科技资讯

水凝胶半导体材料问世

科技日报2024年10月27日报道， 在最新一期《科学》上，美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院团队展示了界面生物电子学领域的新突破：他们创造出具有强大半导体功能的新型水凝胶材料。这种新型蓝色凝胶能够在水中像海蜇一样浮动，同时还具有出色的半导体功能，可实现生物组织与机器之间的信息传输。

理想的用于连接电子组件和活体组织的材料应当是柔软、可拉伸且亲水的，类似于水凝胶。而半导体材料通常比较硬、脆且不亲水，无法像水凝胶那样在水中溶解。如果将半导体用于起搏器、生物传感器及药物递送装置等生物电子器件，这些缺点构成巨大障碍。

此次新材料展现出了高达81千帕的组织级模量、最大可达150%的拉伸性和高达1.4平方厘米/伏秒的载流子迁移率。这表明，这种既具有半导体特性，又具备水凝胶属性的材料，满足了作为理想生物电子界面的所有要求。

由于可植入生物电子设备与组织直接接触，所以要能随组织一同变形，从而形成高度紧密的生物界面。

传统的水凝胶制备方法是将某种材料溶解于水中，再加入使溶液变为凝胶状态。然而半导体材料通常都不溶于水。为此，团队开发了一种溶剂交换工艺。不是将半导体溶解在水中，而是将其溶解在与水混溶的有机溶剂里。接着，他们利用溶解的半导体和水凝胶前体来进行制备。

最初的产物是一种有机凝胶，团队再将整个材料体系浸泡在水中，使有机溶剂溶解并允许水渗入其中。最终得到的材料可以广泛应用于多种具有不同功能的聚合物半导体。

值得注意的是，与传统的水凝胶相比，这种新材料不仅改善了生物功能，还在多个方面表现出了超越单纯水凝胶或半导体材料的能力，实现了更好的综合效果。

这一研究目前主要将解决生化传感器和心脏起搏器等植入式医疗设备所面临的挑战，但其还有许多潜在的非侵入性应用，譬如更精确地读取皮肤数据、改善伤口护理等。该材料具有极其柔软的机械性能与高含水量，这些都与活体组织相似。同时，它还具有多孔性，这意味着还可以运输各种营养和化学物质。而当所有这些特性相结合，新型水凝胶就会成为组织工程和药物递送中最有用的材料之一。

（2024年10月27日 张梦然 科技日报）

微型柔性水凝胶

锂离子电池面世

科技日报2024年10月29日报道，英国科学家利用生物相容性水凝胶液滴，成功研制出一款微型柔性锂离子电池。该电池不仅具备光激活、可充电特性，还能实现生物降解。研究团队表示，这种微型电池有望在药物释放、心脏除颤和微型机器人等多个生物医学领域大放异彩。相关论文发表于最新一期《自然·化学工程》杂志。

生物医学领域所用微型智能设备的体积通常不足几立方毫米，因此需要同样小巧的电源来供电。这些设备还需与生物组织直接作用，这就要求其电源必须是由柔软材料制成，以确保安全性。

此类电池应该具备多种特性，如高容量、生物相容性、生物降解性和可激活性等。同时，它们还应具备远程控制能力，以适应复杂多变的环境。但目前没有电池能集上述功能于一身。

为攻克这一难题，英国牛津大学化学和药理学系科学家利用水凝胶液滴，采用表面活性剂支撑的组装技术，在类似肥皂的分子协助下，将三个体积仅为10纳升的微型液滴连接起来，研制出了这款微型柔性锂离子电池。其中两个液滴含有锂离子颗粒，它们相互作用便能产生能量。

研究团队表示，这款液滴电池拥有卓越的能量密度，是迄今最小的水凝胶锂离子电池。它能促进合成细胞间带电分子的运动，从而实现对小鼠心脏跳动的控制及除颤功能。此外，通过与磁性粒子相结合，它还能作为移动的能量载体。

（2024年10月29日 刘霞 科技日报）

可吸收多频段电磁波

超薄膜研制成功

科技日报2024年10月30日报道，韩国材料科学研究所科学家研制出一款复合材料超薄膜。这款材料能够吸收99%以上来自5G、6G、Wi-Fi以及自动驾驶车载雷达等不同频段的电磁波，有望提升无线通信的可靠性。相关论文发表于新一期《先进功能材料》杂志。

电子元件发出的电磁波会导致附近其他电子设备性能下降。为防止这种情况发生，电磁屏蔽材料应运而生。传统电磁屏蔽材料大多采用反射方式，能反射90%以上的电磁波，实际吸光度只有10%左右。而拥有较高吸光度的材料，往往只能吸收单个频带内的电磁波。

为打破这一困境，研究团队开发出这款复合材料。它在3个不同频带内均展现出小于1%的低反射率和超过99%的高吸光度，且厚度不足0.5毫米。此外，最新超薄膜还具备柔软、耐用等性能，即使在折叠和展开数千次后也能保持形状，非常适用于可卷曲手机和可穿戴设备等领域。

此次研究通过改变铁氧体的晶体结构，合成出了一种具有选择性吸收电磁波的磁性材料。在此基础上，这种超薄聚合物复合膜背面加入了导电图案，以控制电磁波的传播。通过巧妙地调整导电图案形状，超薄膜能够显著减少特定频率下的电磁波反射。

