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  美国工程师利用嵌入植物叶子的特殊纳米颗粒,创造出一种可以由LED充电的发光植物。它们可以反复充电,充电10秒后,植物会发光几分钟。相关研究近日发表于《科学进展》。这些植物产生的光比该研究小组2017年报告的第一代发光植物亮10倍。  “我们想要创造一种发光植物,它们会吸收并储存一部分光,然后逐渐释放出来。”麻省理工学院化学工程教授MichaelStrano说,“这是朝着植物照明迈出的一大步。”  Strano和合作者想要创造出能够延长光线持续时间并使其更亮的组件。他们想到了使用电容的想法,后者是电路的一部分,可以储存电能,并在需要时释放出来。对于发光植物来说,光电容器可以用来以光子的形式存储光,然后随着时间的推移逐渐释放光。  为了创造他们的“光电容器”,研究人员决定使用一种被称为荧光粉的材料。这些材料可以吸收可见光或紫外光,然后以磷光的形式慢慢释放出来。研究人员使用了一种名为铝酸锶的化合物作为荧光粉,这种化合物可以形成纳米颗粒。在将它们植入植物前,研究人员将微粒包裹在二氧化硅上,以保护植物免受损害。  这些直径几百纳米的颗粒可以通过气孔(位于叶片表面的小气孔)进入植物体内。这些颗粒聚集在被称为叶肉的海绵状层中,在那里,它们形成了一层薄膜。研究人员说,这项新研究的一个主要结论是,活体植物的叶肉可以在不伤害植物或牺牲光特性的情况下显示光子粒子。  研究人员表示,在蓝色LED照射10秒钟后,植物可以发出约1小时的光。在开始的5分钟里,光线最亮,然后逐渐减弱。这些植物可以持续充电至少两周。  “我们需要一种强烈的光能够以脉冲的形式传递几秒钟,这样就可以给它充电。”论文主要作者、麻省理工学院PavloGordiichuk说,“我们还证明可以使用大镜头,如菲涅耳镜头,将放大的光传输超过1米的距离。这朝着创造人们可以使用的规模照明迈出了良好一步。”  研究人员发现,“光电容器”方法可以在许多不同的植物中工作,包括罗勒、豆瓣菜和烟草。他们还证明,这种方法可以照亮一种名为泰国象耳的植物叶子,其叶宽可能超过1英尺,可作为户外照明源。  相关论文信息:https://doi.org/10.1126/sciadv.abe9733

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一个物体被放置在两块亚克力玻璃板之间,新研究使其在声学上“隐身”。图片来源:瑞士苏黎世联邦理工学院/AstridRobertsson  当人们欣赏音乐时,不仅听到乐器发出的声音,也沉浸在回声中。声波从墙壁和周围的物体反射回来,形成一种独特的声音效果——一种特定的声场。这就解释了为什么在古老的教堂或现代混凝土建筑中演奏同样的音乐,听起来非常不同。  一些科学家想更进一步,系统地操纵声场,以达到一种实际情况中本不应该存在的声音效果。例如,他们试图创造一种虚幻的音频体验,让听者误以为自己在一座混凝土建筑或一座旧教堂里。或者通过操纵声场,使听者不再感知到物体,从而使物体隐形。  通常在声学上隐藏物体的一种方法是在其表面覆盖一层膜,使物体不反射任何声波。然而,这种方法通常只能在有限的频率范围内实现,并不适合许多应用场景。  现在,由瑞士苏黎世联邦理工学院应用地球物理学教授JohanRobertsson领导的小组与英国爱丁堡大学科学家合作,开发了一个新概念,显著改善了活动性错觉。研究人员已经成功实时扩大了初始声场,因此可以使物体“消失”,并模仿不存在的物体。他们在最新一期的《科学进展》上发表了这一成果。  为了实现特殊的声学效果,研究人员在苏黎世创新园的沉浸式波浪实验中心安装了一个大型测试设施。具体来说,这种设备允许“隐身”一个大约12厘米的物体,或模拟一个同等大小的虚拟物体。  