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2021-04-19
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2021-04-19
白色反射漆满足制冷需求
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白色反射漆满足制冷需求
白色反射漆满足制冷需求普渡大学的一个研究小组开发出一种改进的超白涂料,研究人员在2020年10月采用了这种涂料,测试表明相比于早期版本可以反射95.5%的阳光,这种新涂料能够反射98%以上的阳光。他们把这种涂料涂抹在表层上,它甚至可以反射传入的红外光使其远离表层。这个涂漆有望减少对空调的需求:自20世纪70年代以来,人们一直在尝试开发辐射冷却漆以代替传统空调。它可在寒冷的天气(冬季)环境中实现全功能,并可用于其它冷却应用需求上。传统的市售白漆特点是保暖,而不是制冷。设计用于隔热的涂料只能够反射 80% 到 90% 的阳光,无法使涂层表面温度比周围环境更低。涂漆的太阳反射能力直接取决于其白色程度:其白色程度是由两个不同成分特征造成的。第一种是硫酸钡,其浓度非常高。该化合物同样是白色反射涂层的主要成分,用于制造相纸和某些化妆品,使其成为白色。麻省理工学院的博士后研究员Xiangyu Li在普渡大学获得高级学位时曾参与该项目,硫酸钡的功能是使物体具有高度反射性,换句话说,它可使物体呈现较高程度的白色。之前的配方主要由碳酸钙组成,它通常存在于岩石和贝壳中,是该团队以前最白涂料的组成部分。新涂漆的第二个变白特征是其由不同大小硫酸钡颗粒的组成。每个粒子散射光的程度取决于给定粒子的大小。具有较大方差尺寸的粒子能够使涂漆散射来自阳光更多的光谱(换句话说,其具有更广泛的光谱散射能力)。"虽然较高的颗粒浓度能更好地使它变白,但不能使浓度太大," Li说。“浓度越高,涂漆就越容易脱落或剥落。"研究小组说,如果用这个涂漆覆盖大约1000平方英尺的屋顶面积,它就能达到10千瓦的冷却功率。普渡大学机械工程学教授Xiulin Ruan说,这种能力比大多数房屋的中央空调系统更强大。在另一项寒冷冬天户外进行的测试(环境温度为43 °F)中,涂漆将样品温度降低了 18°F。结果表明,硫酸钡涂料在某些(以及可能的任何)户外条件下是有效的。此外,研究人员说,他们用来制造涂漆的技术与商业涂料制造过程是相互兼容的。根据普渡的一份新闻稿,油漆配方的专利申请已经通过。这项研究发表在《Applied Materials & Interfaces 》上(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c02368).).原文链接
2021-04-19
光活化分子消除活鼠阿尔茨海默蛋白质
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光活化分子消除活鼠阿尔茨海默蛋白质
光活化分子消除活鼠阿尔茨海默蛋白质东京大学的研究表明,一种小型的光活性分子可有效去除淀粉样蛋白团,研究人员发现它存在于阿尔茨海默氏症小鼠大脑中。如将其改善而用于人类,这种方法可代替免疫疗法,并治疗由类似蛋白质引起的其它疾病。研究人员开发的分子被称为光氧化催化剂。研究小组成员将其直接注射到患有阿尔茨海默氏症活鼠的大脑中,然后用探针照它,每天30分钟,为期一周。对小鼠脑组织的化学分析表明,这种治疗显著降低了淀粉样蛋白。阿尔茨海默氏症患者捐赠的大脑样本的其它实验支持了其将来在人类中使用的可能性。实验表明,基于分子的方法在一个两步过程中治疗阿尔茨海默病。首先,催化剂使淀粉样蛋白斑块不再稳定。氧合,或添加氧原子,可以通过改变将其固定在一起的化学键而使分子不再稳定。催化剂旨在瞄准淀粉样蛋白的折叠结构,并可能通过交叉连接称为组胺酸残基的特定部分而起作用。在近红外激光激活前,催化剂处于惰性状态。因此,研究人员设想这种催化剂可以通过注射到血液中在整个体内传递,并利用光对准特定区域。小神经胶质是大脑的免疫细胞,它清除健康细胞外的受损细胞等,然后去除不稳定的淀粉样蛋白。研究人员观察到小神经胶质吞没了含氧淀粉样蛋白,然后将其分解在细胞内的酸性部分中,在盘子里老鼠细胞上。"我们的催化剂与淀粉样蛋白特异性结构结合,而不是与独特的遗传或氨基酸序列结合,因此这种催化剂可以应用于其他淀粉样蛋白沉积物上,"项目负责人、制药科学研究生院教授Taysuke Tomita说。虽然一些治疗阿尔茨海默氏症的方法能够减缓新淀粉样斑块的形成,但它们无法解决现有的斑块问题。因为淀粉样蛋白在症状出现前几年就开始积淀,因此消除淀粉样蛋白对有效治疗阿尔茨海默氏症非常重要。据美国临床肿瘤学会(American Society of Clinical Oncology)估计,在美国每年有4000人被诊断患有由脑外淀粉样蛋白引起的疾病,统称为淀粉样变性。目前研究人员正在修改催化剂的设计,以便通过在头骨上照射光线来激活催化剂。这项研究发表在《Brain》上(www.doi.org/10.1093/brain/awab058).原文链接
