9778818威尼斯官网:比手机像素小100万倍,光驱动

据英国剑桥大学官网消息,该校科学家研制出迄今全球最小的纳米发动机蚂蚁,它采用光驱动,大小只有十亿分之几米。研究人员表示,这一纳米发动机有望成为未来纳米机器的零件,可用在水中导航装置、环境感应器以及在人体内工作的医疗机器人等设备上。 该装置由凝胶状聚合物包裹带电金纳米粒子形成。这种聚合物能对温度作出响应,当纳米发动机被激光加热到某一温度,随着聚合物包裹层将凝胶内的水排出并崩塌,会在瞬间存储大量弹性能量,迫使金纳米粒子紧紧依附成簇。当这一装置冷却时,聚合物吸收水并膨胀,此过程会产生巨大驱动力,使金纳米粒子像弹簧一样很快分离开。该研究论文第一作者、剑桥大学卡文迪许实验室丁涛博士解释道:当水分子使周围聚合物膨胀时,数百个金球会瞬间分离。 科学家们一直梦想能够研制出纳米机器,但由于未找到理想的驱动方式,目前纳米机器在很大程度上还只存在于科幻小说中。剑桥大学科学家最新提出的方法不仅非常简单,而且能施加很大的驱动力。 研究人员称,新设备施加的驱动力比以前研制出的其他设备大几个数量级,而且制造成本低,兼容性好,反应迅速。负责这项研究的卡文迪许实验室的杰里米布隆伯格将这一纳米发动机命名为蚂蚁。他解释说:这种装置就像蚂蚁一样,能产生远大于其质量的力量。我们现在面临的挑战是如何更好地对这种力进行控制,从而用于纳米机器中。 目前,该研究团队正同剑桥大学的商业机构以及其他公司合作,希望将这一技术商业化。 此研究成果发表在最新一期的《美国国家科学院院刊》上。来源:科技日报

迄今为止所创造出的最小像素,比智能手机的像素小一百万倍,是通过将光粒子捕获在微小的黄金岩石下制成,可以用于新型大型柔性显示器,这种显示器足够大,可以覆盖整个建筑物。

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亨利·卡文迪许(Henry Cavendish,又译成:亨利·卡文迪什,1731年10月10日