此外，超薄膜背面还应用了高屏蔽性能的碳纳米管膜，以进一步增强材料的电磁波屏蔽能力。

（2024年10月30日 刘霞 科技日报）

全新纳米级3D晶体管面世

科技日报2024年11月6日报道，美国麻省理工学院团队利用超薄半导体材料，成功研制出一种全新的纳米级3D晶体管。这是迄今已知最小的3D晶体管，其性能和功能可比肩甚至超越现有硅基晶体管，将为高性能节能电子产品的研制开辟新途径。相关论文发表于11月5日出版的《自然·电子学》杂志。

晶体管是现代电子设备和集成电路中的基础元件，具有多种重要功能，包括放大和开关电信号。然而，受“玻尔兹曼暴政”这一基本物理限制的影响，硅基晶体管无法在低于一定电压的条件下工作，这无疑限制了其进一步提升性能，以及扩展适用范围。

为打破这一瓶颈，团队利用由锑化镓和砷化铟组成的超薄半导体材料，研制出这款新型3D晶体管。该晶体管性能与目前最先进的硅晶体管相当，能在远低于传统晶体管的电压下高效运行。

团队还将量子隧穿原理引入新型晶体管架构内。在量子隧穿现象中，电子可以穿过而非翻越能量势垒，这使得晶体管更容易被打开或关闭。为进一步降低新型晶体管“体型”，他们创建出直径仅为6纳米的垂直纳米线异质结构。

测试结果显示，新型晶体管可以更快速高效地切换状态。与类似的隧穿晶体管相比，其性能更是提高了20倍。

这款新型晶体管充分利用了量子力学特性，在几平方纳米内同时实现了低电压操作以及高性能表现。由于该晶体管尺寸极小，因此可将更多该晶体管封装在计算机芯片上，这将为研制出更高效、节能且功能强大的电子产品奠定坚实基础。

目前，团队正致力于改进制造工艺，以确保整个芯片上晶体管性能的一致性。同时，他们还积极探索其他3D晶体管设计，如垂直鳍形结构等。

（2024年11月6日 刘霞 科技日报）

含金属复杂分子

模拟速度创纪录

科技日报2024年10月31日报道，来自美国太平洋西北国家实验室以及匈牙利的科学家，在英伟达公司的高性能图形处理单元（GPU）上成功执行了量子化学计算，创造了含金属复杂分子模拟速度新纪录，为电子结构计算设定了新基准。相关论文发表于最新一期《化学理论与计算》杂志。

金属酶能够加速化学反应，降低能耗，使反应过程更加高效和可持续。深入了解和优化这些催化剂，对于医药、新能源和消费品等诸多行业至关重要。然而，此前快速且高精度的化学计算往往难以实现。

为解决这一难题，研究团队集结最先进的硬件与量子化学张量网络算法等尖端模拟技术，在单个DGX-H100 GPU节点上，实现了每秒高达246万亿次浮点运算的计算速度。

团队表示，与此前用英伟达公司的其他GPU开展的计算相比，此次计算的速度提高了2.5倍；而与用中央处理单元（CPU）进行的类似计算相比，此次计算速度更是提高了80倍。

最新研究旨在实现多体薛定谔方程的高效且精确求解。这些方程对于理解分子和材料的电子结构十分关键。目前，全球仅有少数计算系统具备如此强大的计算能力。

团队强调，最新成果使复杂化学系统的研究能够快速改进和迭代，充分展示了大规模计算在解决量子化学问题方面的潜力。此外，更出色的GPU计算框架，以及人工智能引导的物理学，结合为大型定量机器学习模型生成训练数据的新方法，有望为实现能源、健康等领域的新应用贡献重要力量。

（2024年10月31日 刘霞 科技日报）

超固体旋转时呈现

“量子涡旋”

科技日报2024年11月8日报道，奥地利因斯布鲁克大学研究团队在旋转的二维超固体中首次观察到量子涡旋，这为长期寻找的无旋超流体流入超固体的现象提供了确切证据，标志着调制量子物质研究迈出了一大步。相关成果发表在最新一期《自然》杂志上。

超固体是一种近年来才被验证的新型量子物质状态，它同时具备超流体和固体的特性。这种独特的物质状态可在极低温的偶极量子气体中人工生成。

尽管科学家已经通过直接成像技术展示了构成超固体中的“固体”特性的晶体排列，但其超流体特性则更为隐秘。科学家一直在探索超流体现象的不同方面，但是证明超流体核心特征之一量子涡旋的存在却异常困难。

此次，研究团队结合理论模型与前沿实验，在偶极超固体中成功创造了涡旋并对其进行了观察。他们确认了超流动性的一个关键缺失环节，即系统对旋转作出响应时表现为量子涡旋的出现。首次在超固体中观测到的小尺度量子涡旋呈现出与之前预期不同的特性。

2021年，该团队利用极冷的铒原子气体创造了首个长寿命的二维超固体。在新研究中，他们基于理论指导，采用高精技术，借助磁场温和地搅动超固体。因为液体不具备刚性旋转的能力，因此这种搅拌促成了量子涡旋的生成，这是超流体动力学的一个显著标志。

这项历时接近一年的实验，揭示了超固体中涡旋动态与非调制量子流体之间的显著区别，同时也为理解这些奇异量子态中超流体和固体特性如何共存及互动提供了新的视角。

（2024年11月8日 张佳欣 科技日报）