水凝膠半導(dǎo)體材料問世

科技日報2024年10月27日報道， 在最新一期《科學(xué)》上，美國芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院團隊展示了界面生物電子學(xué)領(lǐng)域的新突破：他們創(chuàng)造出具有強大半導(dǎo)體功能的新型水凝膠材料。這種新型藍色凝膠能夠在水中像海蜇一樣浮動，同時還具有出色的半導(dǎo)體功能，可實現(xiàn)生物組織與機器之間的信息傳輸。

理想的用于連接電子組件和活體組織的材料應(yīng)當(dāng)是柔軟、可拉伸且親水的，類似于水凝膠。而半導(dǎo)體材料通常比較硬、脆且不親水，無法像水凝膠那樣在水中溶解。如果將半導(dǎo)體用于起搏器、生物傳感器及藥物遞送裝置等生物電子器件，這些缺點構(gòu)成巨大障礙。

此次新材料展現(xiàn)出了高達81千帕的組織級模量、最大可達150%的拉伸性和高達1.4平方厘米/伏秒的載流子遷移率。這表明，這種既具有半導(dǎo)體特性，又具備水凝膠屬性的材料，滿足了作為理想生物電子界面的所有要求。

由于可植入生物電子設(shè)備與組織直接接觸，所以要能隨組織一同變形，從而形成高度緊密的生物界面。

傳統(tǒng)的水凝膠制備方法是將某種材料溶解于水中，再加入使溶液變?yōu)槟z狀態(tài)。然而半導(dǎo)體材料通常都不溶于水。為此，團隊開發(fā)了一種溶劑交換工藝。不是將半導(dǎo)體溶解在水中，而是將其溶解在與水混溶的有機溶劑里。接著，他們利用溶解的半導(dǎo)體和水凝膠前體來進行制備。

最初的產(chǎn)物是一種有機凝膠，團隊再將整個材料體系浸泡在水中，使有機溶劑溶解并允許水滲入其中。最終得到的材料可以廣泛應(yīng)用于多種具有不同功能的聚合物半導(dǎo)體。

值得注意的是，與傳統(tǒng)的水凝膠相比，這種新材料不僅改善了生物功能，還在多個方面表現(xiàn)出了超越單純水凝膠或半導(dǎo)體材料的能力，實現(xiàn)了更好的綜合效果。

這一研究目前主要將解決生化傳感器和心臟起搏器等植入式醫(yī)療設(shè)備所面臨的挑戰(zhàn)，但其還有許多潛在的非侵入性應(yīng)用，譬如更精確地讀取皮膚數(shù)據(jù)、改善傷口護理等。該材料具有極其柔軟的機械性能與高含水量，這些都與活體組織相似。同時，它還具有多孔性，這意味著還可以運輸各種營養(yǎng)和化學(xué)物質(zhì)。而當(dāng)所有這些特性相結(jié)合，新型水凝膠就會成為組織工程和藥物遞送中最有用的材料之一。

（2024年10月27日 張夢然 科技日報）

微型柔性水凝膠

鋰離子電池面世

科技日報2024年10月29日報道，英國科學(xué)家利用生物相容性水凝膠液滴，成功研制出一款微型柔性鋰離子電池。該電池不僅具備光激活、可充電特性，還能實現(xiàn)生物降解。研究團隊表示，這種微型電池有望在藥物釋放、心臟除顫和微型機器人等多個生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域大放異彩。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《自然·化學(xué)工程》雜志。

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所用微型智能設(shè)備的體積通常不足幾立方毫米，因此需要同樣小巧的電源來供電。這些設(shè)備還需與生物組織直接作用，這就要求其電源必須是由柔軟材料制成，以確保安全性。

此類電池應(yīng)該具備多種特性，如高容量、生物相容性、生物降解性和可激活性等。同時，它們還應(yīng)具備遠程控制能力，以適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。但目前沒有電池能集上述功能于一身。

為攻克這一難題，英國牛津大學(xué)化學(xué)和藥理學(xué)系科學(xué)家利用水凝膠液滴，采用表面活性劑支撐的組裝技術(shù)，在類似肥皂的分子協(xié)助下，將三個體積僅為10納升的微型液滴連接起來，研制出了這款微型柔性鋰離子電池。其中兩個液滴含有鋰離子顆粒，它們相互作用便能產(chǎn)生能量。