1810年2月24日),英国物理学家、化学家。在卡文迪许漫长的一生中,他取得了一系列重大发现——其中,他是分离氢的第一人,把氢和氧化合成水的第一人。由于卡文迪许在化学领域的杰出贡献,后人称他为“化学中的牛顿”。他证明了水并非单质,发现了库仑定律和欧姆定律,完成了测量万有引力常量的扭秤实验,被认为牛顿后英最伟大科学家之一。代表作品有《论人工空气》、《卡文迪什的电学研究》等。 人物生平 在18世纪期间,英国的一些化学家,如布拉克以及普利斯特里等人,都是出身于中产阶级的学者。 亨利.卡文迪许生于1731年10月10日,那时他的母亲正在法国休养,所以他生在法国南部。卡文迪许的祖父和外祖父分别是德文郡公爵和肯特公爵。他是在牛顿病故四年后出生的,他读过牛顿的全部著作,一生最佩服牛顿的学识和为人。 卡文迪许的父亲是当时有名的学者,所以,卡文迪许从小就得到父亲的鼓励,希望他在学术上能有所成就。11岁的时候,他被送到当时著名的贵族中学学习了8年之久。到1749年,他18岁,进了剑桥大学,一直到1753年,他22岁,因为不赞成剑桥大学的宗教考试,所以没取得任何学位,他离开了大学。 卡文迪许离开剑桥大学后,就跟父亲旁听英国皇家学会的会议,每个星期四中午,参加学会的聚餐。到了1760年他被选为皇家学会会员。这一头衔的荣耀持续。在英国,凡是有FSR头衔的人,依然受到人们的尊敬。 在18世纪时,还没有公家办的实验室。所以卡文迪许在自己家里装备了一座规模相当大的实验室,他终身在自己家里做实验工作。 他一生没有结婚,过着独身生活。曾经有人说:“没有一个活到80岁的人,一生讲的话像卡文迪许那样少的了。” 卡文迪许实验室 卡文迪许实验室是英国剑桥大学的物理实验室。卡文迪许实验室旧址入口实际上就是它的物理系。剑桥大学建于1209年,历史悠久,与牛津大学同为英国的最高学府。剑桥大学的卡文迪许实验室建于187l~1874年间,是当时剑桥大学的一位校长威廉·卡文迪许私人捐款兴建的。他是十八~十九世纪对物理学和化学做出过巨大贡献的科学家亨利·卡文迪许的近亲。这个实验室就取名卡文迪许实验室,当时用了捐款8450英镑,除去盖成一栋实验楼馆,还买了一些仪器设备。 卡文迪许扭秤实验 卡文迪许在物理学上最为人推崇的重大贡献之一,是他在年近70岁时完成了测量万有引力常量的扭秤实验,从而使牛顿的万有引力定律不再是一个比例性的陈述,而成为一项精确的定量规律,引力常量的测定也为牛顿的万有引力定律的可靠性提供了最重要的实验佐证。 17世纪时虽然牛顿发现了万有引力定律,给出了计算两物体之间的万有引力的数学公式:F=G/r^2(其中F为万有引力,G为引力常量,m1,m2分别为两物体的质量,r为两物体的距离) 但牛顿却没有给出引力常量的具体值。虽然科学家一直努力想测出该值,但都没有取得令人满意结果,因为一般的物体之间万有引力十分的小,所以万有引力常数也很小(测量值约为6.673E-11m^3/ 。 而在卡文迪许完成他的实验以前,天体的绝对质量是不能精确地测定的,只能由行星的卫星轨道来决定行星质量的相对值。 版本一 1797年卡文迪许完成了对地球密度的精确测量。他使用的装置是约翰·米切尔设计,但米切尔本人不久去世,将装置遗留给了沃拉斯顿,后被转送给卡文迪什。装置是由两个重达350磅的铅球和扭秤系统组成。为了消除气流干扰,卡文迪许将装置安装在一个不透风的房间,自己则在室外用望远镜观测扭矩的变化。之后他向皇家学会提交报告,给出了目前看来仍然比较精确的地球密度值。这一测量被称为开创了“弱力测量的新时代”。很多文章称卡文迪许求出了万有引力常量,实际上卡文迪许当时只关心地球的密度,并没有涉及其他。而采用卡文迪许的测量结果通过计算可以求出万有引力常量和地球的质量。 版本二 1798年,卡文迪许改进了约翰·米歇尔所设计的扭秤,在其悬挂扭秤的金属丝上附加一块小平面镜M,如图2所示,实现了对金展丝扭转角度的放大,利用望远镜在室外远距离操纵和测量,防止了空气的扰动(当时还没有真空设备)。他用一根39英寸的镀银铜丝吊一6英尺长的木杆,杆的两端各固定一个直径2英寸的小铅球m,另用两个直径12英寸的固定着的大铅球m’吸引它们,测出铅球间引力引起的摆动周期,由此计算出两个铅球的引力,从而推算出万有引力常量G的数值为6.754X1O-11N·m2/kg2。他的测定方法非常精巧,在八、九十年间竟无人能赶超他的测量精度,就是现在看来,卡文迪许的测量仍有相当的精确度(1979年G的测量值为6.6720XlO-11N·m2/kg2)。卡文迪许把自己的这个实验称做“测量地球的重量”,他通过测定的G值算出地球的平均密度为水密度的5.481倍(地球密度的现代数值为5.517g/cm3),成为“称量地球第一人”。 相关实验 在卡文迪许的实验中利用了一个扭秤,典型的设计可由一根石英纤维悬挂一根载有质量为m1及m2的两个小球的杆而组成,如图3.6a所示。每个小球距石英纤维的距离L相等。当一个小的可测量的扭矩加在这个系统上时,在石英丝上可以引起扭转,记下这个扭转值可以标定扭秤。我们可以利用这个扭矩,它是由具有恒定的、作用力已知的弹簧在m2的位置上施加一个水平的力而组成。 如果质量为M1及M2的两个物体分别位于与质量为m1及m2的两个小球的水平距离很小的位置上,我们可以观测到石英丝的旋转,如图3.6b所示。我们可以分别决定m1与M1以及m2与M2的距离r1及r2,然后求施加在杆的端点的水平方向上的力,由此确立加石英纤。 从质量M的测量所得的偏离,再根据上面所说到的,由石英丝旋转大小而取得的扭秤的标定,我们可以决定N之值。由于我们可以测量N,L,r1,r2以及所有不同物体的质量,在方程中除了G以外,所有量都是已知的,于是可从方程直接决定G,其值为G=6.7×10^达因·厘米2·克-2。(A^B表示A的B次方) 一旦G的值已知,利用开普勒第三定律,方程可以立即决定太阳的质量。开普勒第三定律实际上是包含太阳及行星的总质量M的,但是对不同行星进行计算后,我们可以证实,太阳的质量很接近于M,而行星的质量仅约为~0.0013M⊙,在近似计算中可以忽略。利用已知的月球轨道及相似的方法,可以导得地球的近似的质量。 人物评价 卡文迪许公开发表的论文并不多,他没有写过一本书,在长长的50年中,发表的论文也只有18篇。除了一篇在1771年发表的论文是理论性的以外,其余的论文内容都是实验性和观察性的,大部分是关于水槽化学方面的,先后发表在1766年到1788年的英国皇家学会的期刊上。 卡文迪什在1766年发表了他的第一篇论文《论人工空气》,“人工空气”一词为波义耳首创,用来指存在在某种物质中,通过化学反应可以释放出来的气体。如普利斯特里通过碳酸盐与酸反应生成的二氧化碳。在文章中卡文迪什在严格保持温度和压强条件的前提下,对当时已知的各种气体的物理性质,特别是密度进行了严谨而细致的研究,并首先研究出二氧化碳、氢气等气体的收集方法,较系统地研究了二氧化碳和氢气的性质。这篇文章使他获得英国皇家学会的科普利奖章。 1767年,卡文迪许发表的论文介绍了他,关于水和固定空气的实验。 1773年,卡文迪许用两个同心金属球壳做实验,发现了电荷间的作用规律,从而验证了自己的之前的结论——卡文迪许之前曾圆满解释了电荷在导体表面分布并严格遵守距离平方反比律的原因。 1781年,卡文迪什采用铁与稀硫酸反应而首先制得“可燃空气”,随后测定了它的密度,研究了它的性质。他测出氢气和氧气化合成水时的体积之比为2.02:1,从而证明了水不是元素而是化合物。 在1783年他研究了空气的组成成分,做了很多试验,发表的论文的题目是“空气试验”。也就是这个时候,他发现水是由氢和氧两种元素组成的。他还发现了硝酸。 还有一部分是关于液态物质凝固点的研究,发表于1783年到1788年。 1797年,卡文迪许最后的一项研究十分著名的,是关于地球平均密度的问题。他在改良约翰·米切尔设计之后,通过实验测量了地球平均密度。卡文迪许提出的数字是5.448克/厘米,公认的是5.48克/厘米。这说明当时试验已经相当准确。这项实验同时实验验证了牛顿的万有引力定律,确定了引力常数,被后人称为“卡文迪许实验”。 卡文迪许在热学理论、计温学、气象学、大地磁学等方面都有研究。1798年他完成最后的实验时,已年近七十。 在他逝世以后,人们发现他有大量文稿,一直藏着未经公开发表。这部分未发表的论文相当多,电学部分由19世纪的大物理学家麦克斯韦教授整理后在1879年出版,化学和力学部分是由爱德华.普索于1921年主编出版的。

