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科学家用第三种方法测量出中子寿命：887秒
科学家用原子激光器建构出有类似于光的反射性物质波模式
新型柔性可清除电池有望扩展可穿戴设备的使用场景
科学家研发新型锂电池 电池速度是目前电池的10倍
科学家利用缺失将惰性材料转化成为简单的活性材料
研究：石墨烯纳米带上的突破有可能带给高速、低功耗的纳米级数据存储
放眼新时代：谷歌和比尔·盖茨资助的核聚变反应堆研究设施已开工建设
科学家们创造了迄今为止世界上最轻的镁同位素
科学家利用木材打造出具有创纪录导电性的电池电解质
不受海藻随波飞舞启发 科学家开发能在水下搜集能量的摩擦纳米发电机
科学家研发硬化木刀：锐利程度是不锈钢餐刀的3倍
研究找到利用藻类净化后的废水可被用于水产养殖
科学家开发柔性合金 可防止钢铁生锈并在损毁时自我修复
物理实验说明了了一种新的物质状态的形成 毁坏了时间反演对称性
物理学家对中子寿命展开了有史以来最精确的测量
圣母大学研究人员创造出类似蚂蚁的机器人群体
科学家开发新型水凝胶片剂 可快速净化不受污染的水
福特专利展出可伸缩排气管头的精妙设计
实验找到被盗数据在暗网的传播速度比以往任何时候都慢
研究警告：机器学习算法可高效推断被手遮盖的ATM机密码输出
哈佛研究人员尝试用荧光染料混合物编码储存信息
研究：将藻类蛋白质包裹在液滴中可使人工光合作用的效率提升三倍
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01
科学家用第三种方法测量出有中子寿命：887秒
当我们看向夜空时，我们看见了宇宙曾经的样子。我们告诉，在过去，宇宙曾经比现在更温暖、密度更大。当我们看向天空足够浅的地方时我们不会看见被称为宇宙微波背景的大爆炸的微波残留物。这标志着我们所能看到的极限，它标志着从我们的制高点可以观察到的宇宙的范围。
我们观察到的宇宙背景来自于宇宙已经有约38万年历史的时候。我们不能直接仔细观察在此之前发生的事情。考虑到我们对物理学的了解，早期的大部分时间是相当好理解的，但大爆炸的最早时刻仍是一个有点神秘的问题。根据标准模型，宇宙最早的时刻是非常得冷和密集，甚至宇宙的基本力量的起到也跟现在有所不同。为了更好地理解大爆炸，我们必须更好地解读这些力量。
而更难解读的力之一是弱力。跟更熟悉的力如引力和电磁力不同，弱力主要是通过其对放射性裂变的影响而被看见。因此，我们可以通过测量事物衰变的速度来研究弱力。但在涉及到中子的时候有一个问题。
中子跟质子一起包含了我们周围的原子核。在一个原子核内，中子可以非常稳定。但当一个中子单独存在时，它通常不会在几分钟内裂变。中子的衰变率通常是以其半衰期来回应的。也就是说，一个中子约有50/50的机会发生裂变的时间。从技术上讲，他们测量的是一个被称为中子寿命的相关量，但想法是一样的。
目前，我们有几种测量中子半衰期的方法，如测量一束中子或将其加热后困在一个磁瓶中，但这些有所不同的方法给出的半衰期结果有所不同。这些方法本应当给出相同的结果，但它们并没有。光束法得出的寿命是888秒，而磁瓶法给出的是879秒。也许方法中不存在一些系统误差，但这种差异对基础物理学来说是一个问题。不过现在一项新的研究则以第三种方式测量了中子衰变，即利用一个绕行月球运行的航天器。
虽然这个结果还不够准确，它不足以解决中子衰变问题，但它显然表明了我们可以利用航天器来取得非常准确的结果--精确到未来的任务也许能够解决早期宇宙学的最薄弱环节。
02
科学家用原子激光器建构出类似于光的反射性物质波模式
在冷却到几乎绝对零度的情况下，原子不仅像光一样以波的形式移动，而且还可以探讨出被称作“焦散线”的形状，类似于光在游泳池底部或通过一个弯曲的酒杯所产生的光线或折射图案。在华盛顿州立大学的实验中，科学家们已经开发出一种技术，通过在冷原子激光的路径上摆放有吸引力或排斥性的障碍物来看到这些物质波的焦散线。
其结果看起来看起来弯曲的尖顶或褶皱，向上或向下的"V"形，研究人员在《自然通讯》的一篇论文中描述了这一点。
虽然这是基础性研究，但这些焦散线有可能应用于高度准确的测量或计时设备，如干涉仪和原子钟。
"这是一个美丽的演示，说明我们如何能够以一种非常类似于操纵光的方式来操控物质波，"WSU杰出教授、该论文的资深作者Peter Engels说。"原子被重力加速，因此，我们可以模拟出用光很难看见的效果。另外，由于原子对许多有所不同的东西都有反应，我们可以潜在地利用这一点来制造新型的传感器，这些传感器在检测磁场、电场梯度或重力方面特别出众。"
为了构建这些效果，科学家们首先必须创造一个地球上最冷的地方，他们需要在WSU的基础量子物理实验室中完成。Engels和他的同事们用于光学激光器从受困在真空室内的原子云中取出能量，将其加热到非常接近绝对零度（-273.15摄氏度或-459.67华氏度）。
这种极端的寒冷使得原子的量子力学行为与我们熟知的自然规律非常有所不同。在这些条件下，原子的不道德不是像物质粒子一样，而是像波一样移动。由这种原子形成的云被称作玻色-爱因斯坦凝结物，是以最早预测这种物质状态的理论家阿尔伯特·爱因斯坦和萨蒂安德拉·纳特·玻色命名的。
