十到几百纳米的带电粒子被置于这种液体中时,它们会保持悬浮在液体中,而不是沉降,形成胶体。然后离子聚集在粒子周围。新软件成~地模拟了这种离子聚类。接下来,他模拟了穿过材料的电场。这可能会引发一种称为电泳的过程,它将推动粒子沿着应用场的方向前进。软件再次正确地模拟了这个过程。

    然后谢尔曼决定进一步推进,逐渐增加电场的强度。“但后来我们看到了一件有趣的事情,”他说。“如果电场足够强,你就能得到正常的电泳,但胶体会自发地开始旋转。”这就是马格努斯效应发挥作用的地方。

    他说,在模拟中,不仅粒子在移动过程中旋转,而且“这两个运动耦合在一起,旋转的粒子就会偏离轨道”。“这有点奇怪,因为你向一个方向施加一个力,然后物体就会向你指定的方向垂直(直角)移动。他说,这与旋转球的空气动力学原理直接类似。“如果你在棒球中投掷一个曲球,它会朝着你投掷的方向前进,但随后它也会转向。所以这是著名的宏观马格努斯效应的微观版本。”

    当电场足够强时,带电粒子在垂直于电场的方向上产生了强烈的运动。他说,这可能是有用的,因为有了电泳,“粒子会向其中一个电极移动,你会遇到这个问题,粒子会移动,然后它会进入电极,它会停止移动。”所以仅靠电泳是不能产生连续运动的。”

    相反,由于这种新效应与应用领域成直角,它可以用来推动粒子沿微通道,只需在顶部和底部放置电极。他说,这样一来,粒子就会“沿着通道移动,永远不会撞上电极。”他说,这使得它“实际上是一种更有效地引导微观粒子运动的方法”。

    他说,有两种不同类型的过程可以让这种能力派上用场。一种方法是使用粒子将某种“货物”运送到特定的地点。例如,微粒可以附着在治疗药物上,“你试图把它送到需要药物的目标位置,但你不能直接把药物送到那里,”他说。或者粒子可能含有某种化学反应物或催化剂,需要被引导到特定的通道以进行所需的反应。

    另一个例子与这个过程相反:拿起一些目标材料,把它带回来。例如,产生一种产品的化学反应也可能产生许多不需要的副产品。“所以你需要一种方法来推出产品,”他说。这些粒子可以用来捕获产品,然后使用应用的电场提取。“在这种情况下,它们就像小吸尘器一样,”他说。“他们拿起你想要的东西,然后你可以把它们搬到其他地方,然后在更容易收集的地方发布产品。”

    他说,这种效应应该适用于各种颗粒大小和颗粒材料,研究小组将继续研究不同的材料特性如何影响这种效应的旋转速度或平移速度。只要粒子和悬浮其中的液体的电学性质(称为介电常数)不同,这一基本现象几乎适用于它们的任何材料组合。

    研究人员观察了介电常数非常高的材料,比如金属粒子,悬浮在低导电性的电解液中,比如水或油。谢尔曼说,在介电常数方面,“但你也可以在任何两种有对比的材料上看到这一点”,例如,在两种不混合的油中,就会形成悬浮的液滴。

    这项工作得到了NASA和美国国家科学基金会的支持。

    来源机构: azo 纳米 | 点击量:402
  • 摘要:

    氢质子由一个氢离子组成,是所有化学元素中最小最轻的。这些质子自然地存在于水里,而水分子中有一小部分是自发分离的。它们在液体中的数量决定了溶液是酸性还是碱性。质子也极具流动性,通过从一个水分子跳到另一个水分子而在水中移动。

    水-固界面的质子输运

    这一运输过程在水体中的运作方式已被相当清楚地了解。但是,固体表面的存在可以极大地影响质子的行为,科学家目前几乎没有工具来测量这些水-固体界面的运动。在这项新研究中,来自EPFL工程学院(STI)的博士后研究人员Jean Comtet首次对质子在水与固体表面接触时的行为进行了研究,其深度可降至单个质子和单个电荷的极限尺度。他的发现发表在《自然纳米技术》杂志上,揭示了质子倾向于沿着这两种介质之间的界面移动。这项研究得益于来自巴黎高等师范学院化学系的研究人员的帮助,他们进行了模拟实验。