2021-04-17
NIST 的农业梳测量奶牛气体的排放
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NIST 的农业梳测量奶牛气体的排放
NIST 的农业梳测量奶牛气体的排放"农业梳(agricomb)"是一种由国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员开发的光学频率梳,它能够测量牛打嗝和胀气气体的排放。因此,该器件将有助于优化农业操作,减少温室效应气体的产生。NIST的研究人员和堪萨斯州立大学(KSU)的一个研究小组在肉牛饲养场附近建立了便携式器件。双梳系统的激光组件被放大和过滤,以针对特定气体,即甲烷、氨气、二氧化碳和水蒸气,它能够同时测量这些气体。当梳光在露天路径上来回发送时,气体是根据大气中吸收的红外光的精确色调和数量来识别的。实验测量了两条逆风和顺风100米路径上的气体,这来自栏杆包围起来约300头奶牛的气体排放。甲烷和氨是这项工作主要的测量气体。因为家畜的排放是美国人类引起甲烷的最大来源,甲烷是一种主要的温室气体。氨也是家畜排放的,它是大气中的主要污染物。图中显示实验的大致设置。N. Hanacek, NIST供图。测量调查了牛的消化过程和地面物理废物的排放。农业梳测量的甲烷和氨浓度均达到百万分之一的水平,精度为十亿分之二十五。甲烷的测量结果与商业传感器的结果相当,该传感器在饲料地边缘的多个入口对空气进行采样。研究人员发现,这种农业梳对氨气的测量特别有用,因为这种气体很粘,它很难用吸收空气的系统来测量。此外,能够同时测量许多气体对传统系统来说是件难以完成的任务。论文指出,虽然商业传感器能够更快地精确测量到环境的水平,但农业梳能更精确地捕获了顺风来的气体,然后可以更好地表征气源。提高精度可能在不久的将来测量牧场稀疏分布奶牛排放的甲烷是很有价值的,这是一个更具挑战性的任务。文章指出,新旧技术之间的协议表明,农业梳是准确量化农业环境中气体的有用工具。这个器件的优点包括对广泛红外光的灵敏度、高精度、同时对多种气体的无校准检测以及测量设置的灵活性。NIST物理学家Brian Washburn说:"对于未来,我们的计划是与KSU合作对牧场进行测量,在这个牧场上牛吃本地草。不同的饲料,加上草原土壤中消耗甲烷的微生物活动,这可能意味着牧场的大气甲烷产量低于饲育场。"管理操作和牛特征的变化使得对排放估计得这项工作具有挑战性。文章称,饲料作为排放的主要因素,但并没有在库存报告中被考虑到,这给温室气体排放模型带来了巨大的不确定性。堪萨斯饲料场的牛吃了干草和玉米青贮的混合物。Washburn说:"这些牛大约75%的生命都是在牧场上度过,因此这种测量结果将更能代表净甲烷的产生。这也将是一个更难的测量,因为它将发生在一个更大的区域,约500米乘500米,区域内动物更少,大约40头。"研究人员认为农业梳被证明对精密农业大有益处,它支持精密农业,通过在大型空间尺度上同时测量诸多气体,从而有可能设计更干净、更有生产力的农场。这项研究发表在《Science Advances》上(www.doi.org/10.1126/sciadv.abe9765).原文链接
2021-04-17
第一届光学前沿在线高峰论坛
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第一届光学前沿在线高峰论坛
第一届光学前沿在线高峰论坛
2021-04-16
用于测量斑马鱼跳动心脏收缩的组织集成微激光器
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用于测量斑马鱼跳动心脏收缩的组织集成微激光器
