电源/性能位:9月21日

捕捉动作中的开关
来自SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学、惠普实验室、宾夕法尼亚州立大学和普渡大学的研究人员观察到原子当电子开关打开和关闭时，移动到开关内部，揭示一种状态，他们怀疑这种状态可能会导致更快、更节能的设备。

“这项研究是超快技术和科学的突破，”SLAC科学家王西杰说。“这标志着研究人员第一次使用超快电子衍射，这种衍射可以通过从样品中散射强大的电子束来检测材料中的微小原子运动，从而观察电子设备的运行。”

该团队设计了由二氧化钒制成的微型电子开关，二氧化钒是一种典型的量子材料，其在室温附近的绝缘和导电状态之间来回变化的能力可能被用作未来神经形态计算的开关。

电脉冲被用来在绝缘和导电状态之间来回切换这些开关，同时拍摄快照，然后汇编成一个视频，显示了十亿分之一秒内原子排列的微妙变化。

斯坦福大学材料科学与工程系教授、SLAC斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)研究员亚伦·林登伯格(Aaron Lindenberg)说:“这种超快相机实际上可以观察材料内部，并拍摄原子在强烈的电激发脉冲下的运动快照。”“与此同时，它还测量了这种材料的电子性质如何随时间变化。”

他们在材料中发现了一种中间状态，当它响应电脉冲时，从绝缘状态切换到导电状态。

SLAC科学家沈晓哲说:“绝缘态和导电态的原子排列略有不同，从一个态到另一个态通常需要能量。”“但当过渡通过这种中间状态发生时，转换可以在不改变原子排列的情况下发生。”

中间状态只持续百万分之一秒，但可以通过材料中的缺陷来稳定。研究小组计划研究如何在材料中设计这些缺陷，使这种新状态更稳定、更持久。他们说，这将使他们能够制造出电子开关可以在没有任何原子运动的情况下发生的设备，这种设备运行得更快，需要的能量更少。

普渡大学(Purdue)教授什拉姆•拉马纳坦(Shriram Ramanathan)表示:“研究结果证明了电子开关在数百万个周期中的鲁棒性，并确定了此类设备开关速度的可能限制。”“这项研究为设备运行过程中发生的微观现象提供了宝贵的数据，这对未来设计电路模型至关重要。”

从指尖获取能量
来自加州大学圣地亚哥分校的工程师开发了一种小型能量采集可穿戴当把它涂在指尖上时，可以通过少量的汗水和打字等动作产生能量。

即使是像睡觉这样的基本动作，也会产生足够的汗液来为设备充电。“与其他汗液驱动的可穿戴设备不同，这款手表不需要佩戴者锻炼，也不需要他们投入体力就能发挥作用。这项工作使可穿戴设备更实用、更方便、更易于日常生活，”加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程博士生卢银(音)说。

轻微的手指按压，比如打字，可以产生额外的能量。加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程教授约瑟夫·王说:“我们设想，这可以用于任何涉及触摸的日常活动，人们通常在工作、在家、看电视或吃饭时都会做的事情。”“我们的目标是，这种可穿戴设备可以自然而然地为你工作，你甚至都不用想。”

研究人员指出，指尖是人体出汗最多的部位之一，它有超过1000个汗腺，不断出汗产生的汗液是身体其他部位的100到1000倍。

尹说:“我们之所以觉得身体其他部位更出汗，是因为这些部位通风不好。”“相比之下，指尖总是暴露在空气中，所以汗水在流出时就会蒸发掉。所以我们不是让它蒸发，而是用我们的设备收集这些汗液，它可以产生大量的能量。”

这种薄而灵活的带子可以戴在指尖上，当人们的手指出汗或按压它时，就会产生少量的电流。(来源:加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院)

利用这种手指汗液能量的关键是工程材料既具有超强的吸水性，又能有效地转化。它由乳酸盐提供动力，乳酸盐是汗液中的一种溶解化合物。

阳极上的生物酶氧化乳酸盐，阴极上沉积少量铂，催化还原反应，将电子转化为水。一旦发生这种情况，电子就会从乳酸盐中流过电路，产生电流。

该设备是一种柔韧的薄条，可以像创可贴一样缠绕在指尖上。在电极下面是一种压电材料，当被按压时，它会产生额外的电能。能量储存在一个小电容器中，然后释放到其他设备。

“该设备的大小约为1平方厘米。它的材质也很灵活，所以你不必担心它太僵硬或感觉奇怪。你可以舒服地戴上一段时间，”尹说。

为了测试该设备，研究小组让受试者在做久坐活动时将设备戴在一个指尖上。从10小时的睡眠中，该设备收集了近400毫焦的能量，足以为电子手表供电24小时。通过一个小时的随意打字和点击鼠标，该设备收集了近30毫焦的能量。把它应用到更多的指尖上会增加输出。

该团队还用它来为包括显示器在内的小型生物传感器供电，并在未来计划使其更高效和耐用，包括将其与其他能量收集器结合起来。“我们的目标是使它成为一种实用的设备，”尹说。“我们想要证明，这不仅仅是另一种可以产生少量能量的很酷的东西，我们实际上可以利用这些能量为传感器和显示器等有用的电子设备供电。”

罗望子nanosheets
新加坡南洋理工大学(NTU新加坡)、西挪威应用科学大学和阿拉加帕大学的研究人员发现了一种处理方法罗望子壳变成碳纳米片这既创造了超级电容器的有用组件，又减少了农业浪费。

“通过一系列分析，我们发现我们的罗望子壳衍生纳米片的性能在多孔结构和电化学性能方面与工业制造的同类产品相当。制造纳米片的过程也是生产活性炭纳米片的标准方法，”南洋理工大学电气与电子工程学院助理教授(Steve) Cuong Dang说。

阿拉加帕大学物理系教授兼系主任G. Ravi补充说:“罗窥子壳的使用可能会减少垃圾填埋场所需的空间，特别是在亚洲地区，如印度，世界上最大的罗窥子生产国之一，也在努力解决垃圾处理问题。”

为了制造碳纳米片，罗望子壳被洗净，在100°C下干燥约6小时，然后被研磨成粉末。然后将粉末在700-900°C的熔炉中，在无氧的情况下烘烤150分钟。

一个实验过程的代表，以及罗望子壳在每一步的照片。(来源:新加坡南洋理工大学)

由此得到的罗望子壳衍生纳米片具有良好的热稳定性和导电性，这可能使它们用于能量存储。

研究人员将这种工艺与使用工业大麻纤维进行了比较，工业大麻纤维需要更多的能量和更长的时间来加工成碳纳米片。他们计划与农业合作伙伴探索碳纳米片的大规模生产，并正在努力减少生产过程所需的能源，使其更加环保，同时寻求改善纳米片的电化学性能，并使用其他类型的果皮和壳。