    晶体缺陷

    康塔特研究了水和氮化硼晶体之间的界面,氮化硼是一种非常光滑的材料。“晶体的表面可能含有缺陷,”Comtet说。“我们发现,这些缺陷起到了标记的作用,当一个质子与它们结合时,它们会重新发光。”利用超分辨率显微镜,他能够观察到这些荧光信号,并在10纳米左右的范围内测量缺陷的位置——这是一个令人难以置信的高精确度。更有趣的是,这项研究揭示了晶体缺陷激活方式的新见解。“我们观察到,当晶体与水接触时,晶体表面的缺陷一个接一个地出现,”Comtet补充说。“我们意识到,这种照明模式是由一个质子从一个缺陷跳跃到另一个缺陷产生的,产生了一个可识别的路径。”

    重大的实验突破

    该研究的关键发现之一是质子倾向于沿着水-固体界面移动。“质子一直在移动,但却紧贴着固体表面,”康塔特解释说。“这就是我们看到这些模式的原因。”EPFL纳米生物实验室(LBEN)的教授Aleksandra Radenovic补充说:“这是一个重大的实验突破,进一步加深了我们对水中电荷如何与固体表面相互作用的理解。”

    “我们的观察,在这种特定的背景下,可以很容易地推断出其他材料和环境,”Comtet说。这些发现可能在许多其他领域和学科中具有重要意义,从理解细胞膜界面的生物过程到设计更有效的过滤器和电池。

    来源机构: 纳米医学 | 点击量:401
  • 摘要:

    金属-载体的相互作用对多相催化剂的性能有很大的影响。金属载体界面上的特定位点可以产生异常的高反应活性,人们不仅对优化金属颗粒的性能,而且对优化金属载体界面的兴趣也越来越大。在这里,我们演示了如何通过改变载体(铈-氧化锆)的颗粒大小来调节金属-载体的相互作用,从而大大提高CO2加氢速率。x射线衍射、x射线吸收光谱、近环境压力x射线光电子光谱、透射电子显微镜和红外光谱的结合,提供了深入了解钴和铈-氧化锆界面的活性位点,参与了CO2氢化到CH4的过程。氢处理过程中支架产生的反氧溢出导致氧空位的产生。中间尺寸的氧化铈-氧化锆颗粒使钴颗粒稳定,在CO2和CO分解的步骤中导致氧溢出到支架上,然后产生的中间产物在钴上进一步加氢。

    来源机构: 自然 | 点击量:224
  • 摘要:

    基于纳米级构件的自底向上~能器件设计依赖于对其自组装行为的精确控制。原子精确金属纳米团簇是设计可调谐纳米材料的基本单元,但实现具有高度各向异性的宏观~能团簇材料的定向组装一直是一个挑战。在这里,我们发现了一个溶剂介导的34个原子的金属间金-银团簇的组装,由20个1-乙基ladamantanes保护到1D聚合物中,相邻的团簇之间有Ag-Au-Ag键,单晶x射线衍射分析的原子结构直接显示了这一点。密度泛函理论计算预测簇状聚合物的单晶带隙约为1.3 eV。簇状聚合物单晶场效应晶体管的p型半导体特性具有高度的各向异性,其在聚合物方向上的电导率与交叉方向相比约为1800倍,空穴迁移率约为0.02 cm2 V−1 s−1,通/关比约为≈4000。这一性能为进一步设计具有高度各向异性半导体特性的~能团簇材料提供了希望。

    来源机构: 自然 | 点击量:175
  • 摘要:

    海洋的运动通常被认为是水平的,例如,在环绕地球的强大洋流中,或者沿着海岸线起伏的海浪中。但也有大量的垂直运动,特别是在开放的海洋中,来自深海的水可以上升,把营养带到上层海洋,而地表水下沉,把死亡的生物,连同氧气和碳,送到深层内部。

    海洋学家使用仪器来描述海洋水域和生活在那里的生物群落的垂直混合。但是这些工具在捕捉小尺度特征的能力上是有限的,比如在一个小的,千米宽的海洋区域内水和生物的涨落。这些特征对于理解存在于特定海洋体积(如渔场)中的海洋生物的构成,以及海洋能够吸收和吸收的碳量是至关重要的。

    现在,麻省理工学院和伍兹霍尔海洋学研究所(WHOI)的研究人员设计了一种轻便的仪器,可以测量垂直海洋的物理和生物特征,测量范围小,宽达几公里。这台名为EcoCTD的“海洋剖析仪”只有齐腰高的模型火箭大小,可以从一艘移动的船上掉下去。当它在水中自由落体时,它的传感器测量物理特征,如温度和盐度,以及生物特性,如叶绿素(浮游植物的绿色色素)的光学散射。

