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  • 摘要:

    根据美国国家科学基金会(NSF)科学和工程指标2018年发布的报告,美国是全球科技领先的国家。然而,随着其他国家——尤其是中国——继续崛起,美国在全球科技活动中的份额正在下降。

    国家科学委员会(NSB)是国家科学基金会的理事机构,每两年发布一份国会授权的美国科学与工程(S&E)企业报告。2018年的报告显示,美国在研发方面的投资最多,吸引了最多的风险投资,获得了最先进的学位,提供了最多的商业、金融和信息服务,并且是高科技制造业的最大生产商。这份完整的报告涵盖了国内和全球科学和工程领域的数据,可在网上找到。

    NSF的主管法国科多瓦说:“NSF的科学和工程指标是美国科学和工程企业在国内和国际上表现的最高质量和最全面的信息来源。”2018年的报告提供了大量容易获取的、重要的数据。它为科学和工程研究和发展如何与经济和劳动力发展以及STEM教育在美国和国外的关系提供了深刻的见解。

    “今年的报告显示了一种趋势,即美国仍以许多科技措施领先,但在某些对我们国家很重要的领域,我们的领先地位正在下降,”NSB主席、麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)研究副主席Maria Zuber说。“这一趋势引起了人们对我们经济和劳动力的影响的担忧,并对我们的国家安全产生了影响。”从基因编辑到人工智能,科学的进步伴随着固有的风险。我们必须站在科学的最前沿,以减轻这些风险。

    中国的经济增长继续以超常的速度增长。

    研发支出反映了一个国家对扩大科技能力的承诺,而这反过来又推动了创新。虽然美国在研发支出方面的领先世界为4.96亿美元(占全球总份额的26%),但中国在这一领域的排名第二,达到了21%(4080亿美元)。自2000年以来,中国的研发支出迅速增长,平均每年增长18%。它的重点主要是发展而不是基础或应用研究。与此同时,美国的研发支出仅增长了4%。尽管新兴经济体的起点较低,因此增长速度会更快,但中国的增长率是例外的。

    2016年,支持新兴技术商业化的风险投资总额超过1300亿美元。尽管美国吸引了最多的投资(近700亿美元),占全球总投资的一半以上,但26%的风险投资资金流向了中国。中国的风险投资从2013年的大约30亿美元上升到2016年的340亿美元,从全球份额的5%上升到27%,这是任何经济体中增长最快的。

    知识和技术密集型产业是全球经济的重要组成部分,科技密集型产业是全球经济的重要组成部分,占全球国内生产总值(GDP)的近三分之一。美国在提供商业、金融和信息服务方面领先,占全球份额的31%,其次是欧盟(EU),占21%。中国是这些服务的第三大生产国(占全球份额的17%),并且继续以比美国和其他发达国家更快的速度增长(19%年增长率)。美国是全球最大的高科技制造国(占全球份额的31%)。这包括飞机和航天器、半导体、计算机、制药和测量和控制仪器的生产。中国位居第二,为24%,比过去10年增加了一倍多。

    高等教育提供了在知识密集型的全球经济中所需要的先进的工作技能。根据最新的估计,美国获得了世界上最大的科技博士学位(40000),其次是中国(34000)、俄罗斯(19000)、德国(15,000)、英国(14000)和印度(13000)。相比之下,美国的学士学位却落后了。2014年,印度获得了超过750万的科学学士学位,其中印度获得了25%的学位,紧随其后的是中国(22%)、欧盟(12%)和美国(10%)。在中国获得的所有学位中,有近一半是在科技领域。自2000年以来,中国颁发的S&E学士学位数量增长了300%。

    在过去的二十年里,学生们的流动性越来越强,越来越多的国家开始为他们作为科技工作者的潜在雇员而竞争。美国的国际学生人数在2016年秋季和2017年秋季之间下降,在计算机科学(13%下降)和工程(下降8%)的研究生水平上降幅最大。国际学生占美国计算机科学和工程专业毕业生人数的57%以上,这些学生是这些高需求领域美国劳动力的重要组成部分。百分之七十九的外国博士研究生在完成学位后选择留在美国工作。