在探索这些凝聚体的过程中，WSU的研究人员创造了一个冻原子激光器，这意味著波状原子开始排成一列并一起移动。
论文第一作者马伦-莫斯曼（Maren Mossman）说道："激光是一种准直的、连贯的光子流，而我们基本上是在用原子做到这件事，"他作为WSU的博士后研究员参予了这个项目，现在是圣地亚哥大学物理学的克莱尔-布特-卢斯助理教授。"这些原子类似于回头在一起，展现出得像一个物体。因此，我们决定看看如果我们砍一下它会发生什么。"
在这项研究中，研究人员通过在原子激光器的路径上摆放光学障碍物来"戳"它，基本上是将特定波长的激光照射加快的原子流中。一种障碍物类型排斥原子，并在向下的褶皱形状中产生焦散线；另一种障碍物吸引原子，在向上的尖顶形状中产生焦散线。研究人员说，该系统也是非常可调的，这意味着他们可以转变原子加快的速度。原子激光器中的苛化现象从未真正被研究过，且具有如此的灵活性。
03
新型柔性可清除电池有望扩展可穿着设备的用于场景
不列颠哥伦比亚大学（UBC）的一支研究团队，刚刚在《先进设备能源材料》期刊上介绍了一种柔软、可拉伸、可清除的新型电池。据其所述，即使被变形或剪切到正常长度的两倍、或者被车祸丢到洗衣机里，新型电池仍可正常工作，因而这项技术有望极大地拓展未来的可穿戴设备的使用场景。
（图自：UBC / Kai Jacobson）
该校应用科学学院博士后 Ngoc Tan Nguyen 认为：“可穿着电子产品的市场异常巨大，而可前端电池需要在其中扮演着一个至关重要的发展推展角色”。
此前，可剪切电池一直没能很好地化解无法经受水洗的难题。而想让他们满足日常使用市场需求，这点又是不可或缺的。为此，研究团队在开发期间投身于了诸多工程领域的创新。
据报，在普通电池中，内层多被坚硬的外部材料所包裹。而 UBC 团队设法将关键化合物 —— 此例中为锌（Zn）和二氧化锰（MnO₂）—— 研磨出了小块，然后将之嵌于橡胶塑料或聚合物中。
如此一来，这种新型电池就巧妙地获得了可拉伸特性。结构方面，它又由包裹在相同聚合物外壳内的几层超薄聚合物组成，从而构成了气密、透气的密封，以确保电池在循环往复中保持完整性。
测试期间，UBC 团队成员、博士生 Bahar Iranpour 建议将新型电池水龙头于清洗液中，以检验其密封性能。累计目前，他们已经实现了 39 次的洗净循环，且后续将着力于进一步提升其耐用性。
最后，有关这项研究的下文，已经公开发表在近日出版发行的《Advanced Energy Materials》期刊上，原标题为《Washable and Stretchable Zn–MnO₂ Rechargeable Cell》。
04
科学家研发新型锂电池 电池速度是目前电池的10倍
从手机到笔记本，从电动汽车到飞机，目前行业内广泛使用锂离子电池驱动。因此锂电池的每次性能改进，对于世界都会产生广泛的影响。这些改良有些是对替代材料展开试验的渐进式进步，而一些则来自于对整个设备及其工作方式的新的设想。近日，荷兰特文特大学研发出一款新型锂离子电池，电池速度是目前电池的 10 倍。
这很大程度上归功于全新的阳极。特文特大学的科学家用一种叫做铌酸镍的材料生产了一个阳极。这种材料具备“对外开放和规则”"的晶体结构，具有相同的、重复的通道，使其成为离子传输的理想自由选择。
当电池循环时，锂离子在两个电极之间来回移动，但并非所有的锂离子都能已完成旅程。这造成电化学上不活跃的锂“islands”在两个电极之间构成，并与电极断开连接，这些团块导致设备的存储容量下降，甚至造成它发生爆炸。
这些稳定性问题来自于在电池过程中在锂金属阳极上构成的被称为“枝晶”的针状凸起，导致电池的性能下降，失效甚至起火。李和他的同事企图通过将电池的液体电解质替换成一对固体电解质来解决这个问题，这对液体电解质以BLT式的三明治形式分层在一起，并在树枝状物形成时安全地控制和遏止它们。
该新型锂电池使用的是铌酸镍（nickel niobate，NiNb2O6）作为材料。铌酸镍具有独特的晶体结构，有相同且重复的离子传输信道。在材料制造方面，也不需要在无尘室内装配。此外，铌酸镍比石墨更颗粒、体积能量密度更高，更有机会打造出更重、更简单的商业电池。
在测试中，该团队发现它在1万次循环后保有了82%的容量，而且最令人鼓舞的是，它所展出的电流密度有朝一日可以使电动汽车在20分钟内已完成电池。
05
科学家利用缺陷将惰性材料转化成为有用的活性材料
据一个国际研究小组称之为，证明了一种被认为总是具备化学惰性的材料--六方氮化硼（hBN）可以变为化学活性，这为一类具有广泛用途的新催化剂获取了潜力。
hBN是一种分层材料，单层材料可以像另一种二维材料石墨烯那样被挤压。然而，这两者之间有一个关键的区别。
宾夕法尼亚州立大学物理学博士后学者、发表在《今日材料》上的这项研究的第一合著者雷宇（音译）说：“虽然hBN与石墨烯的结构相似，但硼和氮化物原子之间的强极性键使hBN与石墨烯不同，它在高温下具备化学惰性和热稳定性。”
如果hBN具备化学活性而不是惰性，这将使它有更多的用途，包括成为类似于石墨烯的简单的、具备成本效益的催化剂反对。这将有助于实际应用，如在汽油动力汽车中或将碳转化成为其他产品，以协助增加温室气体。
