生物材料

<正>经过数百万年的进化,生物世界已经成为一个超级有效的材料研发实验室。本期选自《自然》杂志的一组文章研究了自然界中的物质如何为仿生材料带来启发,从而最终赋予人类超人的能力。我们的探索从观察一种熟悉的生物开始——蜘蛛。这些节肢动物用来结网的丝非常坚韧。确实,电影《蜘蛛侠2》中的场景——纽约市的一列地铁被一个蜘蛛网迫停,并非远离现实、荒诞不经。科学家正在研究如何用合成材料制造出这样的纤维。     

大有可为的仿生材料学

美国戴顿研究所正在研究甲壳虫是如何将糖及蛋白质转化成为质轻然而强度很高的坚硬的外壳;华盛顿大学的研究人员正在试图揭示蜘蛛吐出的水溶蛋白质是如何变成不可溶的丝,而丝的强度竟比防弹背心材料还要坚韧;普林斯顿大学的科学家们正在探索鲍鱼(古称石决明)是如何将海水中的白垩(碳化钙)结晶,并将其转化成强度两倍于高级陶瓷的贝壳。此外,自然界中还有许许多多具有神奇功能的普通物质,例如锋利的鼠牙竟可以咬透金属罐头盒;胡桃木及椰子壳     

超级电容器在器件设计以及材料合成的研究进展

便携电子产品的快速发展以及可再生能源系统的日益扩大,意味着储电系统将在人类社会中扮演着越来越重要的作用.近年来,新一代的超级电容器在材料合成、器件的设计组装以及多功能器件的设计等方面取得了许多重大突破.因此,本文将从新材料的合成、新设备的设计组装以及多功能器件的研发等方面对超级电容器的最新研究进展进行总结.首先,对不同结构的超级电容器及其性能进行详细地讨论,包括三电极(也称半电池)装置、两电极超级电容器、柔性固态超级电容器、纤维超级电容器以及微型(平面)超级电容器等.通过对文献的综合分析,突出介绍了超级电容器的设计原则;其次,对一些新兴电极材料的研发及其储电性能进行了讨论,包括碳材料、双金属氧化物(NiCo_2O_4, Ni_3V_2O_8, Co_3V_2O_8等)、过渡金属硫化物/硒化物/磷化物等正极材料以及VN, Fe_2O_3等负极材料;最后,对下一代的多功能超级电容器,包括自愈合超级电容器、自充电超级电容器、全方位-自适应-自充电超级电容器等器件的研究进展进行总结,概括这一新兴技术领域的未来发展趋势及其关键技术挑战.     

蜘蛛网激发的灵感

<正>蜘蛛吐出的坚固而有弹性和黏性的丝激发了工程师的灵感,从而设计出了人造肌腱和角膜等先驱性的医疗产品。一只马达加斯加树皮蜘蛛把一根拖丝吐到空中,细丝被风吹到河的另一边,停在25米开外河对岸的树叶上。随后,这只达尔文树皮蜘蛛伸出桥线确定张力并加固,然后拉出一套所需的更具弹性或黏性的其他丝线,从而结成网捕获飞过水面的昆虫。达尔文树皮蜘蛛的桥线是世界上已知最坚韧的生物材料——甚至比钢还要坚韧,但是达尔文树     

巨浪滔天,贻贝为何纹丝不动?

<正>许多人都吃过贻贝(青口,又称海虹),可是对其生长却一无所知。贻贝小到只有指甲盖大小,专门生长在潮汐带的礁石或沙滩上。退潮时,密密麻麻"团结"在一起的贻贝层层叠叠地蔓延在坚硬的礁石上,想抠出其中一个,还十分不易。无情的大浪,都能将礁石打磨光滑,却分散不开个头小小的它们,这是为什么呢?原来,贻贝能够如此"紧紧相依"的秘密在于:它们的"脚底"长有类似根须的足丝,这种足丝超级灵活,一旦遇到适当硬度     