    “有了EcoCTD,我们可以看到小规模的快速垂直运动区域,在那里养分可以被供应到表面,叶绿素被向下携带,这告诉你这也可能是一个碳途径。麻省理工学院地球、大气和行星科学系以及MIT- whoi海洋学/应用海洋科学与工程联合项目的研究生玛拉·弗雷里奇说。

    Freilich和她的同事在《大气和海洋技术杂志》上发表了他们的研究结果。这篇论文的共同作者是J. Thomas Farrar, Benjamin Hodges, Tom Lanagan,和WHOI的Amala Mahadevan,以及新斯科舍省动态系统分析的Andrew Baron。该研究的第一作者是WHOI公司的Mathieu Dever和RBR公司,RBR是一家位于渥太华的海洋传感器公司。

    海洋的协同作用

    海洋学家使用许多方法来测量海洋的物理性质。一些~能更强大、分辨率更高的仪器被称为CTDs,因为它们能够测量海洋的导电性、温度和深度。ctd通常体积庞大,因为它们包含多个传感器以及收集水和生物样本的组件。传统的CTDs要求船在科学家将仪器放入水中时停下来,有时通过起重机系统。在仪器收集测量数据和水样的过程中,船必须保持原地不动,只有在仪器被拖回船上后才能继续航行。

    物理海洋学家不研究海洋生物学,因此不需要收集水样,有时可以使用“UCTDs”——正在航行的ctd版本,没有笨重的水样取样组件,可以在航行中被拖曳。这些仪器可以快速取样,因为它们不需要起重机或轮船在它们落下时停下来。

    Freilich和她的团队希望设计一个UCTD的版本,该版本还可以包含生物传感器,所有的传感器都在一个小的、轻的、可拖拽的包裹中,这样就可以让船在收集垂直测量数据的同时保持航行。

    Freilich说:“在这些现有的仪器之间,似乎可以有直接的协同作用,设计出一种可以捕捉物理和生物信息的仪器,并且可以进行这项工作。”

    《到达黑暗的海洋》

    EcoCTD的核心是RBR Concerto录井仪,这是一个测量水温和电导率的传感器,电导率是代表海洋盐度的指标。该剖面仪还包括一个铅环,提供足够的重量,使仪器能够以每秒3米的速度自由落体——这一速度使仪器在大约两分钟内下降到水下500米。

    Freilich说:“在500米的高度,我们到达了边缘地带。”“真光带是指海洋中有足够的光进行光合作用的地方,在大多数地方大约100到200米。所以我们正在接近黑暗的海洋。”

    另一个传感器是EcoPuck,它是其他UCTDs所独有的,因为它可以测量海洋的生物特性。具体来说,它是一个小的,折叠形状的生物光学传感器,可以发出两种波长的光——红色和蓝色。当这些光散射回来时,传感器捕捉到这些光的任何变化,同时含有叶绿素的浮游植物在光的作用下发出荧光。如果接收到的红光与叶绿素的某个波长特征相似,科学家就能推断出在特定深度存在的浮游植物。散射回传感器的红光和蓝光的变化可以显示出水中的其他物质,比如沉积物或死细胞——这是对不同深度的碳含量的测量。

    EcoCTD还包括了UCTDs独有的另一个传感器——Rinko III Do,它可以测量水中的氧浓度,可以让科学家估计在给定的深度和水域内的任何微生物群落正在吸收多少氧气。

    最后,整个仪器被包裹在一根铝制的管子里,通过一根长绳子与船后部的绞车相连。当船移动时,一个团队可以将仪器扔出船外,用绞车以仪器垂直下落的速度将绳子放出,甚至在船离开时也是如此。大约两分钟后,一旦到达约500米的深度,研究小组就启动绞车将仪器拉上来,以12分钟内仪器赶上船的速度。然后,宇航员可以再次放下仪器,这次是在距离最后一个落点一定距离的地方。

    Freilich说:“好的方面是,当我们进行下一次采样的时候,我们距离第一次采样的地方已经有500米了,所以我们正好在下一次采样的地方。”

    他们在2018年和2019年的两次航行中测试了EcoCTD,一次到地中海,另一次在大西洋,在这两次航行中都能够以比现有ctd更高的分辨率收集物理和生物数据。

    Freilich说:“ecoCTD以黄金标准的质量捕获了这些海洋特征,更加方便和多~能性。”