研究團隊表示，這款液滴電池擁有卓越的能量密度，是迄今最小的水凝膠鋰離子電池。它能促進合成細胞間帶電分子的運動，從而實現(xiàn)對小鼠心臟跳動的控制及除顫功能。此外，通過與磁性粒子相結(jié)合，它還能作為移動的能量載體。

（2024年10月29日 劉霞 科技日報）

可吸收多頻段電磁波

超薄膜研制成功

科技日報2024年10月30日報道，韓國材料科學(xué)研究所科學(xué)家研制出一款復(fù)合材料超薄膜。這款材料能夠吸收99%以上來自5G、6G、Wi-Fi以及自動駕駛車載雷達等不同頻段的電磁波，有望提升無線通信的可靠性。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《先進功能材料》雜志。

電子元件發(fā)出的電磁波會導(dǎo)致附近其他電子設(shè)備性能下降。為防止這種情況發(fā)生，電磁屏蔽材料應(yīng)運而生。傳統(tǒng)電磁屏蔽材料大多采用反射方式，能反射90%以上的電磁波，實際吸光度只有10%左右。而擁有較高吸光度的材料，往往只能吸收單個頻帶內(nèi)的電磁波。

為打破這一困境，研究團隊開發(fā)出這款復(fù)合材料。它在3個不同頻帶內(nèi)均展現(xiàn)出小于1%的低反射率和超過99%的高吸光度，且厚度不足0.5毫米。此外，最新超薄膜還具備柔軟、耐用等性能，即使在折疊和展開數(shù)千次后也能保持形狀，非常適用于可卷曲手機和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。

此次研究通過改變鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)，合成出了一種具有選擇性吸收電磁波的磁性材料。在此基礎(chǔ)上，這種超薄聚合物復(fù)合膜背面加入了導(dǎo)電圖案，以控制電磁波的傳播。通過巧妙地調(diào)整導(dǎo)電圖案形狀，超薄膜能夠顯著減少特定頻率下的電磁波反射。

此外，超薄膜背面還應(yīng)用了高屏蔽性能的碳納米管膜，以進一步增強材料的電磁波屏蔽能力。

（2024年10月30日 劉霞 科技日報）

全新納米級3D晶體管面世

科技日報2024年11月6日報道，美國麻省理工學(xué)院團隊利用超薄半導(dǎo)體材料，成功研制出一種全新的納米級3D晶體管。這是迄今已知最小的3D晶體管，其性能和功能可比肩甚至超越現(xiàn)有硅基晶體管，將為高性能節(jié)能電子產(chǎn)品的研制開辟新途徑。相關(guān)論文發(fā)表于11月5日出版的《自然·電子學(xué)》雜志。

晶體管是現(xiàn)代電子設(shè)備和集成電路中的基礎(chǔ)元件，具有多種重要功能，包括放大和開關(guān)電信號。然而，受“玻爾茲曼暴政”這一基本物理限制的影響，硅基晶體管無法在低于一定電壓的條件下工作，這無疑限制了其進一步提升性能，以及擴展適用范圍。

為打破這一瓶頸，團隊利用由銻化鎵和砷化銦組成的超薄半導(dǎo)體材料，研制出這款新型3D晶體管。該晶體管性能與目前最先進的硅晶體管相當(dāng)，能在遠低于傳統(tǒng)晶體管的電壓下高效運行。

團隊還將量子隧穿原理引入新型晶體管架構(gòu)內(nèi)。在量子隧穿現(xiàn)象中，電子可以穿過而非翻越能量勢壘，這使得晶體管更容易被打開或關(guān)閉。為進一步降低新型晶體管“體型”，他們創(chuàng)建出直徑僅為6納米的垂直納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

測試結(jié)果顯示，新型晶體管可以更快速高效地切換狀態(tài)。與類似的隧穿晶體管相比，其性能更是提高了20倍。

這款新型晶體管充分利用了量子力學(xué)特性，在幾平方納米內(nèi)同時實現(xiàn)了低電壓操作以及高性能表現(xiàn)。由于該晶體管尺寸極小，因此可將更多該晶體管封裝在計算機芯片上，這將為研制出更高效、節(jié)能且功能強大的電子產(chǎn)品奠定堅實基礎(chǔ)。