    企业领导美国研发

    到目前为止,商业领域是美国最大的研发者。在2015年总计4950亿美元中,占72%。多年来,企业研发业绩的年度增长,在美国总体研发的增长中占了很大比重。在这三种主要的研发类型中——基础研究、应用研究和实验开发——企业在应用研究领域的领先地位(总计970亿美元)和实验开发(总计3140亿美元的88%)。高等教育机构继续在美国基础研究中占有最大的份额(总计830亿美元)。

    商业部门在研发投资方面也处于领先地位,2015年的研发投资占全国总投资的67%(3330亿美元)。与此形成鲜明对比的是,联邦政府在2015年达到了历史最低点,为美国提供了24%的资金。联邦政府曾是研发的主要投资方(1964年为67%)。这种下降主要是由于商业部门的研发投资增长更快。此外,自2011年以来,联邦政府资助的研发一直处于下降趋势(从2011年的1270亿美元到2015年的1200亿美元)。

    尽管如此,联邦政府仍然是基础研究的最大资助者(369亿美元,占总份额的44%),是创新研究和科学、技术、工程和数学(STEM)劳动力培训的主要动力。2015年,商业部门占了227亿美元(占总份额的27%)。

    研发——基础、实验和应用——是推动美国商业发展的动力。我们将基础和实验研究成果转化为实际应用的能力是传奇的素材,”bb0的NSB成员、副总裁兼首席互联网布道者文顿·瑟夫说。“如果我们不能采取强化这一无限机会的政策,我们就有可能继续获得美国企业的成功。”是时候扭转联邦研究支持的下降趋势,重振美国的创新精神了。

    ———文章发布于2018年1月18日

    来源机构: 美国国家科学基金会纳米科学发现 | 点击量:211
  • 2   2018-05-17 忆阻器的重新审视 (编译服务:纳米科技领域信息门户服务)     
    摘要:

    技术创新既需要对过去的理解,也需要对未来有清晰的展望——正如memristive devices的发展所阐明的那样。

    这个月标志着惠普实验室的研究人员报告了10年。乍一看,他们的单片纳米级记忆装置就像一个普通的双端电阻,但仔细观察就能发现更复杂的东西。横截面视图显示设备的三层:一层由二氧化钛夹在两个铂电极之间的“存储”层。这种内部存储层可以通过电刺激进行动态的重新配置,这种重构会产生一种记忆效应,设备的阻力取决于流经它的电流的历史。至关重要的是,一旦电源被移除,这个程序状态就不会消失。这种无源器件的功能不能被任何基本的双端电路元件(电阻、电容和电感器)的任何组合所复制,因此,它被标记为丢失的电路element2。

    忆阻器的历史是迷人的,而且是长久的。在本期《自然电子》(Nature Electronics)杂志的逆向工程专栏文章中,Leon Chua解释了如何在1964年的普渡大学(Purdue University)修改过时的电路分析课程,让他第一次提出了这个装置。在1971年,Chua报告了他对一种装置的预测,这种装置的行为就像一个带有记忆的非线性电阻,然后他将其称为记忆体(记忆和电阻器的收缩)。37年后,由r·斯坦利·威廉姆斯(R. Stanley Williams)领导的惠普实验室(Hewlett Packard Labs)的团队将他们的实验观察与Chua的理论预测联系在一起,发现了第四种基本电路元素。

    虽然这个基本的叙述——一个长期的理论概念和实验确认的例子——是有吸引力的,但记忆装置的历史更复杂。对非易失性的电阻转换的研究——换句话说,是记忆性行为——早在1960年就开始了。值得注意的是,对这种行为的研究可以追溯到1800s4早期,因此比电阻器(1827年的欧姆)和电感器(1831年的法拉第)都早。