姓名  韩露  学号  17021210888

由剑桥大学(University of Cambridge)领导的一个科学家团队开发彩色像素,可以在柔性塑料薄膜上进行卷对卷的制作,极大地降低了生产成本。研究结果发表在《科学进展》上。长期以来,人们一直梦想着能模仿章鱼或鱿鱼变色的皮肤,让人或物体消失在自然背景中。

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【嵌牛导读】微纳米发动机是一种可以将其他形式的能量转化为机械能的微纳米器件,那么光得能量怎么使得它发生化学反应,进而控制发动机器件?

但制造大面积的柔性显示屏仍然非常昂贵,因为它们是由高度精确的多层结构构成。在剑桥大学科学家们开发的像素中心,是一颗直径只有十亿分之一米的微小黄金颗粒。这种颗粒位于反射表面的顶部,将光线困在两者之间的缝隙中。

9778818威尼斯官网:比手机像素小100万倍,光驱动的微微米电动机。但制造大面积的柔性显示屏仍然非常昂贵,因为它们是由高度精确的多层结构构成。在剑桥大学科学家们开发的像素中心,是一颗直径只有十亿分之一米的微小黄金颗粒。这种颗粒位于反射表面的顶部,将光线困在两者之间的缝隙中。

9778818威尼斯官网:比手机像素小100万倍,光驱动的微微米电动机。【嵌牛提问】微纳米发动机如何实现对周围环境的感知并作出相应的反应?它的驱动机理又是什么?