    团队将进一步完善设计,并希望他们的高分辨率,easily-deployable,和更有效的替代可能适应由科学家们监测海洋的小规模应对气候变化,以及渔业想跟踪一个特定地区的生物生产力。

    这项研究部分由美国海军研究办公室资助。

    来源机构: 纳米医学 | 点击量:62
  • 摘要:

    高强度的火灾可以摧毁泥炭沼泽,并导致它们将储存的大量碳作为温室气体排放到大气中,但杜克大学(Duke University)的一项新研究发现,低强度的火灾会引发相反的结果。

    较小的火灾有助于保护储存的碳,并增强泥炭地对碳的长期储存。

    潮湿泥炭的flash加热表面那么严重火灾化学改变土壤斑块的表面粒子和“本质上创建了一个外壳,使微生物很难达到内部的有机物质,”Neal Flanagan表示访问杜克湿地中心的助理教授和杜克大学的尼古拉斯学校环境。

    这种反应——弗拉纳根称之为“焦糖布丁效应”——可以保护受火灾影响的泥炭不腐烂。随着时间的推移,这一保护性屏障有助于减缓泥炭地储存的碳以导致气候变暖的二氧化碳和甲烷的形式释放回环境的速度,即使在极端干旱时期也是如此。

    杜克湿地中心主任柯蒂斯·j·理查森(Curtis J. Richardson)说,通过记录从明尼苏达州到秘鲁的泥炭地土壤的这种效应,“这项研究证明了火在从半北极区到热带的广阔纬度梯度上保护泥炭所起的重要而微妙的作用,但仍被忽视。”

    理查森说:“这是第一次有任何研究能够证明这一点,而且它对利用低强度火灾管理泥炭地具有重要意义,特别是在野火和干旱日益增多的时候。”

    研究人员在5月10日的《全球变化生物学》杂志上发表了他们的同行评议的研究结果。

    泥炭地是湿地,只覆盖了地球3%的土地,却储存了地球三分之一的土壤碳。如果不受干扰,它们可以将碳封存在有机土壤中数千年,这要归~于一种叫做酚类和芳香类的天然抗菌化合物。杜克大学研究小组的早期研究表明,这种化合物甚至可以防止更干燥的泥炭腐烂。然而,如果一场阴燃的、高强度的火灾或其他重大扰动破坏了这种自然保护,它们就会迅速从碳汇转向碳源。

    为了进行这项新的研究,弗拉纳根和他在杜克湿地中心的同事监测了美国鱼类和野生动物服务机构2015年在北卡罗来纳州东部的pocosin湖国家野生动物保护区禁止焚烧泥炭地pocosin,或灌木覆盖的湿地沼泽。通过现场传感器,他们测量了火灾持续时间内的强度变化,以及它对土壤湿度、表面温度和植被覆盖的影响。他们还对火灾前后采集的土壤有机质样本进行了化学分析。

    随后,他们在明尼苏达州、佛罗里达州和秘鲁亚马逊流域的泥炭地进行了受控实验室测试,复制了北卡罗来纳大学火灾的强度和持续时间,并使用X?射线光电子能谱和傅里叶变换红外能谱。

    分析表明,低烈度火灾增加了土壤样品的碳凝聚和芳构化程度,特别是从泥炭地表面采集的土壤样品。换句话说,研究人员在每个纬度的样本中都发现了“焦糖布丁效应”。

    长期实验室培养的燃烧样本显示,在测试后的1-3年内,来自泥炭的累积二氧化碳排放量较低。

    弗拉纳根说:“一开始,会有一些碳的损失,但长期下去,你会很容易抵消掉,因为促进腐烂的微生物的呼吸作用也会减弱,所以泥炭的分解速度会慢得多。”

    在全球范围内,泥炭地储存着大约5600亿吨的碳。这与所有森林中储存的碳总量相同,几乎与大气中发现的5970亿吨碳总量相当。

    “改善我们管理和保护泥炭地的方式是至关重要的考虑到他们在地球碳预算的重要性和全球气候变化改变自然火政权,”理查森说,“这项研究提醒我们,不仅仅是一个破坏性的异常在泥炭地,它也可以是一个有益生态的一部分,对碳吸积有积极的影响。”

    弗拉纳根和理查森与杜克湿地中心的研究员王宏军和斯科特·温顿一起进行了这项研究。温顿还在苏黎世联邦理工学院生物地球化学与污染物动力学研究所和瑞士联邦水产科学与技术研究所任职。