    一项新兴技术最初被抛弃或遗忘的原因可能有很多。对早期的记忆技术来说,时机很可能是一个问题:20世纪70年代,硅技术和数字计算革命取得了巨大进展。只要硅技术继续取得重大进展,人们就不太可能把注意力集中在记忆技术上。

    最近,硅技术的进步已经减弱,对记忆技术的兴趣也在增强。魏鲁和他的同事们在基于记忆系统的电子产品的未来上撰文指出,记忆技术可以在三个方面有所帮助:芯片内存和存储,内存计算,以及生物激发的计算。以电阻性随机存取存储器的形式,密集封装的memristive devices可以直接集成在处理器芯片上。这样的配置可以通过消除处理器和内存之间的缓慢和能量密集型的芯片外通信来提高整体的能源效率和计算速度。内存中的计算采用了将处理器和内存之间的通信减少到极点的想法,创建了在计算和内存之间没有物理分离的系统。通过神经形态计算系统,记忆装置被设计成模拟生物突触和神经元。

    正如鲁和他的同事所解释的那样,记忆装置具有许多对电子产品有利的特性。它们可以按比例缩小到低于10 nm的特征尺寸,保持记忆状态数年,并使用纳秒级的时间尺度转换。此外,这些设备可以提供长时间的写擦力,并且可以使用低电流的水平来编程(关于纳米安培的顺序)。然而,作者也承认,将上述所有属性结合起来的单一材料系统仍然难以捉摸。

    对于任何设备的技术开发来说,关键是要了解管理其操作的底层流程。在设备层面,近年来已经获得了相当多的关于内存转换的见解,主要是由于开发了高级的特性工具,可以探测驱动转换的过程。在这一期的一篇评论文章中,Yuchao Yang和Ru Huang研究了在氧化物记忆电阻器中用于描述记忆转换的不同技术,并基于每种方法的相对优势和弱点,提出了对这些器件进行物理表征的一般框架。

    对记忆行为的研究超越了威廉姆斯及其同事在惠普实验室的工作,而对过去的了解当然是研究中必不可少的。但观察(或重新观察)的价值是什么,却没有意义?威廉姆斯和他的同事们,以蔡美儿37年前的富有想象力的洞察力为基础,重建了记忆技术,并激发了新一代的研究人员去追求这项技术。在2008年的论文中,惠普实验室的研究小组建议,记忆电阻器可以用来传递诸如“ultradense,半非易变的记忆和学习网络,需要类似突触的功能”的应用。今天,这些应用程序exist5。它往往既是对过去的理解,也是推动创新的未来的清晰愿景。

    来源机构: 自然 | 点击量:209
  • 摘要:

    离子水化和在界面上的传输与广泛的应用领域和自然过程有关,如:1、2、3、4、5。在受限制的几何结构中,如纳米级的channels6,7,8,其中的离子输运机制可能不应用于9,10。为了将原子结构与水化离子的输运性质相关联,离子、水和表面的界面不均匀性和复杂的相互竞争相互作用需要详细的分子级表征。我们在NaCl(001)表面构建了单独的钠离子(Na+)水合物,通过结合扫描隧道显微镜和非接触原子力显微镜系统,逐步将单个水分子(1 ~ 5)附着在Na+离子上。我们发现,与其他离子水合物相比,含有3个水分子的Na+离子与3个水分子结合的速度要快得多。从头计算表明,这种高离子迁移是由亚稳态的存在引起的,在这种状态下,Na+离子周围的3个水分子可以通过一个相当小的能量势垒集体旋转。根据经典的分子动力学模拟,这种情形甚至在室温下也适用。我们的研究表明,通常由水合物和表面晶格之间的对称匹配程度决定了离子特定水化数量的异常高扩散率。

    ——文章发布于2018年5月14日

    来源机构: 自然 | 点击量:204
  • 摘要:

    由于电子系统中具有多个内部自由度的库仑相互作用,自发破坏对称的状态可以形成。在布里渊zone -被称为valleys的几个退化区域的材料为这些状态的出现提供了一个丰富的环境,它们具有潜在的电子和光学的应用,2,3,4。到目前为止,这些断裂对称阶段的鉴定主要依赖于宏观运输或光学性质。在此,我们用扫描隧道显微镜直观地展示了铋表面态的波函数。在铋表面的强自旋轨道耦合会导致6个退化,泪滴状,空洞的valleys5。我们的光谱测量结果显示,在高磁场中,交换相互作用完全提升了这个简并度,我们可以通过成像破坏对称的Landau级波函数来确定山谷排序的性质。在孤立的缺陷附近,单个退化的朗道波函数的空间特征包含了自旋纹理谷之间的独特的干扰信号,它识别出电子基态为量子霍尔铁电体。我们的观察证实了最近的预测,强烈的各向异性谷系统的相互作用有利于单一流域的占领,在铋的表面状态下产生了新兴的铁电。

    ——文章发布于2018年5月14日

    来源机构: 自然 | 点击量:204
  • 摘要:

    碳纳米管(CNTs)是已知的最重要的材料之一。然而,当它们被组装成纤维时,它们的强度会因缺陷、杂质、随机的方向和不连续的长度而受损。制造CNT纤维的强度达到单一CNT是一个持久的挑战。在这里,我们演示了CNT包(CNTBs)的制作,它的长度为厘米,其抗拉强度超过80 GPa,使用的是ultralong无缺陷的CNTs。CNTBs的抗拉强度受丹尼尔斯效应的控制,其原因是组分的初始应变不均匀。我们建议同步收紧和放松策略,以释放这些不均匀的初始应变。由大量具有平行排列、无缺陷结构、连续长度和均匀初始应变的构件组成的CNTBs,其抗拉强度为80 GPa(相当于43 GPa的工程抗拉强度),远高于其他任何强纤维。

    ——文章发布于2018年5月14日

    来源机构: 自然 | 点击量:205
  • 摘要:

    采用共沉淀法合成了镍锌铁氧体(Ni0.5Zn0.5Fe2O4)磁性纳米粒子,其合成温度和氢氧化钠的浓度均有变化。x射线衍射(XRD)分析证实,Ni0.5Zn0.5Fe2O4纳米颗粒具有尖晶石晶体结构。样品的XRD剖面显示,结晶度随合成温度的增加而增加。与此同时,样品的XRD曲线显示结晶度随氢氧化钠浓度的增加而降低。样品的晶粒尺寸为11.1-16.0 nm。随着温度和NaOH浓度的增加,所合成的样品的晶格参数大小没有显著变化。透射电镜(TEM)图像显示,该样品有结块。选定的区域电子衍射(SAED)图像显示了衍射环作为米勒平面的表示,并证实了样品是多晶的。的最大磁化(σs)15 kOe样品增加随着微晶的大小和结晶度的增加。随着晶粒尺寸的增大,试样的矫顽力(Hc)增加。

    来源机构: 物理学学会会议 | 点击量:364
  • 摘要:

    在此,我们描述了一种由涂层聚丙烯腈(PAN)纳米纤维在石英晶体微平衡(QCM)上制备的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)蒸汽传感器。通过在QCM基体上不同质量沉积的电纺工艺制备了平均直径为225纳米至310纳米的PAN纳米光纤传感器。PAN纳米纤维的纳米结构为纳米光纤传感器的传感性能提供了较高的比表面积。从这种精细结构中获益,以及在PAN和DMF之间的高聚合物-溶剂亲和力,DMF传感器的发展在环境温度下得到了良好的响应。由于PAN纳米纤维与DMF蒸汽之间没有化学反应,所以这种吸收和膨胀的弱物理相互作用导致了传感行为。结果表明,PAN纳米光纤传感器的响应对纳米纤维结构(比表面积)有更大的依赖性,而不是其质量沉积。传感器在几天后也显示出良好的稳定性。这些发现对基于QCM涂层聚合物纳米纤维的DMF蒸汽传感器的开发具有重要意义。