每个颗粒周围都有一层薄薄的粘性涂层,当电子开关时,它会发生化学变化,导致像素在光谱中变色。来自物理、化学和制造等不同学科科学家组成的团队,用一种叫做聚苯胺的活性聚合物,将大桶里的金色颗粒涂上一层,然后将它们喷洒到柔性的镜面涂层塑料上,从而大幅降低了生产成本,从而制造出了像素。

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【嵌牛鼻子】微纳米发动机

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【嵌牛正文】

这些像素是迄今为止所创造的最小像素,比一般智能手机的像素小100万倍。它们可以在明亮的阳光下被看到,因为它们不需要恒定的能量来保持固定颜色,所以具有使大面积区域可行和可持续的能源性能。来自剑桥卡文迪什实验室的共同首席作者郑贤和(Hyeon-Ho Jeong)说:

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“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军”,著名的物理学家和哲学家爱因斯坦曾说过。随着科技的进步,越来越多的科研工作者开始关注物质的内部,致力于微观世界的构造,微纳米材料的开发与性能研究成为了21世纪的研究热点。早在数十年前,微纳米机器就出现在经典科幻电影《奇妙旅程》中;而电影《未来战士2:审判日》中,由纳米机器人组装的终结者也具有十分强大的功能。可以说,人们对微纳米机器寄予厚望,梦想可以在现实中实现集感知,运动和功能性于一身的微纳米机器。2016年诺贝尔化学奖也被授予从事“分子机器的设计和合成”研究的三位科学家。

我们一开始是把它们放在镀铝的食品包装袋上清洗,但后来发现喷雾速度更快。领导这项研究的剑桥卡文迪什实验室纳米光电子中心的杰里米·J·鲍姆伯格教授说:这些并不是纳米技术的常规工具,但要使可持续技术成为可能,就需要这种先进方法。

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微纳米发动机是一种可以将其他形式的能量(如化学能、磁能、超声能等)转化为动能的微纳米粒子或器件,是开发微纳米机器的重要一步,在未来的环境治理,微纳米加工以及生物医药等领域具有卓越的应用前景。微纳米发动机研究的难题在于如何实现对周围环境的感知并作出相应的反应,受自然界中生物运动模式的启发,科学家们利用周围的能源如化学燃料、光、声场、磁场或电场产生推进力,得到了具有不同运动行为及特点的微纳米发动机。在这些驱动方式中,光来源广泛,经济环保;光驱动操作简单,可远程遥控,在环境治理或生物医药领域有着潜在的应用价值。

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该综述文章从梳理光驱动微纳米发动机的研究历史入手,主要面向近年来发展迅速的光驱动固体微纳米发动机,涵盖了光驱动固体微纳米发动机的设计策略,驱动机理,应用领域以及面临的挑战和未来的展望。光驱动固体微纳米发动机的重要组成部分是光响应材料。根据光触发受照射介质发生不同的光化学反应和光物理效应,作者将用来构成光驱动发动机的光响应材料分为光催化或光解材料,光热材料和光致异构材料,并详细介绍了其光触发机理。光驱动微纳米发动机的设计策略主要是基于发动机周围非对称场的构筑。非对称场常用的构筑方式有两种,其一是通过构筑具有非对称结构的发动机,如双面神(Janus)结构微纳米发动机。具有双面神结构的发动机在光照时,由于发动机两侧具有明显差异的光活性,导致其两侧会形成反应物或产物梯度(浓度梯度、温度梯度或气泡等),为发动机的运动提供了驱动力,如一些贵金属和半导体复合粒子(Au/TiO2,Pt/TiO2和Au/SiO2等)。第二种形成非对称场的方式是利用发动机对光的屏蔽效应。由于光在物体中趋肤深度有限,光照时发动机的迎光面和背光面会表现出不同的活性,从而形成梯度,驱动其运动,例如各项同性的TiO2粒子会表现出负趋光性。

eNPoMs是由金纳米粒子包裹在导电聚合物外壳中形成。图片:NanoPhotonics Cambridge/Hyeon-Ho Jeong, Jialong Peng

eNPoMs是由金纳米粒子包裹在导电聚合物外壳中形成。图片:NanoPhotonics Cambridge/Hyeon-Ho Jeong, Jialong Peng