目标物体被包围在麦克风组成的外圈中作为控制传感器,并在喇叭的内圈中作为控制源,控制传感器记录从初始场到达目标的外部声信号。根据测量结果,计算机能计算出控制源必须产生哪些次声,以实现预期的初始声场增大。  为了掩盖物体,控制源会发出一个信号,完全消除物体反射的声波。相比之下,为了模拟一个物体(也称为全息术),控制源会增加初始声场,就好像声波是从两个环中心的一个物体上反射回来一样。控制传感器测量的数据必须立即转换为控制源的指令,为此,研究人员使用了响应时间极短的现场可编程门阵列。  “新设备允许我们在超过3个半八度音阶的频率范围内操纵声场。”Robertsson说。最大隐身频率为8700Hz,模拟频率为5900Hz。  相关论文信息:https://doi.org/10.1126/sciadv.abi9627

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  为什么壁虎降落在树枝上如此稳当,而人类发明的仿生学机器人却做不到?在英国《通讯·生物学》杂志近日发表的一项动物学研究中,科学家通过大量实际观察和精确模型分析指出,在树间滑行的亚洲蝎尾蜥虎(也称亚洲蝎虎)会在降落时用尾巴稳定身体。  为了更好地理解蜥虎尾巴的摆动在降落中的重要性,德国马克斯·普朗克智能系统研究所科学家阿尔迪安·朱苏飞及其同事此次利用高速摄像机,拍摄了30只野生蜥虎从高台上跳向附近一棵树的过程,随后再用一个近景高速摄像机拍摄了其中16只蜥虎降落时的运动。  研究团队观察到,蜥虎会先用头撞树,再让躯体和尾巴朝后摆动。大部分着陆情况下(14次中的8次),蜥虎的身体和头部会朝着远离树干的方向摆动,导致它们失去对前足的控制,但它们会将尾巴压住树干以防止跌落。其中5只蜥虎在降落时四脚全在树干上,另外一只失去了控制,摔了下来。还有两只无尾蜥虎在尝试降落后也从树干上摔了下来。  为了研究蜥虎是如何利用尾巴摆动防止摔落的,研究团队开发了两个类似蜥虎的柔性机器人,并用弹射器发射,模拟从滑行到高速降落的过程。这两个机器人的身形比例类似蜥虎,但一个机器人有像蜥虎一样的尾巴,而另一个没有。研究人员测量了这两个机器人在贴了魔术贴的垂直表面上降落时足部产生的力。他们发现,实验中无尾机器人成功降落在垂直表面的概率只有15%,而有尾机器人的成功概率有55%。如果将尾巴长度缩短到原来的25%,机器人成功降落所需的足部力量需要增加一倍以上。  结合现场观测结果以及机器人分析模型显示,尾巴能通过减少机器人贴在垂直面上所需的足力,提高其降落稳定性和成功率。研究结果表明,蜥虎在树间滑行时,尾巴可能也起到了类似的作用。研究人员认为,与蜥虎尾巴相似的结构或能帮助飞行机器人(如无人机)在垂直表面降落时起到稳定作用。

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风云三号E星太阳极紫外图像 国家卫星气象中心供图  “随着太阳缓缓自转,太阳上的活动区、冕洞等特征也一一呈现在我们面前,宛若一幅壮美的画卷。耀斑类似于地球上的闪电。”9月2日,在中国气象局第一次对外发布卫星观测的太阳图像时,国家卫星气象中心副主任张鹏介绍,此次发布的太阳图像主要是风云三号E星针对日冕层的观测图像,来自卫星上的两台仪器:太阳X射线极紫外成像仪和太阳辐照度光谱仪。  “这台太阳X射线极紫外成像仪是我国第一台空间太阳望远镜,也是国际上首台具有X射线和极紫外两个波段的太阳成像仪。”张鹏说,卫星观测数据主要用于监测太阳日冕活动,捕捉太阳风暴爆发过程,预报地球空间电磁场和带电粒子变化,预警太阳活动对航天航空、通信导航、电网和石油管道等基础设施的影响。  为什么要从卫星上拍摄太阳  很多人很好奇,为什么要用卫星去观察太阳?从地球上看太阳,和卫星上看有什么不一样?  “太阳是太阳系唯一的恒星,它不仅影响地球的天气和气候,也是空间天气现象的主要引发星体。而空间天气监测预报预警,也是气象部门的一项重要工作,因此,风云三号E星的太阳监测能力,显得尤为重要。”张鹏说,太阳是地球天气气候和空间环境变化的驱动源,外部结构分三层,从里向外依次是光球层、色球层和日冕层。人们肉眼看到的是光球层,而最直接影响地球环境的是日冕层。监测太阳活动,捕捉太阳爆发过程,可以为更准确的空间天气预报提供重要的科学数据。  张鹏介绍,从地球上“看”太阳,只能看到太阳可见光。直接影响地球空间环境的X射线和极紫外波段的光会被地球大气吸收,而无法在地面上观测到。但卫星不受日照时间、天气条件和大气干扰限制,能够全天时、全天候、全谱段地监测太阳的“一举一动”。  风云卫星获取的太阳图像有什么用  人们经常看到太阳,但很多人并不了解太阳活动对地球人类有何影响。  张鹏介绍,来自太阳的耀斑和日冕物质抛射等爆发现象,会影响地球的磁场和电离层,可能会干扰人造卫星、影响导航定位精度、导致无线电通信中断,甚至可能引起电网故障而导致大范围停电。此外,在载人航天器飞行、运行,以及航天员出舱等活动中,空间天气都会对其安全产生影响。  “因此,我们需要时刻关注太阳活动,捕捉太阳爆发过程,为更准确的空间天气预报提供重要科学数据。”张鹏介绍,因此开展空间天气监测是风云三号E星的主要任务之一,它装载了太阳X射线和极紫外成像仪、太阳辐照度光谱仪等6台可以用于空间天气业务的仪器。  张鹏介绍,目前我国主要利用国外卫星资料监测太阳风暴,预报预警太阳爆发现象等,为相关用户提供空间天气保障服务。风云三号E星X射线和极紫外成像仪投入业务运行后,可以为当前业务提供自主可控的观测数据,摆脱对国外资料的依赖。此外,观测资料还可为我国空间天气数值预报模式提供研发和检验的数据支撑。  卫星获取的图像有什么用?张鹏说,从太空中拍摄到的太阳X射线和极紫外图像,可以用于观测太阳最外层大气——日冕中的各种活动现象。就像人们要关注地球的大气内部活动一样,这样才能让预报员更加及时、准确地预报空间天气。  风云三号E星还有哪些科学计划  此次崭露头角的风云三号E星,除了拍摄太阳高清图片,还有哪些科学计划?  风云气象卫星工程总指挥,中国气象局党组成员、副局长于新文介绍:“风云三号E星是完善和丰富我国现有气象业务观测体系的黎明星,是助推气象现代化高质量建设的标志星,也是提升风云气象卫星国际影响力的国际星。”  据介绍,目前我国主要利用国外卫星资料监测太阳风暴,预报预警太阳爆发现象等,为相关用户提供空间天气保障服务。  “风云三号E星上搭载了11台遥感仪器,可实现对三维大气、洋面风场、夜间微光、太阳和电离层等多种要素的监测,将增强天气气候、大气环境和空间天气监测分析能力。目前,已有10台仪器顺利开机。”于新文说,风云三号E星投入业务运行后,可以为当前业务提供自主可控的观测数据,摆脱对国外资料的依赖。  于新文介绍,风云三号E星在轨测试工作已于7月23日正式开始,预计2021年年底完成卫星系统测试工作并交付使用。目前,风云三号E星已与风云三号C星和D星组网运行,我国也因此成为国际上唯一同时拥有上午、下午、晨昏三条轨道气象卫星组网观测能力的国家,同时也提高了数据自主率。  张鹏表示,风云三号E星属于“黎明星”,预计今年9月底,中国气象局还将发布“黎明星看地球”之大气动力、热力场图像;10月底,发布“黎明星看地球”之微光、红外图像和高光谱图像;12月底,发布黎明星首套图册。