让植物生产蜘丝

研究人员已将蜘蛛基因插入马铃薯和烟草植物 ,以使这些植物在它们的组织中制造大量的丝蛋白。如果将此蛋白质织成线 ,它们不仅能生产出坚韧的纤维 ,而且可制成无毒的能生物分解的生物医药用布。来自德国Ｇａｔｅｒｓｌｅｂｅｎ研究所的尤多·康拉德 (ＵｄｏＣｏｎｒａｄ)和同事们制成了金黄色球形蜘蛛丝蛋白基因的人造变体并把它们拼接入几种植物的基因组。他们发现 ,有些植物的蛋白质总量中 ,有 2 %以上由丝蛋白构成。将蜘蛛丝基因转入细菌已获成功。这些细菌在发酵罐里人工培养并在那里制造丝蛋白。但这些细菌得用相对昂贵的丝蛋白成分即…     

高分子科学与技术发展

近年来由于工农业生产和尖端技术的需要,新型材料不断出现。其中以高分子材料最受重视,被称为划时代的材料。高分子是高分子化合物的简称。它们是以长链为基本结构的分子量很大的化合物。天然高分子如蛋白质(包括蚕丝、羊毛)、纤维素(棉花)、淀粉、天然橡胶等,是动植物的组成部分,早已为人所应用。人工合成的高分子则是在本世纪初才出现的,按其使用途径主要分为塑料、合成纤维、合成橡胶三类。高分子材料首先是被用来代替天然材料的,如塑料代替木材、陶瓷和金属;合成纤维代替天然纤维——棉、毛、麻、丝;合成橡胶代替天然橡胶等等。随着它们的品种不断增     

新类型超新星

<正>在这幅艺术示意图中,来自一颗白矮星(个头小、密度却极大)的引力正缓慢地将氦拖离一颗伴星。根据理论,当这颗     

关键词

<正>超级细菌南亚发现新型NDM-1超级细菌,抗药性极强,可全球蔓延。超级细菌是一种耐药性细菌,能在人身上造成脓疮和毒疱,甚至逐渐让人肌肉坏死。更可怕的是,抗生素药物对它不起作用,病人会因为感染而引起可怕的炎症、高烧、痉挛、昏迷,直到最后死亡。超级细菌的成因系人们滥用抗生素所致。     

长寿饮食

正低糖、多果蔬和坚果、适量脂肪和蛋白质一些专家认为,多吃果蔬、全麦,再加一些脂肪,是有利于长寿的饮食。但也有专家相信,减少蛋白质摄入量、减少摄入的总热量,也是长寿饮食的要点。到底哪种观点正确?为寻找答案,许多专家把目光投向了欧洲饮食,尤其是地中海饮食。尽管专家们对地中海地区人们的饮食究竟包括哪些还有争议,但他们基本上都认可地中海地区的人们从鱼、果蔬和超级初榨橄榄油中获益良多。     

超极蛛丝

美国科学家积多年艰辛探索和潜心研究在生物学诸多领域中取得了长足发展,他们在生物遗传工程和仿生学上的成就举世瞩目。近年来他们又对屈身人类脚下遍布全球的蜘蛛进行了广泛深入的探索并进行提取蜘蛛造丝基因。通过PCR技术在培养菌中转移拼合培植入造超级丝的伟大尝试。目前实验虽尚未取得结果但前景诱人,令人鼓舞。     

蛋白质在纳米拓扑结构材料表面的吸附

蛋白质在生物医用材料表面的吸附行为与材料的生物相容性密切相关. 长期以来, 大量的研究报道基本上都集中在生物医用材料表面化学组成对蛋白质吸附行为的影响, 而单独考察材料表面拓扑结构对蛋白质吸附行为影响的研究近年来才刚刚开始. 本文介绍了材料表面纳米拓扑结构对蛋白质吸附行为影响的研究进展. 所涉及的材料表面纳米尺度拓扑变量包括粗糙度、曲面曲率和特定几何形状 等, 而蛋白质的吸附行为则包括蛋白质吸附量、吸附后蛋白质的活性和吸附蛋白层的形貌等.     