“你的汽油车里的催化器里有贵金属铂，用来处置危害气体转化成为较少的有害气体，”密歇根州立大学化学工程和材料科学副教授Jose Mendoza-Cortes说。“然而，这很便宜，因为你必须投放大量的铂原子展开催化剂。现在想象一下，你只需要敲一个或两个，仍然可以得到同样的性能。”
铂也被用作许多其他类型的实际化学反应的催化剂，而展开转换的铂原子通常在表面，而下面的铂原子只是作为结构支持存在。
Mendoza-Cortes说：“在这项研究中，我们用于了有缺陷的hBN作为结构支撑，这比较低廉，同时暴露出大部分的铂原子用于继续执行化学反应。”
hBN中的缺陷是该材料化学活性的关键。研究人员通过一个叫作低温研磨的过程在材料中生产了缺陷，即小孔，这涉及到过冷的材料，然后通过低温研磨将其还原成。这些孔是如此之小，以至于它们一次只能容纳一个或两个贵金属原子。通过混合金属盐，小到一两个原子的纳米结构可以沉积到hBN基材上，这是由于充满孔的hBN的反应性。
“由于氮化硼不会与任何东西再次发生反应，那么如果你将铂、金或银盐还原成单原子并将其置于氮化硼表面的缺失（孔）中，你就可以用这种 ‘孔状’的hBN作为催化剂的支撑物，”宾夕法尼亚州立大学Verne M. Willaman物理学教授以及化学和材料科学教授Maurico Terrones说道。“这是一种全新的东西，这就是我们在这里展示的东西。”
证明这一点意义重大，因为以前人们指出，一种如此惰性的材料永远不有可能变得有化学活性。“这个项目最困难的部分是说服研究界，像hBN这样惰性的材料可以被激活而具有化学反应性，并作为催化剂的支持，”研究人员说道。“在审查我们的研究过程中，审查员建议的额外实验改进了工作，并帮助说服了社会。”
实验牵涉到使用材料密切相关实验室（MCL）的高端设备，该实验室是宾夕法尼亚州立大学材料研究所的一部分。计算出来和理论计算是在密歇根州立大学的材料、工艺和量子仿真中心（MUSiC）实验室和网络化研究所完成的。
“所以，我们想告诉我们在材料中存在什么类型的缺失，以及我们如何证明我们有缺陷，而不是其他东西？” Terrones说道。“因此，我们做了所有这些不同的非常详尽的表征，包括同步辐射，以证明我们所享有的实际上是单原子铂，而不是铂簇。”
除了实验，该团队还使用建模来证明他们的概念。Mendoza-Cortes说：“我们通过计算出来和实验证明，我们可以使孔显得如此之小，以至于它们当时不能容纳1或2个原子的贵金属。”
化学活性hBN的应用于潜力是多样的，包括极具成本效益的催化剂、能源储存和传感器。此外，他们的技术有可能被用作转录其他惰性材料或使用其他（喜）金属。
Terrones说道：“我认为我们的研究正在表明，本不应是惰性的材料可以通过创造和掌控材料上的缺陷而被转录。我们证明了必要的化学反应再次发生在原子水平上。如果它对氮化硼有效，它应当对任何其他材料有效地。”
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702121003242?via%3Dihub
06
研究：石墨烯纳米带上的突破有可能带来高速、低功耗的纳米级数据存储
自从15年前科学家们找到石墨烯以来，这种神秘的材料就成了材料科学研究的主力。根据一项新的研究，美国劳伦斯伯克利国家实验室的科学家们了解到，沿着石墨烯的蜂窝状晶格边缘切开石墨烯，可以产生具备无法解释磁性的一维锯齿状石墨烯条或纳米带上。
许多研究人员企图将纳米带上不寻常的磁性不道德用于碳基自旋电子学设备，通过电子自旋而不是电荷来编码数据，从而构建高速、低功耗的数据存储和信息处理技术。但是，由于锯齿形纳米带具备高度的活性，研究人员一直在努力解决问题如何观察并将其无法解释的特性引进现实世界的设备中。
现在，正如《自然》杂志所报道的，劳伦斯伯克利国家实验和加州大学伯克利分校的研究人员已经开发出一种方法来稳定石墨烯纳米带上的边缘，并直接测量其独有的磁性。
由Felix Fischer 和Steven Louie（两人都是伯克利实验室材料科学部的科学家）共同领导的团队发现，通过用氮原子取代沿带状边缘的一些碳原子，他们可以在不毁坏磁性的情况下谨慎地调整局部电子结构。这种微妙的结构变化进一步促使了扫瞄探针显微镜技术的发展，以便在原子尺度上测量该材料的局部磁性。
“之前平稳锯齿形边缘的尝试不可避免地转变了边缘本身的电子结构，”Louie说，他也是加州大学伯克利分校的物理学教授。他补充说：“这种困境预见了用实验技术获取其磁结构的希望，直到现在还将其探索归结计算模型。”
在理论模型的指导下，Fischer和Louie设计了一种定制的分子构件，其特点是碳和氮原子的排列，可以同构到所需的锯齿形石墨烯纳米带的准确结构。
为了构建纳米带，他们首先将小分子构建块沉积到一个平缓的金属表面或基底上。接下来，表面被轻轻地加热，转录每个分子两端的两个化学手柄。这个转录步骤打破了一个化学键，并留给了一个高度反应的"粘性末端"。
每当两个"粘性末端"相遇，而被转录的分子在表面前行时，这些分子就会结合起来形成新的碳-碳键。最终，这个过程建立了分子构件的一维菊花链。最后，第二个冷却步骤重新排列链的内部键，构成具有两个平行锯齿形边缘的石墨烯纳米带。