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一米长的纤维锂离子电池。课题组供图  身上穿的衣服就可以给手机无线充电,这听起来像科幻片的场景正在逐步成为现实。  近日,复旦大学高分子科学系教授彭慧胜团队通过系统揭示纤维锂离子电池内阻随长度变化的规律,有效解决了聚合物复合活性材料和纤维电极界面稳定性难题,连续构建出兼具良好安全性和综合电化学性能的新型纤维聚合物锂离子电池。相关研究9月1日发表于《自然》。  国际审稿人评价这项工作是“储能领域和可穿戴技术领域的里程碑研究”“柔性电子领域的一个里程碑”。  厘清内阻和长度的关系规律  作为现代电子设备的“心脏”,以锂离子电池为代表的储能器件是现代电子工业和人们生活不可或缺的组成部分。  彭慧胜团队从2008年开始研究新型柔性电池系统,在2013年提出并实现了新型纤维锂离子电池,为有效满足智能电子织物等可穿戴设备能源供给需求提供了新路径。  经过最近几年国际学术界的共同努力,纤维锂离子电池研究取得了系列进展,但仍然面临一些重大难题,限制了其实际应用。比如,面向块状锂离子电池的成熟生产体系很难适用于纤维锂离子电池,而国际上纤维锂电池的连续化制备研究几乎是空白。迄今为止报道的纤维锂离子电池长度往往在厘米尺度,并且基于整体质量的能量密度也比较低。  “纤维锂离子电池如同毛线,要织成一件可以充电的毛衣,必须保证有足够长的毛线。”研究论文共同第一作者、复旦大学高分子科学系博士生何纪卿形容道。  而要实现纤维锂离子电池的连续化构建,首先需要从源头上厘清纤维电池内阻和长度的关系规律。  团队成员突破以往的研究思路,通过大量的预实验筛选,广泛尝试了不同电学特性的纤维集流体材料,最终发现并揭示出纤维锂离子电池内阻随长度增加先减小后逐步趋于稳定的变化规律;使用纤维集流体的导电率越高,越能有效降低纤维锂离子电池的内阻,从而有利于提升连续长纤维电池的电化学性能。  上述关系规律得到了系统的实验验证,为纤维锂离子电池的连续构建提供了有力的理论支撑和依据。  实现电池连续化制备  要实现高效负载纤维锂离子电池活性材料的高效连续制备,必须有效解决活性材料与导电纤维集流体的界面稳定性难题。  “在纤维表面进行涂覆时很容易产生串珠等涂覆不均匀的现象,就像糖葫芦一样,严重影响纤维电极制备的连续性和电池的电化学性能。”何纪卿解释道,经典的平面涂覆方法很难适用于高曲率纤维。  为此,团队发展出了高效负载纤维锂离子电池活性材料的连续化方法,通过调控正负极活性材料组分和黏附力,有效解决了聚合物复合活性材料与导电纤维集流体的界面稳定性难题。  研究团队自主设计、建立了面向纤维锂离子电池连续构建的标准化装置,实现了活性材料在千米级光滑纤维表面的高效负载和精准控制,得到了高负载量、涂覆均匀和容量高度匹配的正、负极纤维电极材料。同时通过将正极纤维和包覆高分子隔膜的负极纤维缠绕组装,进行有效封装和电解液注入,最终实现了高性能纤维聚合物锂离子电池的连续化制备。所制得的纤维电池容量随长度线性增加,显示该构建路线具有可靠性。  新型电池织物应用前景  今年3月,复旦大学彭慧胜/陈培宁团队发表于《自然》的论文中,报道了他们自主研发的全柔性织物显示系统。该系统可紧贴人体不规则轮廓,像普通织物一样轻薄透气,确保良好的穿着舒适度。  “前者是用电,我们现在的这个研究是供电,二者完全不同但又紧密相关。”彭慧胜说。  该纤维聚合物锂离子电池表现出了良好的综合性能,显示了广阔的应用前景。基于包括封装材料在内的全电池重量,其能量密度超过85瓦时每千克,长度为1米的电池可为智能手机、手环、心率监测仪、血氧仪等可穿戴电子设备长时间连续有效供电。  纤维锂离子电池还具有良好的循环稳定性,循环500圈后,电池容量保持率仍达90.5%,库仑效率达99.8%;在曲率半径为1厘米的情况下,将纤维锂离子电池弯折10万次后,其容量保持率仍大于80%;甚至在重复水洗、挤压等严苛条件下也能够保持较为稳定的电化学性能。进一步通过纺织方法,团队获得了高性能的大面积电池织物。  “如果将电池织物和无线充电发射装置集成,可安全、稳定地为智能手机进行无线充电。”何纪卿说。  