据悉,英国圣安德鲁斯大学的研究人员已经证明,与其他基于光的技术相比,集成到心肌细胞或组织中的微型激光器可以用于获取心肌细胞、活的斑马鱼和活的心脏组织的收缩性的高分辨率测量。识别跳动心脏中单个细胞的收缩特性的能力可以提高人们对心脏病的认识,并有助于推进新的治疗方法。这项工作将在4月12-16日举行的全虚拟2021 OSA生物光子学大会:生命科学中的光学上展示。报告定于4月14日星期三太平洋时间11:30 。研究人员表示,显微激光可以揭示组织内部成像方法无法应用的生物物理信号。未来,这项技术可以通过指导人工心脏组织和再生心脏治疗的发展,帮助克服心血管疾病日益加重的负担。使用光来分析或成像跳动的心脏是具有挑战性的,因为组织在不断移动,心脏中的密集肌纤维倾向于强烈散射和吸收光。尽管先进的显微技术如多光子成像可以在大脑深处1毫米处成像,但心脏挑战性的环境将功能成像限制在大约100微米。在新的研究中,研究人员使用直径只有15微米的球形微激光器。由于其独特的发射特性,这些激光器在需要高信号强度和短采集时间的应用中工作良好。研究人员发现,微激光可以被新生小鼠的心肌细胞吸收。一旦进入细胞内,微激光就会与肌原纤维(形成肌纤维的收缩丝)保持直接接触。当细胞收缩时,它会改变接触激光的肌原纤维的折射率,在激光波长中产生可探测的脉冲形扰动。这些折射率的变化与收缩力直接相关。研究人员还将微激光器注射到斑马鱼胚胎的心脏外壁,然后记录详细的收缩情况。结果表明,该技术不受心脏快速运动的影响。这种新方法也适用于心脏组织的厚切片,可以用于药物筛选或测试再生心脏疗法。在这些组织切片中,可以通过厚达400微米的组织测量微激光信号和心脏收缩。研究人员认为,他们的研究表明微激光器可以作为多用途传感器,可靠地表征细胞的收缩特性,而不需要任何复杂的图像重建或组织稳定过程。未来这种方法还可以用于研究移植细胞和工程心脏组织。他们研究的下一步将是减小微激光器的尺寸,提高它们的生物相容性。更重要的是,通过切换到多光子激发或红外发射激光器,光的穿透能力可以大幅度增加,能够感知到组织深处心脏的收缩。原文链接本文受译者委托,享有该文的专有出版权,其他出版单位或网站如需转载,请与本站联系,联系email:mail#opticsjournal.net。(为防止垃圾邮件,请将#换为@)否则,本站将保留进一步采取法律手段的权利。
2021-04-15
中山大学微纳结构电子光子与器件团队AOM:具有手性依赖色散的石墨烯边缘等离极化激元纳米成像研究
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中山大学微纳结构电子光子与器件团队AOM:具有手性依赖色散的石墨烯边缘等离极化激元纳米成像研究
石墨烯的等离极化激元是入射光场与石墨烯的自由电子集体振荡耦合所形成的局域电磁场模式,其工作波长覆盖近红外光至太赫兹波谱段。相比于传统金属材料,石墨烯的等离极化激元具有损耗小、工作波段宽、光场局域特性强以及可调谐等特性。特别是,石墨烯的边缘可以支持一维等离极化激元模式。对比于面内的模式,这种边缘模式由于具有更强的光场局域特性而备受瞩目。单层石墨烯具有锯齿和扶手椅型两种手性边缘。这两种边缘具有丰富而有趣的局部电子态,可以诱导诸多有趣的物理特性,如超导、局部磁特性、拓扑行为等。在前期的研究中,研究者从理论上预测了石墨烯的等离极化激元边缘模式具有手性依赖特性,实验上也已经发现石墨烯的两种手性边缘对面内的等离极化激元波具有不同的反射系数,因而边缘的手性将显著影响局域电磁场分布。然而,对于沿着两种手性边缘传播的一维等离极化激元模式的实验研究尚未见报道,人们对这种模式具体的传播色散行为与边缘手性的关系尚不清楚。 针对上述问题,中山大学微纳结构电子光子与器件研究团队将实空间中远红外纳米光学成像技术与第一性原理计算相结合,率先开展了对石墨烯手性边缘的一维等离极化激元传输行为和色散的研究。他们通过分析比较这两种边缘模式在对石墨烯进行化学掺杂前后的纳米光场分布,揭示了若干与边缘手性电子态相关的等离极化激元行为。首先,由于局域电子态的存在,两种边缘等离极化激元模式均表现出比石墨烯的面内等离极化激元模式更强的中远红外电磁场局域特性;其次,在本征石墨烯中,锯齿和扶手椅型边缘传播的一维等离极化激元模式具有相同的色散关系,但在对石墨烯进行化学掺杂后,由于锯齿型边缘表现出金属性行为,具有更强的化学吸附能力,导致在相同掺杂浓度下,锯齿型边缘上将积累更多的载流子,其费米能级的变化量是扶手椅型边缘的3倍,从而使得位于锯齿型边缘的等离极化激元模式的波长移动范围更宽。上述结论与基于密度泛函理论的第一性原理计算结果相一致。此项研究为石墨烯的等离极化激元边缘模式具有手性依赖行为提供了一个直接的实验证据,发现了一维等离极化激元的传播色散与边缘手性的依赖规律,揭示了锯齿形边缘的等离极化激元模式在高灵敏分子纳米传感应用上的优势,并展示了等离极化激元纳米成像可做为一种“探针”,用于研究原子的空间排列方式对电磁场局域分布的作用规律。 消息来源:MaterialsViews
2021-04-15
正交光化学辅助的3D打印韧性和可拉伸的导电水凝胶
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正交光化学辅助的3D打印韧性和可拉伸的导电水凝胶