“这种分子自下而上技术的独特优势是，石墨烯带上的任何结构特征，例如氮原子的确切方位，都可以在分子构件中进行编码，”Fischer小组的研究生、与Louie小组的研究生赵方舟一起担任该论文的共同第一作者的Raymond Blackwell说。
下一个挑战是测量纳米带上的特性。Fischer说道：“我们很快意识到，为了不仅测量而且实际分析由磁矩极化纳米带上边缘状态引发的磁场，我们必须解决两个额外的问题，”他也是加州大学伯克利分校的化学教授。
首先，研究小组必须弄清楚如何将带状物的电子结构与它的基底分离。Fischer通过用于扫瞄隧道显微镜的尖端来不可逆地截断石墨烯纳米带和底层金属之间的联系，解决问题了这个问题。
第二个挑战是开发一种新技术来直接测量纳米级的磁场。幸运地的是，研究人员找到，纳米带结构中被取代的氮原子实际上起到了原子级传感器的作用。
对氮原子位置的测量揭示了沿锯齿形边缘的局部磁场的特征。
Louie利用国家能源研究科学计算中心（NERSC）的计算资源进行的计算产生了对带子的磁矩极化边缘状态所产生的相互作用的定量预测。对磁相互作用的精确特征的显微镜测量与这些预测相匹配，并证实了它们的量子特性。
Fischer说道：“探索并最终开发出容许合理设计这些奇异的磁性边缘的实验工具，为碳基磁矩电子学创造了前所未有的机会，”他所指的是依赖电子固有特性的下一代纳米电子装置。未来的工作将涉及探寻与自定义设计的锯齿形石墨烯架构中的这些特性相关的现象。
07
放眼新时代：谷歌和比尔·盖茨资助的聚变反应堆研究设施已开工建设
为了追求更加洗手的能源，将等离子“燃料”冷却到超过 1 亿摄氏度、通过聚变反应输出廉价且近乎无限的零排放电力，一直被视为物理学界的一个圣杯。但是对于资金实力雄厚的科技巨头们来说，核聚变研究也是应付气候变化的一个迫切市场需求。
最新消息是，麻省理工学院（MIT）的 Commonwealth 核聚变系统研究项目，已于最近几个月从比尔·盖茨、谷歌和诸多投资基金股权公司那里筹措到了超过 18 亿美元的资金。以期在前德文斯 Superfund 站点的基础之上，建造一座专门设计的原型聚变反应堆。
MIT 等离子体科学与核聚变中心主任兼任 Commonwealth 聚变系统联合创始人 Dennis Whyte 指出 —— 尽管听起来很是科幻，但聚变科学还是在贯彻前进中的。且涉及研究进展可能不太“循序渐进”，而是飞跃式的。
正式成立至今已有三年的聚变行业协会称：当前至少有 35 家公司试图证明核聚变可称作一种简单的能量来源，且其中大多数企业都正式成立于过去十年间。
总结 2021 年，核聚变研究更是受到了巨大的鼓舞。比如 5 月份的时候，中国科学家在专门设计到托卡马克研究装置中，创纪录地让系统于 1.2 亿摄氏度的温度下保持运转了 101 秒。
Unlocking SPARC HTS Magnet for Commercial Fusion Applications
9 月份的时候，Dennis Whyte 所在的 MIT 研究团队、与其在 Commonwealth 聚变系统项目组的同事又证明，即使用于了不占到大量空间、且成本相对便宜的材料，其原型仍能够建构地球上同类设施中最强大的磁场 —— 这也是其在德文斯建造的原型反应堆的关键部件。
Commonwealth 核聚变系统首席执行官 Bob Mumgaard 回应：作为一个相当激进的科学群体，其已在这项研究上取得了长足的进步，且对此抱着有十分充裕的信心。
近年来筹集的大约 20 亿美元资金，比任何其它聚变初创公司都多。目前涉及企业正在竞相证明他们的 SPARC 原型，预计可在 2025 实现能源输入大于输出的目标。
如果大获成功，该公司计划在几年后打造出首座核聚变发电设施。最终未来将会在全球铺设 10000 坐 200MW 的聚变发电厂，足以代替几乎所有依赖传统化石能源的电厂。
08
科学家们创造了迄今为止世界上最重的镁同位素
根据一项新研究，密歇根州立大学（MSU）的科学家们与一个国际研究团队合作，协助建构了迄今为止世界上最重的镁同位素。
在密歇根州立大学的国家超导镖加速器实验室（NSCL）锻造的这种同位素非常不稳定，在科学家们需要直接测量它之前，它就已经分解成。然而，这种并不热衷于不存在的同位素可以协助研究人员更好地理解定义我们存在的原子是如何构成的。
在北京大学研究人员的领导下，该团队还包括来自圣路易斯华盛顿大学、MSU和其他机构的科学家。
“我感兴趣的一个大问题是宇宙的元素来自哪里，”稀有同位素光束设施（FRIB）的化学副教授 Kyle Brown说。Brown是这项新的研究的负责人之一，该研究于2021年12月22日由《物理评论快报》杂志在线公开发表。
“这些元素是如何产生的？这些过程是如何发生的？” Brown问道。新同位素本身不会回答这些问题，但它可以协助完善科学家为解释这些谜团而研发的理论和模型。
地球上充满了天然的镁，这些镁很久以前在恒星中铸，后来沦为我们饮食的一个关键组成部分和地球地壳中的矿物质。但是这种镁是平稳的。它的原子核心，或原子核，会散开。