从新现象到新规律,到连续构建关键技术的突破,到几乎所有核心设备的自主研发,再到工程化连续制备路线的不断升级……团队从未止步。  通过十多年持续不断的深入研究,研究团队已经把纤维电池从实验室样品发展到了产品模型,实现了高安全性纤维聚合物锂离子电池的连续化构建,并致力于推动纤维电池和织物系统的规模化应用研究。  “可穿戴纤维锂离子电池的很多功能已经实现,但要真正推广普及,依然任重道远。”彭慧胜说。  从电池本身来说,目前纤维聚合物锂离子电池与生活中常用的平面电池的能量密度相比,还有较大的提升空间;需要发展面向纤维聚合物锂离子电池构建、性能评估和使用的行业标准或规范,推动其工程转化和市场化应用。此外,在应用方面如可穿戴领域,还需要更加先进的编织技术,将纤维锂离子电池高效地编织到各种衣物中,使穿着更舒适、更美观。  彭慧胜期待锂离子电池领域产业界的合作者加入,共同探索解决新型电池体系在生产和实际应用中面临的各种问题。  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-021-03772-0

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       根据17日发表在国际著名干细胞杂志《细胞·干细胞》上的一项研究,人类诱导的多能干细胞(IPSCs)可以用来形成含有“视杯”(可形成视网膜)结构的类脑器官。该类器官自发地从类脑区域的前部发育出两侧对称的“视杯”,证明了IPSCs在高度复杂的生物过程中的自我复制能力。       研究人员表示,这一发现突出了大脑类器官产生原始感官结构的非凡能力,这些结构对光敏感,并且拥有与人体细胞相似的细胞类型。       该类器官可以帮助研究胚胎发育过程中的大脑和眼睛的相互作用,模拟先天性视网膜疾病,并生成用于个性化药物测试和移植治疗的患者特异性视网膜细胞类型。       人类大脑发育和疾病的许多方面都可以利用从多能干细胞衍生的3D脑器官来研究,这种细胞可以分化成体内所有类型的细胞。       此前,研究人员使用人类胚胎干细胞分化出“视杯”,“视杯”形成了视网膜。另一项研究表明,“视杯”状结构可以从IPSCs中产生,这些IPSCs来自成年细胞,这些细胞已经被基因重新编程回到类似胚胎的多能性状态。       过去,由多能干细胞制造“视杯”的重点是生成纯视网膜。在此项研究之前,“视杯”和其他3D视网膜结构还无法在功能上整合到大脑器官中。       为了实现这一目标,研究团队修改了他们之前开发的将IPSCs转化为神经组织的方案。人脑类器官如若形成“视杯”,最早在30天内出现,并在50天内成长为可见结构。这一时间框架与人类胚胎中视网膜发育的时间框架相似。       研究人员从IPSCs供体中生成了314个大脑类器官,其中72%的类器官形成了“视杯”。这些结构包含不同类型的视网膜细胞,它们形成了对光有反应的电活性神经元网络。“视杯”大脑类器官还含有晶状体和角膜组织,并显示出视网膜与大脑区域的连接。       研究人员表示:“在哺乳动物的大脑中,视网膜神经节细胞的神经纤维向外延伸,与它们的大脑目标相连,这在体外系统中从未出现过。”       未来,研究人员计划开发出“视杯”长期保持活力的策略,利用它们来研究导致视网膜疾病的机制。       总编辑圈点       类器官技术的出现,可以说为人们研究各种组织提供了强大工具。不过大脑类器官的生成往往要更为复杂一点,原因无他——我们对大脑及其神经系统的了解迄今尚不能说非常透彻。此次出现的大脑类器官包含了不同类型的视网膜细胞,其一方面帮助科学家进一步了解视觉与脑部的密切关系,另一方面,这个高度生理相关系统,为无数被视网膜疾病困扰的患者,带来了根治的希望。

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