目前，團隊正致力于改進制造工藝，以確保整個芯片上晶體管性能的一致性。同時，他們還積極探索其他3D晶體管設(shè)計，如垂直鰭形結(jié)構(gòu)等。

（2024年11月6日 劉霞 科技日報）

含金屬復(fù)雜分子

模擬速度創(chuàng)紀(jì)錄

科技日報2024年10月31日報道，來自美國太平洋西北國家實驗室以及匈牙利的科學(xué)家，在英偉達公司的高性能圖形處理單元（GPU）上成功執(zhí)行了量子化學(xué)計算，創(chuàng)造了含金屬復(fù)雜分子模擬速度新紀(jì)錄，為電子結(jié)構(gòu)計算設(shè)定了新基準(zhǔn)。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《化學(xué)理論與計算》雜志。

金屬酶能夠加速化學(xué)反應(yīng)，降低能耗，使反應(yīng)過程更加高效和可持續(xù)。深入了解和優(yōu)化這些催化劑，對于醫(yī)藥、新能源和消費品等諸多行業(yè)至關(guān)重要。然而，此前快速且高精度的化學(xué)計算往往難以實現(xiàn)。

為解決這一難題，研究團隊集結(jié)最先進的硬件與量子化學(xué)張量網(wǎng)絡(luò)算法等尖端模擬技術(shù)，在單個DGX-H100 GPU節(jié)點上，實現(xiàn)了每秒高達246萬億次浮點運算的計算速度。

團隊表示，與此前用英偉達公司的其他GPU開展的計算相比，此次計算的速度提高了2.5倍；而與用中央處理單元（CPU）進行的類似計算相比，此次計算速度更是提高了80倍。

最新研究旨在實現(xiàn)多體薛定諤方程的高效且精確求解。這些方程對于理解分子和材料的電子結(jié)構(gòu)十分關(guān)鍵。目前，全球僅有少數(shù)計算系統(tǒng)具備如此強大的計算能力。

團隊強調(diào)，最新成果使復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)的研究能夠快速改進和迭代，充分展示了大規(guī)模計算在解決量子化學(xué)問題方面的潛力。此外，更出色的GPU計算框架，以及人工智能引導(dǎo)的物理學(xué)，結(jié)合為大型定量機器學(xué)習(xí)模型生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)的新方法，有望為實現(xiàn)能源、健康等領(lǐng)域的新應(yīng)用貢獻重要力量。

（2024年10月31日 劉霞 科技日報）

超固體旋轉(zhuǎn)時呈現(xiàn)

“量子渦旋”

科技日報2024年11月8日報道，奧地利因斯布魯克大學(xué)研究團隊在旋轉(zhuǎn)的二維超固體中首次觀察到量子渦旋，這為長期尋找的無旋超流體流入超固體的現(xiàn)象提供了確切證據(jù)，標(biāo)志著調(diào)制量子物質(zhì)研究邁出了一大步。相關(guān)成果發(fā)表在最新一期《自然》雜志上。

超固體是一種近年來才被驗證的新型量子物質(zhì)狀態(tài)，它同時具備超流體和固體的特性。這種獨特的物質(zhì)狀態(tài)可在極低溫的偶極量子氣體中人工生成。

盡管科學(xué)家已經(jīng)通過直接成像技術(shù)展示了構(gòu)成超固體中的“固體”特性的晶體排列，但其超流體特性則更為隱秘。科學(xué)家一直在探索超流體現(xiàn)象的不同方面，但是證明超流體核心特征之一量子渦旋的存在卻異常困難。

此次，研究團隊結(jié)合理論模型與前沿實驗，在偶極超固體中成功創(chuàng)造了渦旋并對其進行了觀察。他們確認了超流動性的一個關(guān)鍵缺失環(huán)節(jié)，即系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)作出響應(yīng)時表現(xiàn)為量子渦旋的出現(xiàn)。首次在超固體中觀測到的小尺度量子渦旋呈現(xiàn)出與之前預(yù)期不同的特性。

2021年，該團隊利用極冷的鉺原子氣體創(chuàng)造了首個長壽命的二維超固體。在新研究中，他們基于理論指導(dǎo)，采用高精技術(shù)，借助磁場溫和地攪動超固體。因為液體不具備剛性旋轉(zhuǎn)的能力，因此這種攪拌促成了量子渦旋的生成，這是超流體動力學(xué)的一個顯著標(biāo)志。

這項歷時接近一年的實驗，揭示了超固體中渦旋動態(tài)與非調(diào)制量子流體之間的顯著區(qū)別，同時也為理解這些奇異量子態(tài)中超流體和固體特性如何共存及互動提供了新的視角。

（2024年11月8日 張佳欣 科技日報）