    主要资金来自美国能源部科学办公室陆地生态系统科学部(拨款#DE-SC0012272)。其他支持来自杜克大学湿地中心捐赠基金和杜克大学共享材料仪器设备设施。

    来源机构: 纳米医学 | 点击量:43
  • 摘要:

    本研究采用分子动力学模拟(MD)方法,研究了含银纳米颗粒(PE/AgNPs)的原始聚乙烯(PE)及其复合材料在重量分数为1.05 wt%和3.10 wt%时的力学性能。拉伸过程的应力-应变分布表明,由于在12a范围内AgNP表面附近的PE局部密度和强度的改善,嵌入AgNPs可以显著提高原始PE的杨氏模量和拉伸强度。关于温度对力学性能的影响的原始体育和PE / AgNP复合材料的杨氏模量和强度的体育和体育/ AgNP复合材料显著降低在350 K和450 K,分别与熔化温度的原始体育预测一致,坐落在360 K左右。在这样的温度下,与300k时相比,PE材料在PE基体中具有更强的延展性和更高的AgNPs迁移率。随着拉伸应变的增加,AgNPs趋于接近,PE的断裂导致原始PE的杨氏模量和极限强度与PE/AgNP复合材料在350k和450k时的杨氏模量和极限强度相似。

    来源机构: 自然 | 点击量:161
  • 摘要:

    研究了硅基金镍纳米复合材料(AuNi@SiO2)对二甲胺硼烷制氢的影响。制备了AuNi@SiO2纳米杂交结构物作为二甲胺硼烷脱氢的纳米催化剂。制备的纳米复合结构具有较高的催化活性和稳定的形态。所得到的纳米杂交产物,作为纳米催化剂的AuNi@SiO2,在室温下进行了DMAB的析氢实验。利用分析技术对合成的纳米杂交种进行了表征。表征结果表明,催化剂在纳米尺度下,金镍合金在SiO2表面呈均匀分布。表征后,计算了二甲胺制氢纳米复合材料的翻转频率(TOF) (546.9 h−1)。此外,制备的纳米复合材料在相同的反应中,即使在第五次使用后活性也会显著降低。此外,DMAB催化的AuNi@SiO2纳米杂化反应的活化能(Ea)为16.653±1 kJmol−1,促进了催化反应的进行。此外,在AuNi@SiO2簇上使用DFT-B3LYP计算研究催化剂活性。理论部分得到的基于DFT的计算结果支持了实验数据。

    来源机构: 自然 | 点击量:143
  • 摘要:

    外泌体是存在于液体活组织检查中的纳米级脂质囊泡,用作多种疾病的生物标志物,包括癌症、阿尔茨海默病和中枢神经系统疾病。纯化和随后的大小和表面表征是基于外泌体的诊断必不可少的。然而,样品净化是耗时且有潜在危害的,目前还没有一种方法能从一次测量中得出样品的尺寸和zeta电位。在这里,我们从稀释溶液中浓缩外泌体,用毛细管通道中的盐梯度一步测量它们的大小和电位。盐梯度引起相反方向的粒子和流体运输,使粒子陷入陷阱。在几分钟内,粒子浓度增加了两个数量级以上。对单个或一组外泌体的空间分布的拟合返回它们的大小和表面电荷。我们的方法也适用于其他类型的纳米粒子。毛细管是在一个低成本的聚合物装置中制造的。

    来源机构: 自然 | 点击量:94
  • 摘要:

    在这项工作中,我们介绍了一种滚对滚系统,它可以连续打印大面积的三维(3D)周期性纳米结构。这种方法是基于Langmuir-Blodgett胶体纳米球的组装,它衍射正常入射光,为近场纳米平版印刷创建一个复杂的强度模式。三维纳米结构的几何形状是由塔尔伯特效应决定的,可以通过调整纳米直径与曝光波长的比例来精确设计。利用该系统,我们在一个50×200 mm2的柔性衬底上演示了500 nm周期的三维光子晶体图形,系统吞吐量为3 mm/s。用电子束自动检测方法定量分析了图形的成品率,显示出在4个月的时间内高达88%的成品率的长期重复性。该检测方法还可用于检测图案的均匀性,在整个衬底区域的平均产率可达78.6%。所提出的图形化方法具有高度的通用性和可扩展性,可以作为纳米制造平台,在纳米光子学、纳米结构材料和多~能纳米结构中得到应用。

    来源机构: 自然 | 点击量:87