    来源机构: 物理学学会会议 | 点击量:342
  • 摘要:

    单壁碳纳米管(SWNTs)和水溶性聚合物(WSP)的复合材料是世界范围内重要的研究热点,因为在生物技术和光子学方面,尤其是超短脉冲产生的应用领域。尽管具有控制光学性质的非线性光学SWNT-WSP复合材料具有独特的可能性,但其热降解阈值和操作能力的极限仍未被探索。在本研究中,我们发现了swnt -聚乙烯醇(PVA)薄膜热降解的性质,并对连续高功率超短脉冲激光操作中复合材料的改性进行了评价。使用高精度光学显微镜和台光谱,我们有检查SWNT-PVA电影之前和之后的连续激光辐射暴露(40小时),最大光2.3乔丹·厘米−2的影响。我们证明,高强度激光辐射会导致SWNT-PVA膜的组成和形态发生可测量的变化,这是由于从SWNTs到聚合物基体的有效热传递。可饱和吸收剂的改性不会影响激光的操作性能。我们预期我们的工作将成为更尖端的研究的起点,目的在于增强SWNT-PVA薄膜的制作,使其作为高功率超快激光的可靠饱和吸收器。

    ——文章发布于2018年5月10日

    来源机构: 自然 | 点击量:346
  • 摘要:

    氧化钴是一种过渡金属氧化物,它是一种用于储能应用的电极材料,特别是在超级电容器和可充电电池中,因为它具有较高的电荷储存能力。然而,它的电导率低,这实际上妨碍了它的长期稳定。在目前的工作中,通过一种简单的、可控的、尿素辅助的甘氨酸-硝酸盐燃烧过程,采用一种简单的提高钴氧化物电导率的策略,通过碳涂层和锰掺杂实现稳定的电化学性能。碳涂层Mn-doped Co3O4 (Mn-Co3O4@C)的结构分析证实了纳米颗粒(约50 nm)的形成与连接的形态,表现出尖晶石结构。Mn-Co3O4@C电极显示优越的电化学性能作为锂离子电池阳极,交付特定容量的1250 mAh g−1。Mn-Co3O4@C演示了性能优良的长期稳定、保持电荷存储能力完整甚至在高电流利率由于丰富的协同效应快速kinetics-provided电子导电性,它允许离子自由行动从反应网站活跃网站和电子在氧化还原反应和高表面积基质结合介孔结构。使用Mn-Co3O4@C和标准LiCoO2电极的完全组装的电池装置显示90%的容量保留超过100个周期。

    ——文章发布于2018年5月14日

    来源机构: 纳米技术 | 点击量:333
  • 摘要:

    采用微粒子图像测速作为一种光学、非侵入式测量方法,对两种不同进气道设计的高压均化干扰单元的流型和可视化液滴变形进行了测量(尖利和圆锥)。在相同的雷诺数\({e=980)\)或压力差(\ (\ (\))(\ (\,p=52~{\text}\))中,对流动模式进行了比较,以描述入口几何对液滴破坏效率的影响。因此,从速度剖面计算出剪切和延伸率,并讨论了乳化液滴的形貌形变。为此,液滴与连续相的粘度比变化很大。在此基础上,研究了具有相应粘度比的乳剂的液滴尺寸分布(DSD),并对其进行了表征。在高压均化过程中,入口几何形状影响了流型、剪切和伸长率剖面、液滴变形和最终液滴尺寸分布。一方面,锐边进气道设计导致了较高的轴向速度剖面和较小的微滴,具有较低的双峰性。另一方面,锥形进气道设计导致了完全的单节DSD,但相对较大的液滴。

    ——文章发布于2018年5月

    来源机构: 微流体动力学与纳流体动力学 | 点击量:364