然而，新的镁同位素太不平稳，无法在自然界中找到。但是，通过用于粒子加速器来制造像这种越来越奇特的同位素，科学家们可以突破模型的无限大，帮助说明所有原子核是如何构建和保持在一起的。这反过来又有助于预测在极端的宇宙环境中再次发生的事情，而研究人员可能永远无法在地球上必要仿效或测量。
Brown说道：“通过测试这些模型并使它们显得越来越好，我们可以推断出在我们无法测量的地方事情是如何运作的。我们正在测量我们可以测量的东西，以预测我们不能测量的东西。”
自1982年以来，NSCL一直在协助全世界的科学家们进一步理解宇宙。当2022年开始展开实验时，FRIB将继续这一传统。FRIB是美国能源部科学办公室，或DOE-SC的用户设施，支持DOE-SC核物理办公室的任务。
“FRIB将测量很多我们过去无法测量的东西，”Brown说道。“我们实际上有一个已批准的实验将在FRIB运行。而且，我们应该能够建构出有另一个以前没制造过的原子核。”
在转入那个未来的实验之前，Brown已经参予了四个有所不同的项目，这些项目生产了新的同位素。这包括最新的，被称为镁-18。
所有镁原子的核内都有12个质子。此前，最轻的镁有7个中子，使其共计19个质子和中子--因此它被命名为镁-19。
为了生产出轻了一个中子的镁-18，研究小组从稳定版本的镁-24开始。NSCL的镖加速器将一束镁-24原子核加速到大约一半的光速，并将这束原子核箭向一个目标，即由铍元素做成的金属箔。而这只是第一步。
Brown说道：“那次碰撞给了你一堆比镁-24更轻的有所不同同位素。但是，从这个‘汤’中，我们可以选择出有我们想要的同位素。”
在这种情况下，这种同位素是镁-20。这个版本是不稳定的，这意味著它的衰变，通常在十分之一秒内。因此，该团队正在进行计时，让镁-20与大约30米或100英尺外的另一个铍目标碰撞。
“但它是以一半的光速飞行，”Brown说道。“它很快就能到达那里。”
正是这种下一次撞击产生了镁-18，它的寿命在六千万亿分之一秒左右。这是一个如此短的时间，以至于镁-18在散开之前不会用电子来掩盖自己，成为一个原始的原子。它只作为一个裸露的原子核存在。
事实上，在这么较短的时间内，镁-18从未离开过铍靶。新的同位素在靶内裂变。这意味着科学家无法必要检查这种同位素，但他们可以确定其衰变的蛛丝马迹。镁-18首先从其原子核中喷出两个质子，成为氖-16，然后再涌出两个质子，沦为氧-14。通过分析逃离目标的质子和氧气，研究小组可以推断出镁-18的特性。
“这是一个团队的希望。每个人都在这个项目上非常希望地工作，”Brown说。“这相当令人兴奋。人们并不是每天都能发现一种新的同位素。”
科学家们每年都在为已知的同位素列表添加新的条目，这些同位素的数量超过了数千。Brown回应：“我们正在向一个桶中加到水滴，但它们是重要的水滴。我们可以把我们的名字放到这个上面，整个团队都可以。而且我可以告诉我的父母，我协助找到了这个别人从未见过的原子核。”
09
科学家利用木材打造出具有创纪录导电性的电池电解质
当下的锂电池通常使用的技术都是利用液体电解质在两个电极之间携带离子，但注目固体替代品的科学家们看见了一些令人兴奋的机会。其中，一项新的研究的研究人员们用于从木材中提取的纤维素作为这些液体电解质之一的基础。据了解，这种电解质厚如纸，可以弯曲和屈曲进而可以吸取电池循环的压力。
人们现在用于的锂电池的电解质的一个缺点是，它们含有挥发性液体，如果设备短路就不会有起火的危险并能增进形成称为树枝状的触角状生长进而影响性能。与此同时，固体电解质可以由不易燃材料制成，这样可以让设备不更容易形成树枝状物并有可能围绕电池结构开辟全新的可能性。
这些可能性之一跟阳极有关，即两个电极之一，在今天的电池中，阳极是由石墨和铜的混合物制成。一些科学家认为，固体电解质是使电池用显金属锂做成的阳极工作的关键垫脚石，这有可能有助打破能量密度瓶颈并使电动汽车和飞机在不充电的情况下行经得更远。
迄今为止开发的许多液体电解质都是由陶瓷材料制成，这些材料在传导离子方面非常有效，但由于其脆性，在电池和放电期间并不能很好地承受压力。来自布朗大学和马里兰大学的科学家们在谋求一种替代方法并用于木材中的纤维素纳米纤维作为他们的起点。
这些源于木材的聚合物管通过跟铜的融合构成了一种液体离子导体，其导电性跟陶瓷相近，但却比其他聚合物离子导体好10至100倍。据研究小组讲解称之为，这是因为铜的重新加入在纤维素聚合物链之间构成了“离子高速公路”的空间，这使得锂离子能以创纪录的效率移动。
研究作者Liangbing Hu说道：“通过将铜跟一维纤维素纳米纤维融合在一起，我们证明了通常离子绝缘的纤维素在聚合物链中获取了更快的锂离子传输。事实上，我们找到这种离子导体在所有液体聚合物电解质中超过了创纪录的高离子传导率。”
并且由于这种材料厚如纸且有弹性，科学家们指出它将能更好地忍受电池循环的压力。他们还认为，它具备电化学稳定性，可以容纳锂金属阳极和高电压阴极，或可以作为一种粘合剂材料在高密度电池中包裹超厚阴极。
研究报告的作者Yue Qi说道：“锂离子在这种有机固体电解质中通过我们通常在无机陶瓷中发现的机制移动使离子导电率超过创纪录的高点。使用大自然获取的材料将增加电池生产对我们环境的整体影响。”