特斯拉超级电池工厂的成败攸关之年

<正>终于,特斯拉的锂离子电池将要从超级电池工厂下线了,但它会给特斯拉带来丰厚收益吗?3年前,特斯拉汽车公司宣布了建设超级电池工厂(Gigafactory)的计划,这个锂离子电池工厂横亘在美国内华达州斯帕克斯市外炎热的丘陵上。此前,从未有人提过与此类似的建议。特斯拉首席执行官埃隆·马斯克(Elon Musk)宣称,该超级电池工厂将成为世界上最大的建筑物,占地面积相当于107个     

水下“药房”

正海洋的一些生物中包含可以治愈癌症、MRSA(一种皮肤病超级细菌)及更多疾病的化学物质珍贵的马蹄蟹血液马蹄蟹是原始的节肢动物,其血液中含有铜离子,故它的血液是不变的蓝色。研究人员发现,这种古老的节肢动物的血液中含有会对微小细菌产生反应的变形细胞。当马蹄蟹受伤或感染时,其血液就变稠凝固,血液中的一种蛋白质叫     

前沿

正1中国研制出超强电池中科院上海硅酸盐所的科学家已研制出一种高性能超级电容器电极材料——氮掺杂有序介孔石墨烯。该材料具有极佳的电化学储能特性,可用作电动车的"超强电池":充电7秒,即可续航35千米。这种超强电池不仅能实现高能量密度、高功率密度,而且还可以通过使用水基电解液,做到无毒、环保、价格低廉、安全可靠。     

原子的秘密

<正>德国科学家马克斯·冯·劳厄因发现晶体中X射线的衍射现象而获得1914年诺贝尔物理学奖。正是这种现象的发现促成了X射线晶体学的诞生。从那以后,研究者们就开始用衍射法来研究日益复杂的晶体结构,研究范围囊括了简单的矿物质、高科技材料如石墨烯和包括病毒的生物结构。随着科技的进步,探索的步伐也加快了:每年都会形成成千上万的新结构的影像。蛋白质晶体影像的分辨率在1990年突破了分辨单个原子的临界点,新的X射线源为捕捉极具挑战性的蛋白质影像创造了条件,这些蛋白质几乎不可能成长为大型晶体     

基于超级电容的混合储能器件研究现状及展望

基于超级电容的混合储能器件(HESDs)是一种结合了两种储能形式——传统双电层电容与赝电容相结合,或者超级电容器和二次电池相结合——的新型储能器件,主要包括非对称超级电容器(ASCs)和电池电容器(BSCs)两大类。相比而言,混合储能器件不仅具有传统超级电容器的高功率密度、优良的长循环稳定性和安全性的特点,而且具有可与二次电池相媲美的能量密度,在未来能量储存应用领域中有望成为多功能电子设备、电动/混动车辆等的理想的终级动力源。针对不同种类超级电容器的电极材料储能行为及其相互联系、电解液的发展、电极材料合成与研究现状、全电池的构筑及其性能等方面进行了详细、系统的综述,并对混合储能器件未来的发展前景和趋势以及所面临的挑战进行了展望。     

视野

<正>敢吃鳄鱼的超级蟒蛇古生物学家最近宣布,他们在哥伦比亚北部发现的化石证据显示,一种生活在6000万年前的超级大蟒蛇——泰坦蟒,是迄今为止存在过的全球身体最长的蛇,其体长可达14米。更惊人的是,这种蟒蛇的猎物中竟然包括一种身长超过2米的远古鳄鱼近     

隐形士兵

<正>超级材料能使人隐身吗?请看《新科学家》杂志记者带来的报道。美国军方想为士兵制作隐形斗篷,不止如此,还宣布想在未来18个月内测试最佳竞争者。听起来是不是有点不切实际?好吧,其实我们可能并没有你们所认为的那么离谱。2006年,伦敦帝国理工学院的理论物理学家约翰·彭德里(John Pendry)的研究表明,有可能使光绕过一个物体发生弯曲并用超材料把物体隐藏起来,超材料就是用来传播电磁波的微观层面的人工复合结构。从此,科学家们描述了很多号称隐形斗篷的装备,但都只能在实验室里,以特定波长或是从特定角度看才起作用。如今,美国军方向各大公司征集方案,制作能     

昆虫建造的陷阱

<正>看似简单的小小昆虫,其实聪明绝顶。为了捕获猎物,它们可是各显神通。对于昆虫来说,蛋白质是非常重要的。蛋白质既是昆虫表皮的主要组成成分,又是昆虫生长发育和生殖所必需的营养物质,因此,昆虫总是想尽各种办法来获取蛋白质。昆虫获取和利用蛋白质的方式很多:昆虫会经常捕捉猎物来补充蛋白质;昆虫还吃掉自己饲养的"家畜",就像蚂蚁有时候会吃掉自己饲养的蚜虫来补充蛋白质;昆虫会依靠体内的共生菌来循环利用蛋白质;昆虫还会发育出很薄的表