功率/性能位:10月2日

光子传感器
华盛顿大学圣路易斯分校的研究人员发明了一种方法，可以用计算机记录环境数据无线光子传感器谐振器它采用了一种能够在光频率和振动或机械频率下共振的低语廊模式(WGM)架构。

光学传感器不受电磁干扰的影响，这在嘈杂或恶劣的环境中是一个主要的优势。华盛顿大学电气与系统工程教授杨澜表示:“基于谐振器的光学传感器占地面积小，灵敏度高，功能丰富，所有这些都为无线传感器提供了能力和灵活性。”“我们的工作为WGM传感器在整个互联网上的大规模应用铺平了道路。”

光子传感器在2017年春季的两种情况下记录了数据:一种是对12小时内的空气温度进行实时测量，另一种是在圣路易斯城市公园中，用安装在无人机上的传感器对温度分布进行空中测绘。两次测量都附有一个带有蓝牙连接的商业温度计，以便进行比较。

(a)无线WGM传感系统的架构。利用可调谐单模分布式布拉格反射器(DBR)激光器的光探测封装的低语通道模式传感器。从传感器耦合出来的光被发送到带有传输放大器(TIA)的光电探测器。ARM Cortex-M3处理器负责控制外设，包括激光电流驱动器、TEC控制器、监控电路和Wi-Fi单元。该传感系统由智能手机上的iOS应用程序通过Wi-Fi单元远程控制。(b)传感系统无线控制定制iOS应用程序截图。系统参数，如电流和温度，可以实时监控和调整。封装传感器的传输频谱也可以实时采集和分析。(c)集成所有电子元件的主板照片，如(a)所示。主板尺寸约为124毫米× 67毫米。(资料来源:徐湘义等光:科学与应用卷7，文章编号:62 (2018)）

“与现有的桌子大小的实验室设备相比，WGM传感器的主板只有127毫米乘67毫米——大约5英寸乘2.5英寸——并且集成了传感器系统的整个架构，”华盛顿大学的研究生徐湘仪(Xiangyi Xu)说。“传感器本身是由玻璃制成的，只有一根头发大小;通过一根光纤与主板相连。激光被用来探测WGM传感器。从传感器耦合出来的光被发送到带有传输放大器的光电探测器。处理器控制外围设备，如激光电流驱动器、监控电路、热电冷却器和Wi-Fi单元。”

在传感器中，光通过恒定的内部反射沿结构的圆形边缘传播。在圆形边缘内，光旋转100万次。在这个空间里，光波探测环境的变化，比如温度和湿度。传感器节点由定制的操作系统应用程序监控，该应用程序控制远程系统，并收集和分析传感信号。智能手机应用程序允许通过Wi-Fi控制传感系统。

杨指出，在传感器的测试过程中，共振频移测量结果与商用温度计的结果吻合得很好。“成功的演示展示了我们的无线WGM传感器在物联网中的潜在应用。WGM技术有许多有前途的传感应用，包括磁、声、环境和医学传感。”

皮肤连接扬声器，麦克风
蔚山国立科学技术研究院(UNIST)的研究人员开发了skin-attachable nanomembranes可以充当扩音器或麦克风。

混合纳米膜超薄、透明、导电，由嵌入在聚合物基质中的正交银纳米线阵列制成。这种薄膜的厚度不到100纳米，可以适应各种物体，包括人类皮肤。

“这些层能够检测与声音对应的摩擦电压信号产生的声音和声音振动，可以进一步探索各种潜在的应用，如声音输入/输出设备，”纽斯特大学能源与化学工程博士项目的Saewon Kang说。

(A)带有正交AgNW阵列的皮肤附着纳米扬声器和(B)可穿戴透明纳米麦克风的原理图。(来源:UNIST)

这种可附着在皮肤上的纳米膜扬声器的工作原理是利用周围空气的温度引起的振荡来发出热声。当电流通过导体并产生热量时，周期性的焦耳加热会导致这些温度振荡。

这种可穿戴式麦克风是连接在扬声器颈部的传感器，可以感知声带的振动。该传感器的工作原理是将透明导电纳米纤维振荡产生的摩擦力转化为电能。为了麦克风的操作，混合纳米膜被插入具有微小图案的弹性薄膜之间，根据与弹性薄膜接触产生的摩擦电压，精确地检测声音和声带的振动。

虽然部分设计是为了帮助听力和语言受损的人，但该团队表示，这项新技术可以进一步探索用于各种应用，如可穿戴物联网传感器、基于语音的认证和适形医疗设备。然而，对于商业应用，扬声器和麦克风的机械耐久性和性能将需要改进。

稳定钠离子电池
普渡大学(Purdue University)的研究人员开发了一种方法，通过添加a来提高钠离子电池的稳定性钠粉在生产过程中。

虽然钠价格便宜且储量丰富，但钠离子电池在物理上比锂离子电池更重，这对于太阳能和风能等静态设施来说并不一定是一个缺点。

然而，有一个问题是，钠离子在电池充电和放电的前几次往往会“丢失”。在最初的充电周期中，钠离子会粘附在电池的硬碳阳极上，而不会移动到阴极端。离子会形成一种叫做“固体电解质界面”的结构。

普渡大学化学工程副教授维拉斯·波尔(Vilas Pol)说:“通常情况下，固体电解质界面很好，因为它可以保护碳颗粒不受电池酸性电解质的影响，酸性电解质是导电的地方。”“但过多的界面会消耗我们为电池充电所需的钠离子。”

研究人员建议使用钠作为粉末，它为固体电解质界面提供所需数量的钠，以保护碳，但不会以消耗钠离子的方式积累。

钠如果接触到水通常会爆炸，但作为粉末在电池中表现良好。(来源:普渡大学视频/Vilas Pol)

他们通过将钠粉放在充满氩气的手套箱中，最大限度地减少钠暴露在水分中，使其燃烧。为了制造这种粉末，他们使用超声波将钠块融化成乳白色的紫色液体。然后将液体冷却成粉末，并悬浮在己烷溶液中以均匀地分散粉末颗粒。

在制造过程中，在阳极或阴极电极上滴几滴钠悬浮液可以使钠离子电池更稳定地充电和放电，并具有更高的容量——这是功能电池的最低要求。

Pol说:“在电极加工过程中添加合成钠粉只需要对电池生产过程进行轻微的修改。”这是将钠离子电池技术推向产业的潜在途径之一。”该团队已经为这项技术申请了临时专利。