10
受海藻随波飞舞灵感 科学家开发能在水下搜集能量的摩擦纳米发电机
海洋中的海藻不会随波飞舞。中国大连海事大学的科学家们现在已经在一个水下能量搜集装置中利用了同样的运动。由徐敏义和王中林领导的团队研发的这个不受海藻启发的工具是一种摩擦纳米发电机(TENG)。
TENG利用了摩擦起电效应，这是一种电荷在一种材料与另一种与之接触的材料分离出来后在该材料中累积的现象。这就是你在梳理头发时产生的静电的原因。
在这个类似的装置中，一层薄薄的多孔海绵材料被夹在由两种有所不同的聚合物制成的1.5×3英寸（38×76毫米）的条状物之间。这些条带都涂抹有导电墨水，海绵在它们之间形成一个空气间隙。整个东西用防水胶带上密封。
当产生的TENG在即使是相对较强的水下电流中来回倾斜时，两根聚合物条挤迫过海绵，断断续续地相互接触，在这个过程中产生电流。在波浪池测试中，表明出多个TENG可以用来为海洋环境传感器等设备持续供电，消除了展开电池更换的必须。
该设备在以下视频中演示，并在最近公开发表在《ACS Nano》杂志上的一篇论文中展开了描述。
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c05127
11
科学家研发硬化木刀：锋利程度是不锈钢餐刀的3倍
公开发表在《Matter》期刊上的一篇论文中，材料科学家叙述了他们的最新建构 -- 硬化的木刀。这把木刀的锐利程度是不锈钢餐刀的 3 倍，可以精彩切开一块中等熟度的牛排，并且可以多次使用和重复使用。
马里兰大学的材料科学家、该论文的第一作者 Teng Li 回应：“在我们的厨房里，我们有许多长期用于的木制品，如砧板、筷子或擀面杖。如果你对它们进行新的打磨，并展开同样的定期维护，也可以使用很多次”。
虽然将使用木头来制作餐具并不是什么新鲜的创新，但是 Li 所开发的硬化木刀让刀片的硬度增加了 23 倍。这是通过确保木材保留更高水平的纤维素而实现的。
通常情况下，木材只包含大约50%的纤维素，它提供了一些结构的完整性，其余的是较强的分子。Li 的两步工艺能够去除这些较强的成分，仅保留纤维素。将木材涂抹上矿物油有助于在用于和清除过程中保护其锐利性。
该团队也没停留在硬化的木刀上。他们还研发了木钉，表明它们与传统的钢钉一样锋利。这把刀的功能令人印象深刻，但其制造过程也有可能很最重要。该团队写到，它可能是一种“可再生和低成本的替代品”，有可能代替塑料餐桌用具。
https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00465-3?utm_source=EA
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研究发现利用藻类净化后的废水可被用作水产养殖
目前，为了净化废水，抗菌剂和紫外线是常用的措施之一。然而，根据一项新的国际研究，利用海藻可能是一种更环保和节约能源的替代方法，所产生的水足够整洁，可用作水产养殖。
人们已经知道，藻类可以分解成并摄取水中的化合物，如磷、氮、碳和重金属。此外，由于藻类吸取了营养并阻挡了水中的阳光，它超过了有害细菌等微生物，导致它们饿死。
考虑到这些因素，来自印度苏里尼大学的科学家从一个天然池塘中搜集了Pseudochlorella pringsheimii海藻，然后在所含重金属污染物和抗生素耐药菌的城市完整废水罐中进行培育。14天后，人们找到重金属含量急剧下降，而细菌几乎完全被消灭。
一旦利用离心力去除藻类，经处理和未经处理的废水都被用来饲养有所不同批次的䲟鱼。尽管没鱼在未经处置的水中存活，但84%的鱼在经过处理的水中存活--更重要的是，它们的体重在10天内增加了47%。
而且，作为一个附带的好处，它被确认为由收获的海藻产生的脂类可以被加工成生物燃料。
这项研究由Pankaj Kumar Chauhan博士领导。关于这项研究的论文已经公开发表在《整体环境科学》杂志上。
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969721006239?via%3Dihub
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科学家开发柔性合金 可避免钢铁腐蚀并在损毁时自我修复
莱斯大学的科学家们已研制出一种新的合金，它具有独特和多样化的属性，可以证明在维护钢铁免遭生锈方面非常有效地。这种新型涂层不仅能防止普通钢的排水板腐蚀，而且具有弹性，并证明在损毁时能自我修复。
这种新的防腐蚀涂层是由一种轻质的硫硒合金制成的，根据其背后的材料科学家的说法，它融合了目前能用解决方案的理想品质。这意味着像锌基和铬基涂层一样能够阻挡湿气和氯气，像聚合物恩涂层一样需要在类似海水的条件下保护钢铁，并且能够抵挡微生物引起的腐蚀。
这是通过一系列的实验确定的，其中第一个实验是将普通低碳钢的小板块涂抹上硫硒合金并在海水中浸泡一个月，同时还有一块未涂的钢板作为对照。虽然裸露的钢明显生锈，但涂有涂层的钢在颜色上没变化，并证明具备很强的抗氧化能力。