在过去的十年,导电水凝胶(TCHs)因具有优异的导电性、机械性能和富含水的特性,引起了人们对它的极大兴趣。TCHs具有对比鲜明的多网络,这赋予了它们高机械强度和通过不同耗散机制有效耗散机械能的能力,从而承受应变以保持完整性。这种水凝胶在电子、组织工程、致动器和能量储存装置中具有广泛的应用。典型的导电聚合物如聚苯胺(PANI)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)和聚吡咯(PPy)是TCHs的关键成分。这些聚合物通常通过直接浸泡或将其与其他前体混合以及水凝胶中单体的原位化学氧化或电化学聚合而引入水凝胶。最近,已经报道了诸如打印商业导电产品、选择性聚合和金属离子交联剂的电化学释放的策略,用于制造TCH图案和3D结构,用于例如体内单个单元记录、应变传感器和将电刺激系统转移到包封的细胞以增强分化等。这些开创性的研究极大地拓宽了水凝胶在柔软、可穿戴设备和生物电子学中的应用。然而,设计用于一锅制备大块TCHs和高分辨率图案(~100 μm)的简单而快速的策略,特别是利用已报道的用于制造复杂3D结构的打印技术,仍然是一个挑战。 近日,来自西北大学化学与材料科学学院、教育部合成与天然功能分子化学重点实验室的Hongqiu Wei等人报道了一种正交光化学辅助打印(OPAP)策略,通过合理的可见光化学设计和可靠的挤压打印技术的结合,在一个锅中制造三维TCHs。这种正交化学快速、可控,同时实现了EDOT光聚合和苯酚偶联反应,导致在短时间内(tgel~30 s)构建出坚韧的水凝胶。由此制备的TCHs具有韧性、导电性、可拉伸性和抗冻性。这种无模板3D打印可以在制造过程中加工成任意的结构。为了进一步证明这种简单的OPAP策略和TCHs的优点,3D打印的TCHs水凝胶阵列和螺旋线,用于组装高性能压力传感器和温度响应致动器。预计这种一锅快速、可控的OPAP策略将为制造坚韧的水凝胶打开新的视野。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。(詹若男) 文章链接:Hongqiu Wei et al. Orthogonal photochemistry-assisted printing of 3D tough and stretchable conductive hydrogels. Nature Communications (2021) 12:2082 https://doi.org/10.1038/s41467-021-21869-y 消息来源:两江科技评论
2021-04-15
OLED中电子自旋的完全极化
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OLED中电子自旋的完全极化
一个世纪前,Stern和Gerlach的实验可以说导致了物理学最重要、令人兴奋、意料想不到的发现之一。当他们试图测量与电子轨道角动量相关的原子的磁矩时,无意中发现了电子的固有磁矩——即电子“自旋”这一性质,狄拉克后来证明这是薛定谔物质波方程相对论公式的直接结果。受Stern和Gerlach的突破启发,操纵电子自旋在“自旋电子学”技术、磁共振成像和量子信息科学中早已司空见惯;它甚至用于高能物理学研究自旋依赖散射过程。但电子的自旋对于看似完全不同的过程的操作原理也是至关重要的:例如,在有机发光二极管(OLED)中,电子和空穴以自旋相关的方式重新组合以产生光。由于重组单态和三态分子激发态物种是非简并的,重组产物的自旋排列对称性的统计分布决定了器件的整体功率效率。由光诱导电子转移引起的光化学反应的核心也出现了类似的现象。例如,有人提出,某些鸟类的视网膜色素-蛋白质复合物支持空间分离的自旋相关载体对的形成,单重态-三重态的复合产额会受到小到地磁场强度大小的自旋进动变化的影响。这些过程取决于自旋对的排列对称性,而不是Stern-Gerlach型自旋极化。 由于自旋轨道耦合(SOC)效应在这些材料中普遍较弱,因此oled为研究自旋极化现象提供了一个潜在的半导体基础。近日,来自德国雷根斯堡雷根斯堡大学的Tobias Scharff等人在荧光OLED材料中展示了强磁场在低温下对磁电的完全抑制。磁电的荧光抑制程度不仅与温度有关,还与电流有关,随着温度和电流的升高,自旋极化的影响逐渐消失。相关工作发表在《Nature communications》上。(郑江坡) 文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-021-22191-3 消息来源:两江科技评论
2021-04-15