      根据微纳米发动机在光触发时驱动力的来源不同,其驱动机理包含了光致电解质梯度,非电解质梯度,温度梯度驱动,光致气泡驱动,光致表面张力驱动以及光致形变驱动。由光催化或光解材料构成的微纳米发动机在光照时会发生非对称的光催化或光解反应,发生反应物的消耗与产物的生成,从而在发动机的周围形成反应物或产物的浓度梯度场。根据反应物或产物的种类不同,此时发动机可以被电解质(如AgCl粒子,TiO2/Pt双面神结构等)或非电解质梯度(如各项同性TiO2粒子等)驱动;当光催化反应或光解反应时有气泡生成时,也可以看作在发动机两侧形成气泡梯度场,此时发动机的驱动机理为光致气泡反冲机理,例如,管状TiO2结构的限域效应使光催化H2O2分解产生的气体很容易在其内部成核生长,形成气泡从管一端释放,推动其反向运动。光致温度梯度驱动则主要发生在光热材料组成的微纳米发动机上,其动力来源于光触发引起的光热效应导致发动机周围温度的非对称升高,产生热泳力,从而推动发动机运动。由于光致温度梯度驱动的发动机不需要燃料且无废物产生,因此在生物医药应用上优势显著;光致表面张力驱动和光致形变驱动则主要发生在由光致异构材料构成的发动机上。光致异构材料(如偶氮苯及其衍生物等)构成的发动机在特定波长光照时会发生顺-反异构,表层分子的异构会导致界面张力的变化,从而形成界面张力梯度,驱动其朝着减小梯度的方向运动;光响应的液晶弹性体在光照时由组成分子顺-反异构引起的伸缩形变,可以使其沿着形变方向运动,也可以认为是一种光驱动发动机。

在纳米尺度上,光的奇特物理特性允许它被切换,即使只有不到十分之一的薄膜被活动像素覆盖。这是因为当使用这些共振金结构时,每个像素光的表观大小比它们的物理面积大很多倍。这些像素可以带来许多新的应用可能性,比如建筑物大小的显示屏、可以关闭太阳能热负荷的建筑、主动伪装服装和涂料,以及未来物联网设备的微型指示器。该团队目前正致力于改善色彩范围,并正在寻找合作伙伴进一步开发该技术。

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近年来开发的光驱动固体微纳米发动机主要在环境治理,货物运输以及生物医药等领域表现出了潜在的应用价值;当微纳米发动机被固定后,也可作为微型泵来驱动流体运动。但是光驱动微纳米发动机有待提高的驱动力和生物相容性限制了其目前的研究还主要集中在实验室研究阶段。作者认为,未来光驱动微纳米发动机主要的发展方向是智能化,集导航,运输及功能化(如吸附、催化或药物释放等)于一身。例如,在环境治理方面,理想的微纳米发动机可以实现快速的自主运动,具备智能化传感与环境净化的能力;在生物医药方面,具有精准的定位,快速的运动以及有效的诊断和治疗以及较好的生物相容性的微纳米发动机是我们所需要的。因此对于光驱动体系来说,基于光热效应的红外光驱动的微纳米发动机在这方面优势显著。文章中,作者结合光驱动微纳米发动机的研究现状,针对其目前有待提高的驱动力和生物相容性等问题提出了未来的光控微纳米发动机的发展方向,并为未来智能化光驱动发动机的发展规划了蓝图,指出光控微纳米发动机速度的提升和通讯能力的改进是未来发展的重中之重。

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等离子体元表面具有全色域、高空间分辨率等优点,是平板显示领域的一个发展方向。然而这种等离子体着色不容易调整,需要昂贵的光刻技术。在这里,可伸缩的电力驱动的变色元表面,使用自底向上的解决方案流程构造,该流程控制关键的等离子体间隙,并用活动介质填充它们。电致变色纳米粒子被涂覆在金属镜上,提供了迄今为止最小面积的活性等离子体像素。

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这些纳米颗粒具有很强的散射颜色,并可在>100纳米波长范围内进行电调谐。它们的双稳态性能(持久性时间超过数百秒)和超低能耗提供了生动、均匀、不褪色的颜色,可以在高刷洗率和光学对比度下进行调整。这些动态尺度从单纳米颗粒级到亚波长厚度器件中的多微米级薄膜,比电流显示器薄一百倍。

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