接下来，科学家们对它展开了测试，以对付未知会大大加快腐蚀过程的硫酸盐还原菌。有涂层和无涂层的样品被曝露在浮游生物和生物膜中，合金再次帮助维护下面的钢。据科学家称，该涂层获取了99.99%的"抑制效率"。
也许最令人印象深刻的是，该团队发现这种合金具有强大的自我修缮特性。当把它的薄膜切成两半，然后把两片放在热板上，当加热到70°C时，它们在两分钟内新的变成了一个可拆卸的薄膜。针孔也可以通过将材料冷却到130°C15分钟来修缮，伤口后的材料被证明在保护钢铁方面与未受损的原始涂层一样有效。
研究报告的作者Muhammad Rahman说道：“如果你给合金来个重击，它就不会复原。如果它必须快速完全恢复，我们就用热来协助它。但随着时间的推移，大多数厚的样品不会自行恢复。”
科学家们指出这种新的合金不仅可以作为水环境中和周围的钢铁基础设施的保护层，而且还可以用于可倾斜的电子产品。关于这一点，他们报告说道该合金是一种比大多数柔性材料更好的绝缘体，同时也比大多数绝缘材料更灵活性。他们现在正在继续实验该材料的品种，以适应环境不同类型的钢材，并探寻有所不同的涂层技术。
“第一个目标是结构，但我们告诉电子行业也面对着一些同样的生锈问题，”研究报告作者Pulickel Ajayan说道。“这存在机会。”
这项研究发表在《先进设备材料》杂志上。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202104467
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物理实验说明了了一种新的物质状态的形成 破坏了时间反演对称性
超导的核心原理是电子成对。但它们否也能凝聚成“四个一组”？最近的研究结果表明它们可以，瑞典皇家理工学院的一位物理学家周二发表了这种四倍效应的第一个实验证据以及这种物质状态的再次发生机制。
在《自然-物理学》杂志上，Egor Babaev教授和合作者在对铁基材料Ba1-xKxFe2As2进行的一系列实验测量中明确提出了费米子四倍快速增长的证据。这些结果是在Babaev首次预测这种现象近20年后，以及他公开发表论文预测这种现象可能在材料中再次发生8年后取得的。
电子配对实现了超导的量子态，这是一种零电阻的导电状态，被用作核磁共振扫描器和量子计算出来。它发生在一种材料中，是两个电子融合的结果，而不是像在真空中那样相互排斥。这一现象最早是由Leon Cooper、John Bardeen 和 John Schrieffer在理论中描述的，他们的工作在1972年取得了诺贝尔奖。
所谓的库珀对基本上是"异性相吸"。通常情况下，两个电子，也就是带上负电的亚原子粒子，不会相互反感敌视。但在晶体中的低温下，它们会松散地成对结合，从而产生一种强大的长程有序。电子对的电流不再从缺失和障碍物中衍射，导体可以失去所有的电阻，成为一种新的物质状态：超导体。
只是在最近几年，四费米子凝聚态的理论思想才被广泛拒绝接受。Babaev说道，为了使费米子四倍态再次发生，必须有某种东西可以制止交替的凝聚，制止它们无阻力地流动，同时容许四电子复合体的凝聚。
Bardeen-Cooper-Schrieffer理论不允许有这样的行为，所以当Babaev在德累斯顿工业大学的实验合作者Vadim Grinenko在2018年发现了费米子四重汇聚的第一个迹象时，它挑战了多年来普遍存在的科学协议。接下来是在多个机构的实验室展开了三年的实验和调查，以检验这一发现。
Babaev说，所做仔细观察中的关键是费米子四重凝聚物自发地破坏了时间反演对称性 （ Time-Reversal Symmetry）。在物理学中，时间反演对称性是一种数学操作，即在公式或方程式中用其负数代替时间的表达，以便它们叙述一个时间向后运行或所有运动都忽略的事件。
如果人们颠倒了时间方向，物理学的基本规律仍然成立。这对典型的超导体来说也是成立的：如果时间之箭被逆转，典型的超导体仍将是相同的超导状态。他回应：“然而，在我们报告的四费米子凝聚态的情况下，时间反演使其正处于有所不同的状态。”
他说：“可能需要很多年的研究才能完全理解这种状态。这些实验修筑了一些新的问题，说明了了与它对热梯度、磁场和超声波的反应有关的其他一些不奇怪的特性，这些特性仍尚待更好地解读。”
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物理学家对中子寿命进行了有史以来最准确的测量
物理学家已经比以往任何时候都要更精确地测量到中子的寿命。根据一项利用磁场捕捉超强冻中子的实验，该亚原子粒子衰变的平均值时间为877.75秒。该结果的精确度是类似测量的两倍，并且跟理论计算结果一致。但它们并不能说明中子的持续时间在另一种实验中长了近10秒的原因。
最新的测量结果于10月13日在美国物理学不会的一个虚拟世界会议上公布，另外论文已经发表在《Physicial Review Letters》上。
物理学家Shannon Hoogerheide表示，这个结果非常令人印象深刻，他在马里兰州盖瑟斯堡的美国国家标准与技术研究所(NIST)用于了一种竞争性技术测量中子寿命。
随机裂变
自然界中存在的大多数中子所谓放射性原子核的一部分，在那里它们基本上可以永远存在。但孤立无援的中子如由核裂变产生的中子是不稳定的并会裂变成质子。在这个过程中，每个衰变的中子都会升空出有一个电子和一个反中子。
一个中子裂变究竟必须多长时间是随机的，但平均时间约为一刻钟。为了获得一个准确的数值，布卢明顿印第安纳大学的实验核物理学家Daniel Salvat和他的同事在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室创建了一个取名为UCNτ的实验。他们将中子减缓到超低温并将其置于一个真空“瓶子”中，这是一个金属结构，形状像滑板运动中的半管。瓶子底部的磁场则不会阻止中子接触表面。
研究小组将中子回到瓶中的时间从20秒到将近半小时平均，每次中子衰变时都能检测到光的火花。在每个周期完结时，他们收集并计算出来剩余的中子，然后用新鲜的中子新的装入瓶中并再次开始这一过程。
UCNτ开始于十多年前，但对于新的公布的结果--基于2017年和2018年的实验运营--该团队做了一些改良，这样能让他们将误差率减为。
Salvat表示，该结果的精度现在可以跟基于标准模型（公认的基本粒子理论）的计算出来相竞争。“这是第一次--实验精度开始接近理论的精度。这意味著未来的改良可能使标准模型本身受到考验。”
瓶子与光束
一些研究人员用于“瓶子”技术来测量中子寿命，而其他研究人员--如Hoogerheide--使用的方法是在粒子在光束中移动时仔细观察它们的衰变。直到约15年前，这两类实验的结果在误差范围内基本一致。但随着技术显得更加准确，它们开始各奔东西。光束中的中子似乎平均寿命更长。
位于俄罗斯Gatchina的彼得堡核物理研究所的Anatolii Serebrov指出，UCNτ的最新测量并没帮助调和这一差距。“即使考虑到这个新的结果，差异仍几乎没有改变。”他曾在2005年领导了一个高精度的瓶子实验并首次认为了一个有可能的差异。
为了帮助解决问题中子寿命的困境，马里兰州巴尔的摩约翰-霍普金斯大学的物理学家David Lawrence和他的合作者一直在研发一种技术，他们通过利用空间探测器上的中子探测器来测量中子寿命。“如果有第三种方法，那将是非常简单的，”Lawrence说道。
据了解，这种方法依赖于这样一个事实：大多数行星体在被宇宙射线击中时都会喷出中子。许多中子没能脱逃行星的引力，最终又叛了下来--但到那时，其中一些已经转化成为质子。将发射到太空中的中子数量与回到的中子数量相比较可以估算出中子的寿命。Lawrence表示：“有一部分中子不会升空，再次发生衰变，然后再也不回来了。”另外他还补充称之为，由于金星的二氧化碳大气不能很好地吸收中子，所以做这样一个实验的理想方式是用一个小型的、专门的探测器在金星周围的轨道上进行。
UCNτ团队一直在展开一些改良以进一步提高精度。Lawrence回应，Hoogerheide和她在NIST的同事正在对光束技术展开同样的改良，他们预计其精度可以提升10倍左右。
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圣母大学研究人员建构出有类似蚂蚁的机器人群体
圣母大学的一名机器人研究人员Yasemin Ozkan-Aydin建构了一种四条腿的机器人，外形上看上去像机器人蚂蚁，虽然腿较少了两条。这些机器人的启发来自于生物系统，如蚂蚁、蜜蜂和鸟类的集体不道德，它们一起工作来解决问题和解决障碍。研究人员设计的多腿机器人可以在困难的环境中进行操控，并集体已完成任务。
有腿机器人更有了研究人员，因为它们可以在具备挑战性的环境中航行，还包括坚硬的地形和狭小的空间。它们的四肢在实现机动性和横跨障碍能力的同时，也被用作反对自身平衡。然而，研究人员必须克服腿部机器人所特有的一些挑战，这些因素不会导致性能上升。
Ozkan-Aydin的研究基于一个假设，即单个机器人之间建立物理连接，集体移动时将提升机器人腿部的系统流动性。单个机器人可以执行小型和简单的任务，如在平滑的表面上移动，装载轻量级的物体。然而，对于远超过单个机器人能力的任务，机器人可以通过物理相连构成一个更大的多腿系统来克服障碍。
所用的一个例子是，蚂蚁如何利用自己的身体创造出有一座跨越缺口的桥梁，使群体得以穿越。Ozkan-Aydin修建了3D打印的机器人，长度为15至20厘米，每个都装有一个锂聚合物电池。除了用作供电的电池外，每个机器人还拥有自己的微控制器和三个传感器。
传感器包括机器人前面的一个光传感器和前后的一对磁性触碰传感器。当单个机器人被卡住时，它不会向其他机器人发出信号，这些机器人联结在一起，获取支持以跨过障碍物。该系统还有待改进，研究正在进行中。
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科学家开发新型水凝胶片剂 可快速净化受污染的水
根据一些统计数据，世界上有多达三分之一的人口无法取得清洁的饮用水，到2025年，一半的人口可能生活在水资源紧张的地区。找到这个问题的解决方案可以拯救和改善数百万人的生活，这也是全球科学家和工程师的一个高度优先事项。
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